淺談建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化問題

徐平

【摘要】城市現(xiàn)代化建設(shè)使得我國高層建筑不斷出現(xiàn)，并且由于人們的要求其建筑施工的需要使得建筑技術(shù)的難度也隨之增加。這就必須要對建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，使其發(fā)揮出更大的作用?；诖耍疚膶ㄖこ探Y(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化問題進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】建筑工程；結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化

隨著高層建筑高度的增加，高層建筑的側(cè)向位移迅速增大，因此設(shè)計高層建筑時不經(jīng)要求結(jié)構(gòu)有足夠的強度， 而且要求結(jié)構(gòu)有適宜的剛度，使結(jié)構(gòu)有合理的自振頻率等動力特性，并使水平力作用下的層位移控制在一定范圍之內(nèi)。同時，為了避免高層建筑在大震下倒塌，必須在滿足必要強度的前提下，通過優(yōu)良的概念設(shè)計和合理的構(gòu)造措施，來提高整個結(jié)構(gòu)、特別是薄弱層的變形能力，來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)綜合考慮這些因素，合理設(shè)計，使結(jié)構(gòu)具有足夠的強度、適宜的剛度、良好的延性。

1 建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)分析

在建筑結(jié)構(gòu)工程中，對其需要采取內(nèi)力、位移等各方面的計算，在計算時需要從不同的程度進(jìn)行相關(guān)方的計算，并完善計算方式以取得理想的數(shù)據(jù)。當(dāng)前，對于結(jié)構(gòu)整體分析可進(jìn)行以下假定：

1.1 結(jié)構(gòu)材料分析

線彈性對建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移假定時，一般想象成結(jié)構(gòu)與構(gòu)件處在彈性工作形勢下，根據(jù)彈性理論進(jìn)行研究，但框架梁及連梁等構(gòu)件需要對局部塑性變形引起的內(nèi)力重分布進(jìn)行研究。對計算地震環(huán)境下的建筑結(jié)構(gòu)的薄弱層變形時選擇彈塑性分析方法。

1.2 剛性樓板分析

在計算高層建筑的內(nèi)力與位移過程中通常假定樓板對自身平面內(nèi)是無限剛性，平面外剛度極小且排除在計算外，當(dāng)假定是剛性樓板時，在設(shè)計過程中就需要運用措施確保樓板平面內(nèi)的整體剛度。

1.3 小變形分析

在所有方法中是經(jīng)常運用的基本假定。但專家們在研究非線性問題（P—Δ 效應(yīng)）后得出了新的結(jié)論，通常在頂點水平位移Δ 與建筑物高度H 的比值Δ/H>1/500 時，就應(yīng)該將P—Δ 效應(yīng)考慮在計算內(nèi)。1.4 計算圖形分析高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計算圖形主要包括了：一維協(xié)同分析、二維協(xié)同分析、三維空間分析。

2 建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計出現(xiàn)的問題及優(yōu)化

2.1 基礎(chǔ)拉梁設(shè)計的優(yōu)化

多層框架房屋基礎(chǔ)埋深值大時，為了減速小底層柱的計算長度和底層的位移，可在±0.000 以下適當(dāng)位置設(shè)置基礎(chǔ)拉梁，但不宜按構(gòu)造要求設(shè)置，宜按框架梁進(jìn)行設(shè)計，并按規(guī)范規(guī)定設(shè)置箍筋加密區(qū)。但就抗震而言，應(yīng)采用短柱基礎(chǔ)方案。一般說來，當(dāng)獨立基礎(chǔ)埋置不深，由于地基不良或柱子荷載差別較大，根據(jù)抗震要求，可沿兩個主軸方向設(shè)置構(gòu)造基礎(chǔ)拉梁。基礎(chǔ)拉梁截面寬度可取柱中心距的1/20～1/30，高度可取柱中心距的1/10～1/15。構(gòu)造基礎(chǔ)拉梁的截面可取上述限值范圍的下限，縱向受力鋼筋可取所連接柱子的最大軸力設(shè)計值的10%作為拉力或壓力來計算，當(dāng)為構(gòu)造配筋，要滿足最小配筋率。

2.2 框架梁、柱箍筋間距的優(yōu)化

對不同抗震等級的框架梁，柱箍筋加密區(qū)的最小箍筋直徑和最大箍筋間距做了明確的規(guī)定。根據(jù)這些規(guī)定，工程習(xí)慣上常取梁、柱箍筋加密區(qū)最大間距為100mm，非加密區(qū)箍筋最大間距為200mm。電算程序總信息中通常也內(nèi)定梁、柱箍筋加密區(qū)間距為100mm，并以此為依據(jù)計算出加密區(qū)箍筋面積，由設(shè)計人員要據(jù)規(guī)范確定箍筋直徑和肢數(shù)。但是，在程序內(nèi)定的條件下，當(dāng)框架梁的跨中部位有次梁或有較大的其他集中荷載作用卻僅配兩肢箍筋，此時可適當(dāng)增加箍筋直徑或加密箍筋間距。對于框架柱，當(dāng)框架內(nèi)定柱加密區(qū)箍筋間距為100mm 時，在某些情況下，亦可能因非加密區(qū)箍筋間距采用200mm 引起配箍不足。因此，我們也應(yīng)適當(dāng)增加箍筋直徑或加密箍筋間距。這里需要指出的是，梁、柱箍筋非加密區(qū)配箍驗算時可不考慮強剪弱彎的要求，即剪力設(shè)計值取加密區(qū)終點處外側(cè)的組合剪力設(shè)計值，并且不乘以剪力增大系數(shù)。

