建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題與對策

李 猛

（四川省恒升煤炭科技開發(fā)有限公司設(shè)計分公司，四川 成都 610091）

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計直接決定建筑整體的安全穩(wěn)定性、人居環(huán)境的舒適度、性能發(fā)揮的完整性，需要設(shè)計人員高度重視。在建筑技術(shù)不斷革新發(fā)展的進程中，建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出更加多變的特征，建筑類型、功能模式均朝著高度復(fù)雜的方向發(fā)展，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，也使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中原有薄弱問題更加明顯。因此，探究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化對策具有非常重要的意義。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成，包括上部結(jié)構(gòu)設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計2種。前者涵蓋了框架結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等多種類型；后者需要依據(jù)工程地質(zhì)勘察報告中涉及的上部結(jié)構(gòu)類型、上部結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)，驗算地基承載力、基礎(chǔ)內(nèi)力、配筋，確定基礎(chǔ)底面積及必要的構(gòu)造措施。除此之外，在地質(zhì)勘察報告分析過程中，設(shè)計人員還需要清晰判定地質(zhì)資料中對場地的評價、基礎(chǔ)選型的建議，在對場地初步了解的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)剖面圖、各土層物理指標，對場地的土層分布、地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及場地穩(wěn)定性、均勻性進行進一步評價，為基礎(chǔ)形式確定以及地基持力層沉降數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)不利地質(zhì)情況分析提供依據(jù)。比如，在地質(zhì)報告中表明“勘察期間見地下水”，若為巖石等不透水土層，且建筑帶地下室，就需要考慮水壓，以避免基坑進水無處排出而導(dǎo)致的一系列問題。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題

2.1 忽略風舒適度

風舒適度不僅影響建筑人居體驗，而且對建筑的安全穩(wěn)定性具有一定的影響。但是，在當前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計人員沒有關(guān)注風舒適度的重要作用，風舒適度計算不夠科學，甚至忽視風舒適度的計算，由此導(dǎo)致建筑實際結(jié)構(gòu)體系無法順利落實建筑規(guī)范的要求，甚至在后期接連衍生出結(jié)構(gòu)安全系數(shù)下降、人居環(huán)境惡化問題。

2.2 抗側(cè)力體系分析不到位

當前，建筑設(shè)計界關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時剛與柔方針選擇仍然存在較大爭議。前者具有更大的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定作用，但需耗費大量鋼材，且構(gòu)件尺寸較大；后者材料損耗量較少，但存在一定的變形風險。上述問題出現(xiàn)的主要原因是由于建筑設(shè)計人員對建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系分析不到位，無法完整獲知不同結(jié)構(gòu)變形性能及干擾因素，進而影響了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)的順利完成。

2.3 抗震設(shè)計與性能關(guān)聯(lián)度差

自1906年美國舊金山地震后，地震設(shè)計逐漸進入設(shè)計師的視線。經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計已經(jīng)形成了較為完整的體系，抗震設(shè)計安全系數(shù)不斷增加。但是，在早期方案設(shè)計階段，部分設(shè)計人員仍然沒有將抗震設(shè)計與結(jié)構(gòu)非彈性延性變形能力可靠發(fā)揮有機關(guān)聯(lián)，且忽略驗算、研究罕遇地震作用下的變形是否超出規(guī)定限制、地震作用不確定性、非結(jié)構(gòu)震后災(zāi)害預(yù)估，雖然可以滿足建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中設(shè)計反應(yīng)譜值要求，但是整體設(shè)計方法仍然較為粗糙。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化對策

