關(guān)于建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的分析

羅潔

【摘 要】結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項號業(yè)性極強(qiáng)而又責(zé)仟極大的工作。安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀、便于施工是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則。但在實際的設(shè)計工作中，常常因為各種原岡，對規(guī)范理解或是方法運(yùn)用上出現(xiàn)差錯。作為結(jié)構(gòu)設(shè)訓(xùn)計人員，應(yīng)加強(qiáng)對規(guī)范和理論的學(xué)習(xí)和了解，充分掌握規(guī)范內(nèi)容，加強(qiáng)對錯誤的辨別能力，使結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理和優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計；方案優(yōu)化；常見問題分析

Analysis on Structural Design Optimization of Construction Engineering

Luo Jie

（Shenzhen City International Building Design Co.， Ltd. Xi'an Branch Xi'an Shaanxi 710000）

【Abstract】Structural design is a very strong job and a great job. Safe， economical， applicable， beautiful， easy construction is the principle of structural design. But in the actual design work， often because of the various kinds of original， the normative understanding or the use of methods on the error. As a structure， it is necessary to strengthen the study and understanding of norms and theories， to fully grasp the contents of the norm， to strengthen the ability to distinguish the wrong， so that the structural design is more reasonable and optimized.

【Key words】Building structure；Structural design；Program optimization；Common problem analysis

1. 建筑專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)的協(xié)調(diào)

（1）建筑設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計是兩個最重要的環(huán)節(jié)。建筑專業(yè)是龍頭專業(yè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計一股在其后進(jìn)行。二者存在互相協(xié)調(diào)、互相制約的關(guān)系。隨著設(shè)計理念的不斷進(jìn)步，越來越多大型、新型的建筑物出現(xiàn)在人們的眼前。這對工程師提出了更高的要求，不僅要求做出一項好的結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且有必要在方案設(shè)計階段介入，及時發(fā)現(xiàn)問題，提出合理的建議。在建筑設(shè)計中，少數(shù)建筑師總要求結(jié)構(gòu)必須絕對服從建筑，片面追求新、奇、特。往住忽視基本的力學(xué)規(guī)律，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系不穩(wěn)定、不安全。所以在建筑方案設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)及時介入，運(yùn)用自身的專業(yè)技術(shù)水平與建筑師溝通、配合，相互協(xié)調(diào)，才能避免做出不合理的設(shè)計。

（2）建筑方案設(shè)計往往側(cè)重于平面功能、立面造型而忽略概念設(shè)計。如在住宅設(shè)計中，建筑師根據(jù)戶型的布置確定柱網(wǎng)，經(jīng)常造成柱網(wǎng)極不規(guī)則，框架不能拉通，甚至有些工程沒有一榀框架拉通，抗震性能極差。高層建筑豐要以水平荷載為主，要求體型簡單規(guī)則，所以結(jié)構(gòu)體系的選型和布置要最有利于抗震和抗風(fēng)要求，同時結(jié)構(gòu)構(gòu)件還要滿足剛度和強(qiáng)度要求，這樣便于建筑設(shè)計形成一定的約束和限制。如高層建筑中，將樓梯、電梯井置于建筑物端角部，造成質(zhì)心與荷載中心偏離太大，容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，造成結(jié)構(gòu)裂縫和局部破壞，這些都要求結(jié)構(gòu)工程師及時提出合理化建議，優(yōu)化方案。

2. 結(jié)構(gòu)專業(yè)常見問題分析

2.1 概念設(shè)計。

（1）概念設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員運(yùn)用所掌握的知識和經(jīng)驗，從宏觀上決定結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基本問題，它貫穿于整個設(shè)計過程中。在高層建筑中，抗風(fēng)、抗震是設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)體系的選擇直接關(guān)系到平面布置、立面造型，施工工期和工程造價。結(jié)構(gòu)工程師必須概念清楚，定性準(zhǔn)確，能很快地比較和選擇出最佳結(jié)構(gòu)方案，乃至估算出構(gòu)件的初步尺寸，對后續(xù)的設(shè)計工作打下良好的基礎(chǔ)。

