谈建筑结构设计中的问题

谈建 筑结构 设计中 的问题邓昭 亮 摘要 : 随着 我国经 济的不 断发展 ， 建筑 业作为 我国的 支柱产 业也得到 了快速 发展， 取得了 巨大的 成就。 大家也 越来越 关注建 筑业 ， 也更加 关心建 筑的前 提基础 建筑结 构设计 。建筑 结构设 计对建 筑的质量 ， 建筑 的美观 等方面 都有重 要影响 。 所以 好的建 筑结构 设计是 优秀建筑 的基础 ， 同时 也会为 企业带 来很多 利益 。 随着 我国城 市化进 程的加快 ， 城市 中钢筋 混凝土 结构的 高层建 筑愈来 愈多 ， 由于 建筑形 式的多样 化 ， 建筑 设计理 念的不 断创新 ， 各种 不同使 用功能 的多元 化等诸多因 素 ， 使得 高层建 筑形体 日趋复 杂 ， 形态 各异 ， 给结 构设计 增加了一定 的难度 ， 往往 会遇到 一些规 范或规 程未论 及的问 题 ， 这时 概念设计就 显得尤 其重要 。 高层 结构计 算机程 序正进 入商品 化阶段 ， 每个 程序都 有一些 限制条 件和假 定 ， 在使 用程序 时有些 应注意 的问题 往往被忽视 ， 而有 关规范 和规程 的规定 也不尽 完善 。 相对 于多层 建筑 ， 高层建筑 的受力 特点 ： 一是 柱子 、 墙体 的轴向 变形及 截面剪 切变形 对结构内力 变形的 影响 ； 二是 因风力 或地震 的水平 荷载作 用所产 生的内 力和位移 变形常 为结构 设计的 控制因 素，抗 侧力结 构的设 计成为 关键 。 本文针 对高层 结构的 受力特 点，提 出在设 计中应 该注意 的问题 。关键 词：建 筑结构 设计1 结构 的平面 形状及 立面型 式高层 建筑结 构要抵 抗竖向 和水平 荷载作 用 ， 高层 建筑结 构中的 抗侧力成为 结构设 计的主 要问题 ，因此 ，平面 形状宜 简单、 规则、 对称 ， 避免过 多的外 凸 、 内凹 。 在抗 震结构 中 ， 结构 体型 、 布置 、 构造 措施的好坏 比计算 是否精 确更直 接影响 结构的 安全。 平面和 体型的 选择必 须在综 合考虑 使用要 求、建 筑美观 、结构 合理及 便于施 工等各种因 素后确 定。在 高层建 筑结构 设计中 ，保证 结构安 全和经 济合理等要 求比一 般多层 结构整 体性也 不同， 若上部 结构通 过合理 结构设计能 保证结 构具有 足够的 刚度， 以使结 构在地 震作用 下和风 振作用下都 不会有 过大的 动力反 应，高 宽比控 制也可 以大些 。比高 层建筑更细 柔的高 耸结构 设计时 并不采 用 I - I B 来控 制 ， 而是 通过计 算确定附加 弯矩等 不利因 素从而 采用相 应的措 施，安 全性同 样能得 到保证。 因此， 可以通 过合理 的基础 和上部 结构设 计来考 虑结构 整体性和抗 倾覆性 的要求 ，适当 突破高 宽比的 限值。2 侧向 位移的 限值高层 建筑结 构的水 平位移 随着高 度的增 长而迅 速变大 ，为防 止位移 过大， 规范对 顶点位 移和层 间位移 都作了 一定的 限制。 控制顶点位 移 u H 的主 要目的 是保证 居住、 工作的 人有舒 适感和 防止房屋在 罕遇地 震时倒 塌，但 人的舒 适感主 要与结 构的自 振周期 和顶点的加 速度有 关，而 与顶点 位移并 没有十 分直接 的关系 ，所以 用控制u H 来保 证人的 舒适度 根据并 不充分 。另外 u H 较大 的结构 只是可能会 倒塌， 而结构 遭遇到 强烈地 震时能 保证不 倒塌的 关键， 是结构构件 、结构 体系应 具有足 够的变 形能力 和耗能 能力， 如采用 一些减振 、 隔振 装置 ， 关键 部位用 钢骨混 凝土等 。 使结 构具有 足够的 延性是抗震 设计的 关键， 控制房 屋在罕 遇地震 时倒塌 与否的 条件是 结构极限变 形能力 而不是 u H 限值 。另外 ，为使 结构具 有较好 的防倒 塌能力， 应在结 构计算 中考虑 P 一 效应 ，对于 今天计 算机技 术迅速 发展的情 况 ， 这已 不是一 件难事 。 控制 层间位 移 u h 的主 要目的 是防止填充 墙、装 饰物等 非结构 构件的 开裂和 损坏， 但目前 的限值 中没有明确 u 的定 义，上 下两层 的水平 位移差 与层转 角的含 义又不 同，下层 转动引 起的上 层刚性 位移对 构件内 力并不 产生影 响，弯 曲产生的变 形和剪 切建筑 更为突 出，因 此宜尽 量采用 简单规 则的平 面，立面型 式也应 避免过 多外挑 内收。 目前有 一些高 层建筑 的平面 形状过于复 杂 ， 凹角 很多 ， 对抗 震是不 利的 ， 特别 是一些 工程采 用了收 腰的平面 ， 在平 面的狭 窄部位 ， 地震 时容易 破坏 ， 所以 在方案 选择阶 段宜尽量 调整， 加大宽 度、加 厚楼板 。再如 近年建 成的某 大学图 书馆等 ， 这类 悬挂结 构只有 中央电 梯井落 地 ， 楼面 全部悬 挑 ， 从整 体上来看是 竖向悬 臂结构 ，缺少 第二道 防线， 所以在 抗震设 计时宜 慎重采用。 