3.1 考慮風舒適度

在當前多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，橫風方向的加速度較大，受尾流的直接影響，需要設(shè)計人員考慮結(jié)構(gòu)剛度、紊流變量、阻尼、建筑物形狀等因素，展開氣動彈性風洞分析。同時，鑒于建筑物局部風載在大多數(shù)情況下易受自身表面形狀的影響，設(shè)計人員可以建筑物表面形狀為依據(jù)，利用風洞試驗方法，獲得風壓系數(shù)平均值Cpai、作用在建筑參考點位置的平均風壓WH，結(jié)合建筑物表面局部體形系數(shù)以及局部風壓巔峰數(shù)值、建筑物頂部最大加速度、風載荷作用下的基地傾覆彎矩，分別判定建筑物承受風壓的能力以及變形趨勢、順風與橫風風振作用下生物舒適度體驗、總體風載荷對建筑物穩(wěn)定的干擾情況。

風壓系數(shù)平均值Cpai、作用在建筑參考點位置的平均風壓WH的計算公式分別為：

式中，Pai、P∞、P0分別為模型上測點i壓力均值、參考點位置靜壓均值、參考點位置總壓；WH為參考點位置來流平均風壓；W0、μH分別為基本風壓、參考點位置風壓高度轉(zhuǎn)換系數(shù)。

以臺北101大樓為例，設(shè)計人員以風舒適度為計算依據(jù)，根據(jù)上述公式，綜合分析判定了風載荷與氣流密度、建筑物剛度、建筑物高度、建筑物風環(huán)境、地面粗糙度等因素的聯(lián)系，在87層到92層之間進行了直徑5.0m的懸掛式重力擺錘以及阻止位移過大的阻尼系統(tǒng)設(shè)計。配合外斜7°的結(jié)構(gòu)，將每8樓劃分為1個模塊，促使建筑兼具支撐樓地板重量以及應(yīng)付臺風搖晃彈性雙重功能。

3.2 注重結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系分析

鑒于結(jié)構(gòu)振動、變形大小受場地土強度、結(jié)構(gòu)剛度等多種因素的影響，在結(jié)構(gòu)自振動周期無限接近于場地土卓越周期時，建筑物地震反應(yīng)、振動變形、地震作用會呈現(xiàn)出增加趨勢，因此，建筑設(shè)計人員可以結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)具體體系、高度、場地條件等因素，綜合判定，精密設(shè)置變形限制，將變形限制在規(guī)范許可范疇內(nèi)，達到減小建筑結(jié)構(gòu)變形概率的目的。比如，單一從場地條件上分析，對于硬土地基，可以優(yōu)先選擇柔和的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；而對于軟土地基，則可以選擇剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計方法?；蛘哒{(diào)整建筑結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期至偏離（長于或短于）場地卓越周期。

考慮到建筑物立面收進、頂部小面積突出對建筑物立面體形沿高度變化趨勢具有較大的影響，為了避免頂部側(cè)向甩動形狀變化超出規(guī)定范疇破壞建筑物結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員可以選擇上部柔軟度較高的塔樓，盡可能減小下部大底盤、上部塔樓之間的剛度差值。比如，上海金茂大廈為地下3層、地上88層的鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，設(shè)計師選擇了框架-核心筒-伸臂結(jié)構(gòu)體系，并在外周邊設(shè)置了8根鋼筋混凝土巨型柱（1.50m×4.88m），與原核心筒組成了抗側(cè)力體系。同時，考慮到建筑角部的巨型柱需要同時參與抗扭、抗豎向載荷，設(shè)計人員從24～26層開始，每間隔27層，到85～87層進行了鋼材質(zhì)伸臂桁架設(shè)置，并將頂部減小到了0.91m×3.53m，墻厚度提升至頂部0.46m，有效地增加了構(gòu)件承載力。

3.3 優(yōu)化基于性能的抗震設(shè)計手段

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計人員不僅需要依據(jù)規(guī)范規(guī)定落實結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)則，最大限度地提升結(jié)構(gòu)非彈性延性結(jié)構(gòu)變形能力，而且需要根據(jù)建筑性能需求，從具體量化多重目標入手，利用靜力及動力彈塑性分析手段，深入分析建筑抗震性能。同時，依據(jù)基礎(chǔ)（抗剪、抗彎、沖切）計算書、基礎(chǔ)底面積計算書以及地基變形計算書、地基承載力設(shè)計值計算值、底層柱下端內(nèi)力組合設(shè)計值，明確天然地基抗震性能，保證建筑抗震性能設(shè)計效果。

