建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之淺析

宋雋

摘要：近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，建筑業(yè)的發(fā)展發(fā)生著日新月異的變化。各式各樣的建筑矗立在市中心，形成一座座靚麗的風(fēng)景線。建筑有更好地發(fā)展，大都取決于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的獨(dú)特性，本文就建藐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做出來一系列闡述。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)布置；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和建筑功能的多樣化，城市人口的不斷增多及建設(shè)用地日趨緊張和城市規(guī)劃的需要，促使高層建筑得以快速發(fā)展。另一方面由于輕質(zhì)高強(qiáng)材料的開發(fā)及新的設(shè)計(jì)計(jì)算理論的發(fā)展，抗風(fēng)和抗震理論的不斷完善，加之新的施工技術(shù)和設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，特別是計(jì)算機(jī)的普及和應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)分析手段的不斷提高，為迅速發(fā)展高層建筑提供了必要的技術(shù)條件。

1高層建筑結(jié)構(gòu)的布置原則

1.1結(jié)構(gòu)平面布置

對(duì)于一個(gè)建筑物的最初的方案設(shè)計(jì)，建筑師考慮更多的是它的空間組成特點(diǎn)，而不是詳細(xì)地確定它的具體結(jié)構(gòu)。

建筑物底面對(duì)建筑物空間的豎向穩(wěn)定和水平方向的穩(wěn)定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構(gòu)件所組成，因此結(jié)構(gòu)必須能將它本身的重量傳至地面，結(jié)構(gòu)的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關(guān)系，所以，在建筑設(shè)計(jì)的方案階段，就必須對(duì)主要的承重柱和承重墻的數(shù)量和分布作出總體設(shè)想。

平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱盡量使中心重合。偏心大的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)大，會(huì)加大端部構(gòu)件的位移，導(dǎo)致應(yīng)力集中。高層建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置，當(dāng)由于使用功能與建筑的要求，結(jié)構(gòu)平面布置嚴(yán)重不規(guī)則時(shí)，應(yīng)將其分割成若干比較簡(jiǎn)單、規(guī)則的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元。對(duì)于地震區(qū)的抗震建筑來說簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱的原則尤為重要。

1.2結(jié)構(gòu)立體布置

結(jié)構(gòu)豎向布置最基本的原則是規(guī)則、均勻。結(jié)構(gòu)宜設(shè)計(jì)成剛度下大上小，自下而上逐漸減小。下層剛度小將使變形集中在下部，形成薄弱層，嚴(yán)重的會(huì)引起建筑的全面倒塌。上部樓層收進(jìn)使得體型較小的情況經(jīng)常發(fā)生，但是對(duì)于收進(jìn)的尺寸應(yīng)當(dāng)限制。收進(jìn)的部位越高，收進(jìn)后的平面尺寸越小，高振型的影響明顯加大。如果上部樓層外挑，造成“頭重腳輕”的狀況，將使扭轉(zhuǎn)反映明顯加大，豎向地震影響也明顯變大。

2高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中地基更是極其重要的一部分，在高層項(xiàng)目的整個(gè)工程造價(jià)中，地基占很大一部分，因此，結(jié)構(gòu)工程師對(duì)地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)都特別重視，所以在高層建筑的地基設(shè)計(jì)當(dāng)中，結(jié)構(gòu)工程師要首先對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件有詳細(xì)的了解。我國幅員廣闊，各地的地質(zhì)情況都有所差異，所以在設(shè)計(jì)之前要對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況有個(gè)深入的學(xué)習(xí)過程，從而保證設(shè)計(jì)及施工的順利進(jìn)行，避免對(duì)整個(gè)工程的設(shè)計(jì)造成嚴(yán)重的影響。高層建筑設(shè)計(jì)不同于多層建筑，首先要對(duì)施工場(chǎng)地的地質(zhì)情況及地下水水位進(jìn)行了勘探，從而得出相關(guān)的數(shù)據(jù)，同時(shí)還要對(duì)高層上部結(jié)構(gòu)的類型及使用功能、施工條件等進(jìn)行綜合的考慮，另外還要考慮到施工時(shí)對(duì)周圍的建筑安全性的影響，這樣可以有效的保證建筑物建成后避免發(fā)生沉降或傾斜的可能。同時(shí)為了保證施工中的安全及施工的順利進(jìn)行，還要對(duì)周邊構(gòu)筑物及地下的設(shè)施的位置及標(biāo)高進(jìn)行了解，從而保證設(shè)計(jì)的科學(xué)性，保證施工正常進(jìn)行。