（2）對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)做到平面簡單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻，嚴(yán)禁采用嚴(yán)重不規(guī)則的平面布置。避免采用削弱樓面剛度的平面（比如樓層大開洞、外伸翼塊太長、塊體之間成“縮頸”連接。凹槽缺口太深等）；其次要從結(jié)構(gòu)布置和配筋構(gòu)造上給予保證，對于使用功能確實必要的，或者建筑效果十分優(yōu)越的建筑設(shè)計，如果其平面無法完全符合剛性樓板的假定，那么在結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以通過增設(shè)連系梁（板）、洞口邊加設(shè)暗梁邊梁、提高連系梁（板）或暗梁邊梁的配筋量、采用斜向配筋或雙層配筋形式等方法，盡量滿足剛性樓板的基本假設(shè)。對復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以設(shè)置防震縫把它分割成各自規(guī)則的獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)有多道防線，避免采用單跨框架。抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應(yīng)雙向布置以便各自承擔(dān)來自平行于該抗側(cè)力結(jié)構(gòu)平面方向的地震力，且兩個抗側(cè)力構(gòu)件剛度應(yīng)相匹配?？蚣趔w系的各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，要形成空間協(xié)同工作狀態(tài)。除了控制抗震墻之間，樓、屋蓋的長寬比及保證抗震墻體本身的剛度外，還需采取措施，保證樓、屋蓋的整體性及其與抗震墻的可靠連接。

2.2 模型假定。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況確定，所選的結(jié)構(gòu)模型應(yīng)能較準(zhǔn)地反映結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的實際受力情況。結(jié)構(gòu)計算中，計算簡圖選取的正確與否，直接影響到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在設(shè)計中必須認(rèn)真對待每一個步驟，但有時會出現(xiàn)圖省事隨意簡化設(shè)計的情況，計算假定與實際結(jié)構(gòu)不符。其中比較典型的是基礎(chǔ)拉梁的處理。一般情況下，基礎(chǔ)拉梁設(shè)置在基礎(chǔ)高度范圍內(nèi)，作為基礎(chǔ)的一部分，此時結(jié)構(gòu)的底層計算高度應(yīng)取基礎(chǔ)頂面至一層樓板頂面的高度?；A(chǔ)拉梁僅考慮承擔(dān)上部墻體荷載，構(gòu)造滿足普通梁的要求即可。當(dāng)按規(guī)范要求需設(shè)置基礎(chǔ)拉梁時，其斷面和配筋可按構(gòu)造設(shè)計，截面高度取柱中心距的l/12～l/18，縱向受力鋼筋取所連接的柱子的最大軸力設(shè)計值的10%作為拉力來計算。但是，當(dāng)基礎(chǔ)埋深過大時，為了減少底層的計算高度和底層的位移，設(shè)計者往往在±0.000以下的某個適當(dāng)位置設(shè)置基礎(chǔ)拉梁。此時，基礎(chǔ)拉梁應(yīng)作為一層輸入，底層計算高度取基礎(chǔ)頊面至基礎(chǔ)拉梁項面的高度，二層計算高度應(yīng)取基礎(chǔ)拉梁頂面至一層樓板頂面的高度。拉梁層無樓板，應(yīng)開洞處理，并采用總剛分析方法進(jìn)行計算?；A(chǔ)拉梁截面及配筋按實際計算結(jié)果采用。若因此造成底層框架柱形成短柱，應(yīng)采取構(gòu)造措施予以加強(qiáng)。如某辦公樓，五層框架結(jié)構(gòu)，首層層高3.9m，以上各層3.3m，設(shè)計采用獨(dú)立基礎(chǔ)?；A(chǔ)埋深4.0m，在.0.050處設(shè)構(gòu)造拉梁。如果計算時底層柱計算長度按照底層層高取3.9m，認(rèn)為框架柱嵌固在拉梁頂面。按照五層框架進(jìn)行設(shè)計，這是不妥的。因為按照構(gòu)造設(shè)計的拉梁線剛度太小，無法平衡柱腳彎矩，不能作為框架柱的嵌固端。這樣顯然與設(shè)計假定不符，合理做法是將基礎(chǔ)至拉梁范圍設(shè)為一層，按照地下室輸入計算，同時計入底層墻體荷載，拉梁按照框架梁的要求進(jìn)行設(shè)計，基礎(chǔ)至拉梁范圍的短柱應(yīng)加強(qiáng)。endprint

