分析建筑結構設計的一些問題

郭彬彬

摘? ? 要：隨著城市建設的快速發展，城市中出現了高層建筑。目前，城市建設中高層建筑的比例不斷增加，建筑結構設計的變化也在增加。許多新興的結構設計解決方案都呈現在城市建設中 建筑物的類型和功能變得越來越復雜，高層建筑的結構系統也越來越多樣化。高層建筑的設計已成為高層建筑結構設計的難點和關鍵。

關鍵詞：結構體系;結構設計;高層建筑

1? 高層建筑結構體系的特點

（1）框架結構體系。框架結構系統通常用于鋼結構和鋼筋混凝土結構。梁和柱通過節點形成承載結構。框架形成靈活布置的建筑空間，具有大的室內空間并且便于使用。由于框架梁和柱的橫截面小，抗震性能差，剛度低，建筑高度有限。剪切變形，即層間橫向位移隨著層數的增加而減小，框架結構主要用于抗震。高層建筑中的強化低層建筑。在考慮抗震設防要求的建筑物中，高度一般控制在70米以下。

（2）剪力墻結構體系。使用建筑物墻壁作為承受垂直載荷和抵抗水平載荷的結構稱為剪力墻結構系統。這種剪力墻結構適用于建造較高的高層建筑。剪力墻結構系統采用鋼筋混凝土結構，墻體承受所有水平和垂直載荷。根據不同的施工方法，可分為：全部現澆剪力墻;所有剪力墻都裝有預制墻板;內壁澆鑄到位，外壁是預制剪力墻。

（3）框架—剪力墻結構（框架—桶結構）系統。剪力墻的一部分設置在框架結構中，以將框架和剪力墻結合在一起;長度互補;并共同抵抗水平荷載，構成框架—剪力墻結構體系。如果剪力墻布置成圓柱體，則它也可以稱為框架—圓柱體結構系統。框架—剪力墻結構不僅具有框架結構柔韌，延性好的特點，而且具有剪力墻結構剛度大，承載力大的特點。它是一種更好的防側力系統，廣泛用于高層建筑。適用的高度與剪力墻結構大致相同。

（4）氣缸的結構。單個圓筒可分為實心圓筒，框架管和圓筒。平面剪力墻構成一個薄壁的空間圓柱體，是一個堅固的網狀物;框架通過減小四肢之間的距離，即框架圓柱形成一個氣密的柱框架;如果圓柱體的壁由空間桁架組成，則形成圓柱體。

（5）巨型結構。巨型結構通常由兩層結構組成。第一層結構超越了地板分區，形成了幾個樓層的巨型橫梁，巨柱（超級框架）或巨型桁架構件（超級桁架）。憑借這種巨型結構，它可以承受水平和垂直載荷。第二級結構僅承受垂直載荷并將載荷產生的內力傳遞給第一級結構。常見的巨型結構是巨型框架結構和巨型桁架結構。

2? 高層建筑結構設計的原則

（1）選用適當的計算簡圖：結構計算式在計算簡圖的基礎上進行的，計算簡圖選用不當則會導致結構安全的事故常常發生，所以選擇適當的計算簡圖是保證結構安全的重要條件。

（2）選擇合適的基礎方案：基礎設計應根據工程地質條件，上部結構類型與載荷分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進行綜合分析，選擇經濟合理的基礎方案，設計時宜最大限度地發揮地基的潛力，必要時應進行地基變形驗算。基礎設計應有詳盡的地質勘察報告，對一些缺少地質報告的建筑應進行現場查看和參考臨近建筑資料。通常情況下，同一結構單元不宜用兩種不同的類型。

（3）合理選擇構方案：一個合理的設計必須選擇一個經濟合理的結構方案，也就是要選擇一個切實可行的結構形式和結構體系。結構體系應受力明確，傳力簡捷。同一結構單元不宜混用不同結構體系，地震區應力求平面和豎向規則。總而言之，必須對工程的設計要求、材料供應、地理環境、施工條件等情況進行綜合分析，并與建筑、電、水、暖等專業充分協商，在此基礎上進行結構選型，確定結構方案，必要時應進行多方案比較，擇優選用。

（4）正確分析計算結果：在結構設計中普遍采用計算機技術，但是由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會導致不同的計算結果。因此設計師應對程序的適用范圍、條件等進行全面了解。在計算機輔助設計時，由于結構實際情況與程序不相符合，或人工輸入有誤，或軟件本身有缺陷均會導致錯誤的計算結果，因而要求結構工程師在拿到電算結果時應認真分析，慎重校核，做出合理判斷。

（5）采取相應的構造措施：結構設計始終要牢記“強柱弱梁、強剪弱彎、強壓若拉原則”，注意構件的延性性能;加強薄弱部位;注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的執行段錨固長度;考慮溫度應力的影響力。

3? 高層建筑結構設計的特點

（1）軸向變形不容忽視：高層建筑中，豎向載荷很大，能在柱中引起較大的軸向變形，對連續梁彎矩產生影響，造成連續梁中間支座處的負彎矩減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大;此外還會對預測構件的下料長度產生影響，要求根據軸向變形計算值，對下料長度進行調整;另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。

（2）結構延性是重要設計指標：相對于底層建筑而言，高層建筑的結構更柔和一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使高層建筑結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性。

（3）水平荷載成為決定因素：一方面，因為高層建筑樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與建筑高度的一次方成正比;而水平荷載對結構產生的傾覆力矩以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比;另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度變化。

4? 高層建筑結構的相關問題分析

（1）超高結構問題：在抗震規范和高規格中，對結構的總高度有嚴格的限制，特別是在以前的超高問題的新規范中，除了原始極限高度設置為A級高度。人們認為B級的高度增加了，治療措施和設計方法也發生了很大變化。在實際工程設計中，由于結構類型的變化導致問題被忽略，導致施工圖審查失敗，需要重新設計或需要開展示范和其他工作的專家會議，整體建設周期，成本等。規劃的影響相當大。

（2）短肢剪力墻的設置：在新規范中，墻與截面高度比為5-8的墻被定義為短肢剪力墻，短肢剪力基于實驗數據和實踐經驗。墻在高層建筑中的應用已經施加了相當大的限制。因此，在高層建筑設計中，結構工程師應盡量少使用或不使用短肢剪力墻，以避免以后設計工作中出現不必要的麻煩。

（3）安裝固定端的問題：因為高層建筑一般有兩個或兩個以上的地下室和人防，嵌入式的一端可能放在地下室的屋頂上，也可能放在民用的位置因此，在這個問題上，結構設計工程師往往忽略了嵌入式端部安裝需要注意的一系列方面，如：嵌入式端板的設計，限制嵌入端上下層的剛度比，嵌入端上下層的地震水平。一致性，整體計算中嵌入式結構的設置，結構抗震接頭的協調以及嵌入式端部位置的協調，忽略其中任何一個都可能導致大量修改或埋藏安全后期設計工作中的危險。

5? 結束語

結構的規則性問題：新舊規范在這方面的內容出現了較大的變動，新規范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規范采用強制性條文明確規定“建筑不應采用嚴重不規則的設計方案。”因此，結構工程師在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。

參考文獻：

[1] 孔雅莎.建筑結構設計雜談[J].建筑結構，2006（3）.

[2] 熊煜.建筑結構設計中若干問題分析[J].山西建筑，2009（25）.