2.2高層建筑結(jié)構(gòu)平面及立面形式的選擇

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了避免扭轉(zhuǎn)問題的發(fā)生，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要做到建筑的幾何中心、剛度中心、結(jié)構(gòu)重心盡可能匯于一點(diǎn)，這樣可以有效的減少結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)的可能。如若在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沒有做到三心合一，由此就會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)問題。扭轉(zhuǎn)問題就是結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下發(fā)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)在風(fēng)載等荷載情況下會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和平面布局，從而達(dá)到建筑物的三心合一，因此在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)平面和立面形式進(jìn)行選擇是十分關(guān)鍵的。作為高層建筑，更適宜簡(jiǎn)單、規(guī)則的對(duì)稱形態(tài)，而過于復(fù)雜的平面形式則不適宜。同時(shí)如果平面布置不對(duì)稱，有過多的外凸、內(nèi)凹等復(fù)雜形式都容易造成震害，因此在高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，為了保證結(jié)構(gòu)的安全性，要確保結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)體系的選擇、布置、構(gòu)造措施比軟件的計(jì)算結(jié)果都要精確，這樣結(jié)構(gòu)可以具有良好的抗震性和安全性。

2.3提高結(jié)構(gòu)重要部位的延性

在結(jié)構(gòu)豎向布置，對(duì)于剛度沿高度均勻分布的、體形較簡(jiǎn)單的高層建筑，應(yīng)著重提高底層構(gòu)件的延性；對(duì)于大底盤高層建筑，應(yīng)著重提高主樓與裙房頂面銜接的樓層中構(gòu)件的延性；對(duì)于立面不規(guī)則的高層建筑，應(yīng)著重加強(qiáng)體形突變處樓層構(gòu)件的延性。在結(jié)構(gòu)平面位置上，應(yīng)該著重提高房屋周邊轉(zhuǎn)角處、平面突變處以及復(fù)雜平面各翼相接處構(gòu)件的延性。

2.4注重抗震設(shè)計(jì)

在需要抗震設(shè)防的高層建筑中，盡可能不采用純框架體系，可以采用框架一剪力墻、剪力墻或簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)體系，要根據(jù)我國的具體條件進(jìn)一步總結(jié)對(duì)高層建筑的剛度要求，以便能夠更經(jīng)濟(jì)合理地布置剪力墻及筒體等抗側(cè)力構(gòu)件。

2.5高層的連梁設(shè)計(jì)

在內(nèi)力和位移計(jì)算時(shí)，其構(gòu)件可采用弾性剛度，在框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁剛度可予以折減。因此，處理連梁超筋或截面控制超過剪壓比的首要方法是選好剛度折減系數(shù)。當(dāng)連粱剛度折減后，部分樓層的連梁仍然不滿足要求時(shí)，可采用內(nèi)調(diào)幅，調(diào)幅不宜超過20%。

2.6剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)因其即能承擔(dān)垂直荷載又能抵抗水平力作用，因此在高層建筑中得以廣泛使用，即將房屋的內(nèi)、外墻都做成實(shí)體的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其面積較大，同時(shí)又有樓蓋的支撐，所以其自身有較大的側(cè)向剛度，剪力墻作為一種剛性結(jié)構(gòu)，即使有水平荷載作用下，也不會(huì)發(fā)生較大的側(cè)移量，所以對(duì)于15～35層的高層建筑非常適宜。但剪力墻也有自身的弱點(diǎn)，由于其是剛性結(jié)構(gòu)，自身的剛度較大，因此一旦發(fā)生地震，地震力也會(huì)完全作用于剪力墻上，如果在施工中處理不好，在地震中會(huì)造成較大的破壞。同時(shí)對(duì)于公共建筑所需要的較大空間，剪力墻則無法完成，因?yàn)榧袅υ诓贾脮r(shí)對(duì)間距有較大的要求，間距不能過大，同時(shí)平面布置也不靈活。

3現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1運(yùn)用整體的計(jì)算力追求平面、立面的完美

以往我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多用純矩型板式民用建筑，它的平面形式多為一梯六戶，而且有四個(gè)單元的房間只可以間接采光，廚房區(qū)域沒有陽臺(tái)。這樣傳統(tǒng)而且普通的民用建筑戶型，房間的光線很暗，而且還沒有陽臺(tái)，使用起來有很大的不便。板式樓的建筑結(jié)構(gòu)，沒有什么特殊的特點(diǎn)，但是它的整體計(jì)算力比較好，而且沒有超限。新型的板式樓，最主要的是它融合了點(diǎn)式樓平面的特點(diǎn)。有著點(diǎn)式樓的凹凸進(jìn)退，也有著板式樓的南向采光。在整體的平面布局上，雖然屬于一梯六戶，但是能采光而無陽臺(tái)的只有兩戶。由于和單一的矩形平面相比，有著多變的立面，而且在平面上有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但它主要的不同點(diǎn)是它的結(jié)構(gòu)整體計(jì)算周期相比平面結(jié)構(gòu)計(jì)算周期大。另外，新型板式樓的兩側(cè)會(huì)有一部分超限的連梁截面強(qiáng)度，沒有比較大的抗剪強(qiáng)度，剪壓比超出了原本的范圍。