2.3 程序計算中的問題。

目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計均采用結(jié)構(gòu)分析軟件計算。一個工程需輸入大量的計算數(shù)據(jù)，出錯的機(jī)會很多，如果輸入數(shù)據(jù)有問題，不管計算結(jié)果有多正確，配筋多合理部是無用功。所以，設(shè)計人員必須判斷結(jié)果的正誤后，才能將結(jié)果用于工程設(shè)計中。計算參數(shù)的選擇，要根據(jù)工程的具體情況確定。計算結(jié)果應(yīng)從合理性、對稱性、漸變性來判斷。設(shè)計較為合理的結(jié)構(gòu)，一般不應(yīng)有太多超限截面，柱墻基本為構(gòu)造配筋，梁基本不超筋，剪力墻符合截面抗剪要求。對稱結(jié)構(gòu)在對稱荷載作用下，其對稱點(diǎn)的計算結(jié)果應(yīng)相同，如有反常應(yīng)檢查輸入數(shù)據(jù)的正確性。豎向剛度均勻的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力、位移等計算結(jié)果也應(yīng)均勻變化，不應(yīng)有太大變化。

2.4 構(gòu)件設(shè)計中的問題。

高層建筑基礎(chǔ)的整體性、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的可靠連接是結(jié)構(gòu)整體性的重要保證。高層建筑中，樓蓋對于上部結(jié)構(gòu)的整體性起到非常重要的作用。樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)能提供足夠的面內(nèi)剛度和抗力，并與豎向于結(jié)構(gòu)有效連接。樓蓋作為水平隔板，不僅聚集和傳遞地震力到各個豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)，而且能使這些子結(jié)構(gòu)協(xié)同承受地震作用，特別是當(dāng)豎向抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)的布置不均勻，布置復(fù)雜或各抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)水平變形特征不同時，整個結(jié)構(gòu)就要依靠樓蓋來使各抗側(cè)力子結(jié)構(gòu)協(xié)同工作。在設(shè)計中不能認(rèn)為，在多遇地震作用計算中考慮了樓蓋平面內(nèi)彈性變形影響后，就可以削弱樓蓋體系。對空曠結(jié)構(gòu)、平面狹長或平面不規(guī)則結(jié)構(gòu)，樓蓋開大洞口結(jié)構(gòu)更應(yīng)該特別注意。

2.4.1 基礎(chǔ)設(shè)計：應(yīng)充分考慮場地地質(zhì)情況，上部結(jié)構(gòu)類型、施工條件和相鄰建筑物的關(guān)系，不是僅憑地基承載力來確定。另外，變形控制必須引起重視，地基變形的差異（不均勻沉降）對結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要，它是導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)開裂的重要原因。對于體型復(fù)雜，荷載差異大的高層建筑主樓與裙房不設(shè)縫時，應(yīng)通過沉降計算，采用不同的基礎(chǔ)型式和構(gòu)造措施來調(diào)節(jié)沉降差使其滿足要求。

2.4.2 框架設(shè)計：“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固”的設(shè)計原則應(yīng)貫穿整個框架設(shè)計的始終?？蚣苤孛娓叨炔荒茉O(shè)計過小，特別是大跨度結(jié)構(gòu)，框架柱線剛度須大于梁線剛度的1.1倍。對于高層建筑，框架柱最小截面不小于350×400mm，且必須滿足水平錨固的要求?？蚣苤浣钤谡麄€主體結(jié)構(gòu)中所占的比重相對較小，而又是特別重要的構(gòu)件，配筋宜在電算結(jié)果的基礎(chǔ)上適當(dāng)放大，角柱放大1.5倍，邊柱放大1.3倍，中柱放大1.1倍，其縱筋最小配筋率宣比規(guī)范提高0.2%，且縱向鋼筋最小直徑≥16mm。箍筋宜采用符合抗震性能的HRB335或HRB400級鋼筋。框架柱為短柱，箍筋應(yīng)全長加密?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，剪跨比λ≤2框架柱應(yīng)沿柱全長加密箍筋且箍筋間距不應(yīng)大于100mm，樓梯間周圍的框架柱一般為短柱，還有錯層房間周圍也有可能出現(xiàn)短柱，對這些部位的框架柱應(yīng)該引起注意。

2.4.3 框架梁是框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的主要耗能構(gòu)件，必須保證足夠的延性，過去規(guī)定主梁截面取計算跨度的1/8～1/12，梁高對層高的影響較大?！陡咭?guī)》6.3.1條規(guī)定：框架梁主梁截面可按1/10～1/18確定，而采用扁寬梁可取至計算跨度的1/15～1/18，但應(yīng)驗算撓度和裂縫。在截面取值合理的情況下，可降低層高，帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益。梁配筋級差不應(yīng)太大，以不超過兩級為宜。二級次梁的上部負(fù)筋不能太大，以免對其承受的主梁產(chǎn)生過大的扭矩而引起開裂。對于屋面邊梁，由于其上女兒墻或挑檐引起 的扭矩，應(yīng)按彎剪扭構(gòu)件計算，這類梁應(yīng)加強(qiáng)配筋（箍筋加密，設(shè)置抗扭腰筋）。