明確基于性能的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計目標是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員設(shè)計手段實施的前提?；谛阅艿目拐鸾Y(jié)構(gòu)設(shè)計目標特指設(shè)定地震地面運動水準引導(dǎo)的建筑預(yù)期性能要求，我國抗震規(guī)范設(shè)定的抗震性能目標以50年為基準，劃分了2.0%～3.0%（罕遇地震）、10.0%（設(shè)防地震）、63.0%（多遇地震）3個標準。依據(jù)上述標準，建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計人員還需要對地震地面運動水準、建筑物性能水準進行進一步細化設(shè)定，比如SP-1，結(jié)構(gòu)完好且可在震后正常發(fā)揮作用；SP-2，結(jié)構(gòu)基本完好，在震后需適當維修方可發(fā)揮作用；SP-3，結(jié)構(gòu)有限損壞，地震之后需要加固處理；SP-4，結(jié)構(gòu)損壞較嚴重但不會對人居生命安全造成影響；SP-5，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定但存在嚴重損壞。在上述目標設(shè)置完畢之后，設(shè)計人員可以向業(yè)主提供技術(shù)層面、經(jīng)濟層面的詳盡分析結(jié)果，引導(dǎo)其恰當選擇抗震性能目標。比如，某建筑為超高層建筑，高度在220m左右，是區(qū)域高度、形態(tài)控制點，總用地面積為39 852m2，總建筑面積為302 145m2，地上建筑面積為182 562m2。地下建筑面積劃分為2個區(qū)域，其中一個區(qū)域為平面尺寸為3層地下室，另外一個區(qū)域為4層地下室，結(jié)構(gòu)設(shè)計年限為50年，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類（乙類），設(shè)計基本地震加速度為0.1g，地面粗糙度為C類（地震分組為第一組）。設(shè)計人員根據(jù)勘察單位提供的地質(zhì)勘察報告，結(jié)合區(qū)域地震烈度區(qū)劃圖資料，得知工程場地不同超越概率水平的地表地震加速度峰值分別為37.32（50年超越概率63%）、110.53（50年超越概率10%）、202.97（50年超越概率2%），對應(yīng)的地震基本烈度為VII。根據(jù)上述數(shù)值，進行了結(jié)構(gòu)底部剪力較大樓層水平地震力的抗震驗算，并根據(jù)驗算結(jié)構(gòu)選擇了框架-核心筒體系，即裙樓以下、主塔樓分別采用現(xiàn)澆鋼筋土梁板結(jié)構(gòu)體系、閉口鋼-混凝土組合樓蓋。

4 結(jié)語

風載荷設(shè)計參數(shù)取值、結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系分析、抗震設(shè)計是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要組成，設(shè)計實踐時仍然存在一些薄弱問題。在風載荷設(shè)計參數(shù)取值時，設(shè)計人員應(yīng)依托現(xiàn)行風洞風口理論，綜合考慮建筑外立面體形特點，合理利用風洞試驗、基于試驗的風振計算方法，了解建筑物整體風振作用干擾情況，獲知局部風壓參數(shù)，為建筑圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供依據(jù)；而在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系分析時，設(shè)計人員可以選擇多種抗側(cè)力體系方案，進行對比后，優(yōu)選恰當方案；在抗震設(shè)計時，設(shè)計人員可以引用基于性能的抗震設(shè)計分析手段。結(jié)合結(jié)構(gòu)整體、構(gòu)件抗震性能要求，展開計算，為建筑結(jié)構(gòu)抗震性能提升提供依據(jù)。