为了建 筑外形 的标新 立异而 以结构 抗震和 安全隐 患为代 价是得不偿 失的 。 大量 震害的 经验教 训表明 ， 建筑 物平面 布置不 对称 、 刚度不均 匀、高 低错层 连接、 屋顶局 部凸出 或沿高 度方向 刚度突 变等都容易 造成震 害。要 使结构 的刚度 中心和 质量中 心尽量 重合， 以减小扭转 。建筑 平面愈 复杂， 在凹凸 拐角等 处愈易 造成应 力集中 而遭到破坏 。 在完 全对称 的平面 中 ， 也应 注意凸 出部分 的尺寸 比例 。 如果 凸出部 分较长 ，要在 结构设 计中采 取相应 的措施 。结构 的竖向 布置要做到 刚度均 匀而连 续 ， 避免 刚度突 变 ， 避免 软弱层 。 刚度 突变及 软弱层常 常是由 于切断 剪力墙 所致。 如果有 少数剪 力墙切 断，则 其他剪力墙 在该切 断层应 予以加 强。3 结构 刚度高 层建筑 的抗侧 刚度对 结构的 抗震性 能有很 大影响 ， 应设计得 刚些还 是柔些 ， 不同 的设计 有不同 的做法 ， 因此 各结构 物的经 济指标 相差较 大。产 生的变 形对构 件内力 的影响 也是不 一样的 。因此 ，虽然 u h 有限 值要求 ，但不 同的算 法所得 的数值 有时会 相差几 倍 ，所以 u l 实际 上失去 了指导 意义。 另外， 衡量填 充墙、 装饰物 等非结 构构件 的开裂 的损坏 与否， 用 A u h 来控 制也不 是最妥 当，如 非结构 构件与 主体结 构之间 是刚性 连接 ， 则应 主要看 其主拉 应力是 否超出材 料的开 裂强度 和破坏 强度 ； 若非 结构构 件与主 体结构 是柔性 连接且连 接材料 具有较 好的变 形能力 ，则 u h 超出 限值也 并不会 破坏 。4 高宽 比限值钢 筋混凝 土高层 建筑设 计与施 工规程 ) ( J G J 3 9 1 ) 中对 高层建筑的 结构高 宽比 H B 进行 限值的 目的是 为了保 证结构 整体的 稳定性和 不倾覆 。 一般 而言 ， 随着 建筑物 高度的 增加 ， 倾覆 力矩也 将迅速增大 ，高宽 比大的 结构其 安全性 和经济 性较差 ，所以 高宽比 限值原则上 是需要 的。但 目前高 宽比限 值中考 虑的因 素过于 简单。 首先 结构的 抗倾覆 性与基 础埋深 、基础 宽度及 基础形 式等有 很大的 关系。基础 埋得越 深 、 基础 宽度越 大 ， 结构 抗倾覆 能力就 越好 ， 高宽 比控制就可 以稍大 一些； 有桩基 础的结 构，其 抗倾覆 能力比 天然地 基的抗倾覆 能力好 ， 所以 高宽比 控制也 可以大 些 。 其次 ， 上部 结构的 刚度分布不 同，且 所有钢 筋在同 一截面 截断锚 固也有 违规范 要求。 如果钢筋不 断，则 混凝土 伸缩时 会引起 钢筋产 生预应 力，如 此力与 正常受力方 向一致 ，则降 低了承 载力。 因此， 不能一 概用后 浇带代 替结构缝， 应对后 绕带的 作用客 观分析 ，对其 带来的 不利因 素应充 分考虑 ，必要 时应采 取其它 措施加 以弥补 。5 水平 加强层在框 架一简 体结构 中利用 水平加 强层可 以有效 地减小 结构侧 移 ， 增强侧向 刚度， 这已被 广大设 计人员 所了解 。以往 加强层 多为钢 桁架 ， 其本身 刚度有 限 ， 所能 增加的 侧向刚 度也有 限 ， 一般 作为结 构安全 储备而设 。 加强 层由于 利用水 平构件 达到增 强侧向 刚度的 目的 ， 比较 经济 。加强 层构件 如果设 计得较 柔 ( 如采 用钢构 件 ) ，由 于其刚 度比内 筒 ( 一般为 钢筋混 凝土 ) 的刚 度小许 多，往 往起不 到很大 作用。 如果加 强层刚度 较大 ， 对减 小侧移 是有较 大的效 果 ， 但同 时也会 使内力 有较大 突变， 特别是 外柱的 剪力增 加较大 ，抗震 不利， 在设计 中应慎 重处理 。按抗 震概念 设计要 求 ， 刚度 有较大 突变的 结构部 位会引 起较大 的应力集中 ， 设计 不周会 产生薄 弱楼层 的先行 破坏 ， 所以 应特别 注意 ， 不应主要 靠加强 层来达 到限制 侧移的 目的， 且应同 时增强 竖向构 件的刚度， 使加强 层上下 若干层 的刚度 和缓变 化，避 免刚度 突变。 另外 ， 刚性层 本身的 刚度选 择也非 常重要 ， 应在 发挥刚 性层作 用的前 提下尽 量减小 刚性层 的刚度 ，如在 刚性梁 中开些 大孔洞 ( 应同 时注意 构造处理 ) ，使 外柱剪 力增加 保持在 可接受 的范围 内。 钢筋混 凝土高 层建筑设 计与施 工规程 ) ( J G J 3 3 9 1 ) 中有 许多方 面都涉 及到概 念设计 的问题 ， 如结 构布置 、 选型 及节点 构造等 ， 这些 应在设 计中给 予高度 重视。6 结论建筑 结构设 计是建 筑的前 提基础 ，是建 筑