（1）樓梯：汶川大地震表明，樓梯是重要的逃生通道。在樓梯的設(shè)計中要提高其安全儲備。小柱抬梁架設(shè)梯板是最為常見的樓梯做法，平臺小柱是關(guān)鍵支承點(diǎn)，其截面和配筋不能過小，至少取200x350，否則極容易由于施工原因引起鋼筋偏位。小柱下支承梁內(nèi)應(yīng)設(shè)吊筋和加密箍筋。樓梯間的填充墻應(yīng)與框架梁柱牢固拉接，以免震害發(fā)生時，墻體墜落壓垮樓板。

（2）裝飾構(gòu)件：建筑物的裝飾線條、挑檐板、女兒墻、屋頂框架與主體結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)可靠。對于幕墻、金屬欄桿應(yīng)在梁、柱內(nèi)做好預(yù)埋件的埋設(shè)，不得采用不安全的方法后期固定，以免帶來隱患。屋面挑檐結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮滿水時的荷載，受力鋼筋在邊粱內(nèi)的錨固要重視，屋面女兒墻較高時不得采用砌體結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用鋼筋混凝土墻，必要時還要加設(shè)附壁柱。

（3）由于建筑的需要，有時需要框架梁外挑，且梁下設(shè)置鋼筋混凝土柱。在柱的內(nèi)力和配筋計算中，有些設(shè)計人員對其受力概念不清，誤認(rèn)為此柱為構(gòu)造柱，并且其配筋為構(gòu)造配筋，懸臂梁也未按計算配筋，這樣有可能導(dǎo)致水平荷載作用下承載力不足，為事故的發(fā)生埋下隱患。實際上，在結(jié)構(gòu)的整體計算中，此柱為偏心受壓構(gòu)件，柱與梁端交接處類似于框架梁、柱節(jié)點(diǎn)，應(yīng)考慮懸臂梁梁端的協(xié)調(diào)變形。所以對于此柱應(yīng)作為豎向構(gòu)件參與結(jié)構(gòu)的整體分析，并且柱與梁端交接處應(yīng)按框架梁、柱的節(jié)點(diǎn)處理。

（4）柱截面尺寸：柱的平均剪應(yīng)力太大，會使柱產(chǎn)生脆性的剪切破壞。平均壓應(yīng)力或軸壓比太大會使柱產(chǎn)生混凝土壓碎破壞。

2.4.4 為了使柱有足夠的延性；柱截面尺寸應(yīng)符合以下要求：柱截面的長邊應(yīng)小于柱凈高的l/4，且柱截面的寬度不宜小于300 mm；當(dāng)剪壓比保持較低時?？色@得較好的延性，為此柱端截面的平均剪應(yīng)力一般宜小于3N/mm2。

（1）柱縱向鋼筋的配置：柱中縱向鋼筋宜對稱配筋；為了保證柱有足夠的延性，柱的最小配筋率必須滿足《抗震規(guī)范》要求；縱向鋼筋的接頭，一級框架應(yīng)采用焊接接頭；二級宜采用焊接接頭，而底層柱根應(yīng)焊接：三級可采用搭接，而底層柱根宜焊接；直徑大于25mm的鋼筋必須采用焊接。在縱向鋼筋連接區(qū)段內(nèi)宜加密箍筋，防止縱向鋼筋的壓曲，增加粘結(jié)強(qiáng)度。

（2）柱的箍筋：在地震力的反復(fù)作用下。柱端鋼筋保護(hù)層往往首先碎落，這時，如無足夠的箍筋約束，縱筋就會向外膨曲，柱端破壞。箍筋對柱的核心混凝土起著有效的約束作用，提高配箍率可以顯著提高受壓混凝土的極限壓應(yīng)變，從而有效增加柱的延性。因此設(shè)計人員應(yīng)遵照《抗震規(guī)范》對框架柱的箍筋構(gòu)造要求。

3. 結(jié)語

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中還存在許多稍不注意就出現(xiàn)失誤的問題，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，應(yīng)加強(qiáng)對規(guī)范和理論的學(xué)習(xí)和了解，充分掌握規(guī)范內(nèi)容，加強(qiáng)對錯誤的辨別能力，使結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中更加合理和安全。endprint