3.2異形柱框架結(jié)構(gòu)

3.2.1異形柱框架結(jié)構(gòu)的主要形式

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，主要是要求框架結(jié)構(gòu)的柱用矩形柱，也有其他的截面形式，所以采取的柱形也不一樣。矩形柱比三角形、圓形有著良好的受力性能，完善的計(jì)算理論、明確的傳力途徑，并因?yàn)殚L(zhǎng)期的工程實(shí)踐，也總結(jié)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。所以，矩形柱的計(jì)算理論和模型比較符合實(shí)際的情況。但如果將矩形柱運(yùn)用在民用的建筑上面，會(huì)因?yàn)樵黾拥慕ㄖ叨?，使得柱截面也在不斷的增大，造成了房屋?nèi)部的布置有諸多的不便。一個(gè)八層的框架建筑，矩形柱約為450mmX450mm，有200mm的內(nèi)墻，如果在每一戶內(nèi)，使用柱可能會(huì)占據(jù)使用面積的0.5%，甚至由于后期的裝修，容易造成面積的大量浪費(fèi)。但如今的異形柱框架結(jié)構(gòu)可以處理這些問題。異形柱結(jié)構(gòu)框架是具體根據(jù)墻體的情況，柱截面做成“L”、“T”、“z”字形等。轉(zhuǎn)角墻部位多用“L”字形，縱橫墻的交接處多用“T”字形，柱肢的寬度最好保持和墻體相同的厚度，讓墻體表面和柱表面平齊。

3.2.2計(jì)算異形柱框架的結(jié)構(gòu)

異形截面柱的抗震性能以及受力特點(diǎn)和經(jīng)常使用的矩形截面柱有很大的不同。如今，對(duì)于這方面的試驗(yàn)研究和理論分析還比較少，結(jié)構(gòu)專業(yè)的軟件還不能直接計(jì)算異形柱的總體框架。由于現(xiàn)在還處于過渡的階段，因此需要兩種辦法來計(jì)算。一種是近似等效截面法，利用截面等慣性矩原則把異形柱等效成矩形柱，再利用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算，得出柱的內(nèi)力，并將矩形柱的內(nèi)力給予相應(yīng)位置的異形柱，得出異形柱的配筋?！癟”字形柱，要根據(jù)混凝土的有關(guān)規(guī)范來對(duì)“T”字形截面來計(jì)算柱配筋?！癓”字形柱，要根據(jù)等寬翼緣來對(duì)應(yīng)“T”字形截面柱，通過計(jì)算，來附加一個(gè)扭矩來完成抗扭復(fù)核。在內(nèi)力計(jì)算的時(shí)候輸入的截面積屬于等效面積，所以要驗(yàn)算異形柱的軸壓比，要按照其真實(shí)面積。這種方式省時(shí)省工，但是有較低的計(jì)算精度，所以要定性分析計(jì)算結(jié)構(gòu)，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。另一種辦法是有限元法，就是將如今現(xiàn)有的通用有限元計(jì)算程序，按桿單元模型，并將異形柱的慣性矩和實(shí)際截面面積等輸入程序，算出各柱單元的內(nèi)力，并按照規(guī)范來計(jì)算配筋。這種方法有著簡(jiǎn)明可靠的計(jì)算模型，而且有著精準(zhǔn)的計(jì)算精度。但缺點(diǎn)是需要很多的時(shí)間來準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)計(jì)人員要有一定的專業(yè)知識(shí)和有限元知識(shí)。

4結(jié)語

一個(gè)好的公司得益于一個(gè)好的領(lǐng)導(dǎo)的管理，一個(gè)好的建筑項(xiàng)目取決于一個(gè)好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于建筑項(xiàng)目而言，最主要的是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的好與壞。建筑與人們的生產(chǎn)、生活有著十分密切的聯(lián)系，建筑項(xiàng)目的質(zhì)量問題也是目前人們最關(guān)心與關(guān)注的事情。而建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的好壞和設(shè)計(jì)有密切的聯(lián)系。因此，在當(dāng)今新形勢(shì)下，需時(shí)刻把建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)放在首位，不斷的加以創(chuàng)新，只有這樣才能是其與國際接軌。