2.3 獨立基礎(chǔ)設(shè)計荷載取值的優(yōu)化

鋼筋混凝土多層框架房屋多采用柱下獨立基礎(chǔ)，當(dāng)?shù)鼗饕芰臃秶鷥?nèi)不存在軟弱粘性土層時，不超過8 層且高度在25m 以下的一般民用框架房屋或荷載相當(dāng)?shù)亩鄬涌蚣軓S房，可不必進(jìn)行地基和基礎(chǔ)的抗震承載力驗算。但這些房屋在基礎(chǔ)設(shè)計時應(yīng)考慮風(fēng)荷載的影響。因此，在鋼筋混凝土多層框架房屋的整體計算分析中，必須輸入風(fēng)荷載，不能因為在地震區(qū)高層建筑以外的一般建筑風(fēng)荷載不起控制作用就不輸入；另一種情況是，在設(shè)計獨立基礎(chǔ)時，作用在基礎(chǔ)頂面上的外荷載柱腳內(nèi)力設(shè)計值，只取軸力設(shè)計值和彎矩設(shè)計值，無剪力設(shè)計值，或者甚至只取軸力設(shè)計值。

2.4 地下室層數(shù)輸入的優(yōu)化

多層框架結(jié)構(gòu)房屋也有設(shè)置地下室的。由于隔墻少，常采用筏板式基礎(chǔ)。在電算時，應(yīng)將地下室層數(shù)和上部結(jié)構(gòu)一起輸入，并在總信息中按實際的地下室層數(shù)填寫。這樣，計算地基和基礎(chǔ)底板的豎向荷載可以一次形成，并且在抗震計算時，程序會自動對框架底層柱底截面的彎矩設(shè)計值乘以增大系數(shù)。同時通過對層間側(cè)移剛度比的分析比較，還可以正確判斷和調(diào)整房屋的嵌固位置，并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，保證樓板有必要的厚度和最小配筋率等。當(dāng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為豎向不規(guī)則時，不僅要驗算薄弱層，而且還要對薄弱層的地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)。如果在結(jié)構(gòu)總體計算中，總信息填寫的地下室層數(shù)少于實際輸入的層數(shù)，彎矩設(shè)計值增大系數(shù)將會乘錯位置，從而在發(fā)生地震時，會使極易發(fā)生震害的底層柱底部位因抗震能力降低而破壞。

2.5 框架計算簡圖的優(yōu)化

無地下室的鋼筋混凝土多層框架房屋，獨立基礎(chǔ)埋置較深，在-0.30m左右設(shè)有基礎(chǔ)拉梁時，應(yīng)將基礎(chǔ)拉梁按層1 輸入。例如：某項目為3 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，丙類建筑，建筑場地為Ⅱ類；層高3.2m，基礎(chǔ)埋深1.0m 基礎(chǔ)高度0.7m，室內(nèi)外高差0.30m。在7 度地震區(qū)該工程框架結(jié)構(gòu)的抗震等級為三級。設(shè)計者按3 層框架房屋計算，首層層高取3.5m，即假定框架房屋嵌固在-0.30m 處的基礎(chǔ)拉梁頂面；基礎(chǔ)拉梁的截面和配筋按構(gòu)造設(shè)計；基礎(chǔ)按中心受壓計算。顯然，選取這樣的計算簡圖是不妥當(dāng)?shù)?。?dāng)設(shè)拉梁層時，一般情況下，要比較底層柱的配筋是由基礎(chǔ)頂面處的截面控制還是由基礎(chǔ)拉梁頂面處的截面控制。考慮到地基土的約束作用，對這樣的計算簡圖，在電算過程中，應(yīng)將基礎(chǔ)拉梁按層1輸入，基礎(chǔ)拉梁輸入墻荷，配筋按電算結(jié)果設(shè)計。

2.6 基礎(chǔ)拉梁層的計算模型的優(yōu)化

基礎(chǔ)拉梁層無樓板，用TAT 或SATWE 等電算程序進(jìn)行框架整體計算時，樓板厚度應(yīng)取零，并定義彈性節(jié)點，用總剛分析方法進(jìn)行分析計算。有時雖然樓板厚度取零，也定義彈性節(jié)點，但未采用總剛分析，程序分析時自動按剛性樓面假定進(jìn)行計算，與實際情況不符。房屋平面不規(guī)則，要特別注意這一點。

2.7 結(jié)構(gòu)計算中幾個重要參數(shù)的優(yōu)化

所有的計算機計算結(jié)果，應(yīng)經(jīng)分析判斷確認(rèn)其合理、有效后方可用于工程設(shè)計。通常情況下，計算機的計算結(jié)果主要是結(jié)構(gòu)的自振周期、樓層地震剪力系數(shù)、樓層彈性層間位移（包括最大位移與平均位移比）和彈塑性變形驗算時樓層的彈塑性層間位移、樓層的側(cè)向剛度比、墻和柱的軸壓比、柱底內(nèi)力設(shè)計值、地震傾覆力矩與總地震傾覆力矩的比值及超筋超限信息等等。為了分析判斷計算機計算結(jié)果是否合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時，除了有合理的結(jié)構(gòu)方案、正確的結(jié)構(gòu)計算簡圖外，正確填寫抗震設(shè)防烈度和場地類別，合理選取電算程序總信息中的其他各項參數(shù)也是非常重要的，這些參數(shù)要按照電算程序軟件的有關(guān)規(guī)定設(shè)置，使結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理。

結(jié)語

總之，隨著高層建筑進(jìn)一步的發(fā)展，滿足高層建筑的形式、材料、力學(xué)分析模型都將日趨復(fù)雜且多元化。通過對建筑工程的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計處理，可以更好的實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體優(yōu)化，從而達(dá)到經(jīng)濟、科學(xué)及合理的設(shè)計要求。