分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些問題

郭彬彬

摘? ? 要：隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市中出現(xiàn)了高層建筑。目前，城市建設(shè)中高層建筑的比例不斷增加，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的變化也在增加。許多新興的結(jié)構(gòu)設(shè)計解決方案都呈現(xiàn)在城市建設(shè)中 建筑物的類型和功能變得越來越復(fù)雜，高層建筑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)也越來越多樣化。高層建筑的設(shè)計已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點和關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)體系;結(jié)構(gòu)設(shè)計;高層建筑

1? 高層建筑結(jié)構(gòu)體系的特點

（1）框架結(jié)構(gòu)體系?？蚣芙Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)通常用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。梁和柱通過節(jié)點形成承載結(jié)構(gòu)。框架形成靈活布置的建筑空間，具有大的室內(nèi)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(shù)的增加而減小，框架結(jié)構(gòu)主要用于抗震。高層建筑中的強(qiáng)化低層建筑。在考慮抗震設(shè)防要求的建筑物中，高度一般控制在70米以下。

（2）剪力墻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)稱為剪力墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。這種剪力墻結(jié)構(gòu)適用于建造較高的高層建筑。剪力墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻體承受所有水平和垂直載荷。根據(jù)不同的施工方法，可分為：全部現(xiàn)澆剪力墻;所有剪力墻都裝有預(yù)制墻板;內(nèi)壁澆鑄到位，外壁是預(yù)制剪力墻。

（3）框架—剪力墻結(jié)構(gòu)（框架—桶結(jié)構(gòu)）系統(tǒng)。剪力墻的一部分設(shè)置在框架結(jié)構(gòu)中，以將框架和剪力墻結(jié)合在一起;長度互補(bǔ);并共同抵抗水平荷載，構(gòu)成框架—剪力墻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)?？蚣堋袅Y(jié)構(gòu)不僅具有框架結(jié)構(gòu)柔韌，延性好的特點，而且具有剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，承載力大的特點。它是一種更好的防側(cè)力系統(tǒng)，廣泛用于高層建筑。適用的高度與剪力墻結(jié)構(gòu)大致相同。

（4）氣缸的結(jié)構(gòu)。單個圓筒可分為實心圓筒，框架管和圓筒。平面剪力墻構(gòu)成一個薄壁的空間圓柱體，是一個堅固的網(wǎng)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(jié)構(gòu)。巨型結(jié)構(gòu)通常由兩層結(jié)構(gòu)組成。第一層結(jié)構(gòu)超越了地板分區(qū)，形成了幾個樓層的巨型橫梁，巨柱（超級框架）或巨型桁架構(gòu)件（超級桁架）。憑借這種巨型結(jié)構(gòu)，它可以承受水平和垂直載荷。第二級結(jié)構(gòu)僅承受垂直載荷并將載荷產(chǎn)生的內(nèi)力傳遞給第一級結(jié)構(gòu)。常見的巨型結(jié)構(gòu)是巨型框架結(jié)構(gòu)和巨型桁架結(jié)構(gòu)。

2? 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

（1）選用適當(dāng)?shù)挠嬎愫唸D：結(jié)構(gòu)計算式在計算簡圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，計算簡圖選用不當(dāng)則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全的事故常常發(fā)生，所以選擇適當(dāng)?shù)挠嬎愫唸D是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。

（2）選擇合適的基礎(chǔ)方案：基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件，上部結(jié)構(gòu)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(jìn)行綜合分析，選擇經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)方案，設(shè)計時宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力，必要時應(yīng)進(jìn)行地基變形驗算?；A(chǔ)設(shè)計應(yīng)有詳盡的地質(zhì)勘察報告，對一些缺少地質(zhì)報告的建筑應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場查看和參考臨近建筑資料。通常情況下，同一結(jié)構(gòu)單元不宜用兩種不同的類型。

（3）合理選擇構(gòu)方案：一個合理的設(shè)計必須選擇一個經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案，也就是要選擇一個切實可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)受力明確，傳力簡捷。同一結(jié)構(gòu)單元不宜混用不同結(jié)構(gòu)體系，地震區(qū)應(yīng)力求平面和豎向規(guī)則?？偠灾?，必須對工程的設(shè)計要求、材料供應(yīng)、地理環(huán)境、施工條件等情況進(jìn)行綜合分析，并與建筑、電、水、暖等專業(yè)充分協(xié)商，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型，確定結(jié)構(gòu)方案，必要時應(yīng)進(jìn)行多方案比較，擇優(yōu)選用。

（4）正確分析計算結(jié)果：在結(jié)構(gòu)設(shè)計中普遍采用計算機(jī)技術(shù)，但是由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會導(dǎo)致不同的計算結(jié)果。因此設(shè)計師應(yīng)對程序的適用范圍、條件等進(jìn)行全面了解。在計算機(jī)輔助設(shè)計時，由于結(jié)構(gòu)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(dǎo)致錯誤的計算結(jié)果，因而要求結(jié)構(gòu)工程師在拿到電算結(jié)果時應(yīng)認(rèn)真分析，慎重校核，做出合理判斷。

（5）采取相應(yīng)的構(gòu)造措施：結(jié)構(gòu)設(shè)計始終要牢記“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓若拉原則”，注意構(gòu)件的延性性能;加強(qiáng)薄弱部位;注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的執(zhí)行段錨固長度;考慮溫度應(yīng)力的影響力。

3? 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩減小，跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值增大;此外還會對預(yù)測構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響，要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進(jìn)行調(diào)整;另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響，與考慮構(gòu)件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結(jié)果。

（2）結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計指標(biāo)：相對于底層建筑而言，高層建筑的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧瑏肀ＷC結(jié)構(gòu)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(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比;而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩以及由此在豎構(gòu)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(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動力特性的不同而有較大幅度變化。

4? 高層建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)問題分析

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

（2）短肢剪力墻的設(shè)置：在新規(guī)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(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗。墻在高層建筑中的應(yīng)用已經(jīng)施加了相當(dāng)大的限制。因此，在高層建筑設(shè)計中，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡量少使用或不使用短肢剪力墻，以避免以后設(shè)計工作中出現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)置，結(jié)構(gòu)抗震接頭的協(xié)調(diào)以及嵌入式端部位置的協(xié)調(diào)，忽略其中任何一個都可能導(dǎo)致大量修改或埋藏安全后期設(shè)計工作中的危險。

5? 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問題：新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動，新規(guī)范在這方面增添了相當(dāng)多的限制條件，例如：平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案?！币虼?，結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意，以避免后期施工圖設(shè)計階段工作的被動。

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