淺談建筑結(jié)構(gòu)設計三問題

1、<p>　　淺談建筑結(jié)構(gòu)設計三問題</p><p>　　摘要：建筑施工是一項非常復雜的系統(tǒng)工程，它關系到人民生命財產(chǎn)安全，由于建筑施工的工程量大，而建筑結(jié)構(gòu)設計是建筑施工里最為重要的環(huán)節(jié)，所以建筑結(jié)構(gòu)設計對建筑樓盤投產(chǎn)后的完善功能體現(xiàn)至關重要。因此,我們首先討論了建筑結(jié)構(gòu)的控制設計, 接著分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設計中的結(jié)構(gòu)剛度, 最后研究了建筑結(jié)構(gòu)工程的特點與設計重用目標。具有深刻的理論意義和廣泛的實際應用

2、。 </p><p>　　關鍵字：建筑結(jié)構(gòu)；控制設計；高層建筑結(jié)構(gòu)；建筑結(jié)構(gòu)設計；結(jié)構(gòu)設計 </p><p>　　Abstract: Construction is a very complicated system engineering, it relates to the safety of people life property, since the construction o

3、f the project amount is large, and the structural design of the building construction the most important, so the building structure design on construction projects put into production after the perfect embodiment of vita

4、l function. Therefore, we first discuss the building structure control design, then analyze the structural design of high-rise building struc</p><p>　　Key words: building structure design; control; high-rise

5、 structure; structural design; structure design </p><p>　　中圖分類號：TU2 獻標識碼：文章編號：2095-2104（2013）1-0020-02 </p><p>　　隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和城市化進程的加快，現(xiàn)在的城市中心寸土寸金，為了滿足城市居民的居住剛性需求，各地高層以及超高層建筑如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。這些高層建筑在不斷改

6、善人們居住和辦公條件，美化城市 面貌的同時，也高效地利用了土地資源。但是，從北京、上海、南京等一、二線城市及國外高層建筑引發(fā)的安全事故來看，一些潛在的安全隱患亟待引起各地有關部 門的高度重視，歸納起來主要有以下幾個方面：大面積玻璃幕墻成為城市上空的隱形炸彈，特別是通過膠粘結(jié)的隱框幕墻有效使用期僅為十年，九十年 代就已開始使用，現(xiàn)在有的已超過安全使用期，一些省市已發(fā)生多起玻璃碎裂從高空墜落的險情；另外老舊建筑室外分體式空調(diào)外機安裝不規(guī)范，

7、不放在建筑設計的 混凝土隔板上，鐵架銹蝕后極易高空墜落；由于用地容積率的提高，建筑高度拔高，超出目前消防云梯所能達到的救援和滅火高度，一旦發(fā)生火災可望而不可 及。為此，建議由各地政府牽頭，召集城管、建設、規(guī)劃、消防等部門成立城市安全防范小組，對城市重要人流集中區(qū)域（商業(yè)區(qū)、學校、居住小區(qū)等）的高層建筑定期進行綜合治理等等。 </p><p>　　建筑結(jié)構(gòu)的幾個控制指標 </p><p>　

8、　為了能更好的理解建筑結(jié)構(gòu)設計的三個問題，我們必須介紹一下建筑結(jié)構(gòu)的控制指標： </p><p><b>　　1.1周期比 </b></p><p>　　周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應的重要指標，是結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期的比值。周期比控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對關 系，而非其絕對大小，它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使

9、結(jié)構(gòu)不致于出現(xiàn)過大（相對于側(cè)移）的扭轉(zhuǎn)效應，而不是在要求結(jié)構(gòu)具有足夠大的剛 度。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002（以下簡稱《高規(guī)》）第4.3.5條規(guī)定：結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應大于0.9，B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復雜高層建筑不應大于0.85。 調(diào)整結(jié)構(gòu)周期比的措施主要有兩種：1）提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。這樣可以改善結(jié)構(gòu)的抗扭性能，是解

10、決結(jié)構(gòu)抗扭薄弱的根本方法。提高抗扭剛度一般需要調(diào)整結(jié)構(gòu)布 置，增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的剛度，降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度；有時要改變結(jié)構(gòu)類型，如增加剪力墻、異形柱等等。這種改變一般是整體性的，局部的小調(diào)整往往收效甚 微。調(diào)整原則是要加強結(jié)構(gòu)外圈剛度（例如在建筑周邊加剪力墻或者柱間支撐），或者削弱內(nèi)筒降低結(jié)構(gòu)中間的剛度，以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。2）降低平</p><p><b>　　1.2位移比 </b>

11、;</p><p>　　位移比是控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性的重要指標，是指樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與本樓層平均值的比值。結(jié)構(gòu)是否規(guī)則、對稱，平面內(nèi)剛度分布是否均勻是 結(jié)構(gòu)本身的性能，可以用結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心的相對位置表示，二者相距較遠的結(jié)構(gòu)在地震作用下扭轉(zhuǎn)可能較大。由于剛心與質(zhì)心位置都無法直接定量計算，規(guī)范采用了 校核結(jié)構(gòu)位移比的要求。在樓板平面內(nèi)無限剛性的假定下，增加了附加偏心距5%L計算校核位移比。《高規(guī)》第

12、4.3.5條規(guī)定，在考慮質(zhì)量偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移，A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的 1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.5倍；B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及本規(guī)程第10章所指的復雜高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不 應大于該樓層平均值的1.4倍。位移比是一個相對值，在相同的位移比下，當結(jié)構(gòu)剛度較小、平均側(cè)向位移較大時，扭矩產(chǎn)生的最大位移也大，對結(jié)構(gòu)的危害也較大；相反，如果是同

13、樣的位移比，當結(jié)構(gòu)側(cè)向位移較小時，最大位移也相對較??； 此時可以將位移比與位移最大值進行綜合考慮，適當放寬位移比的限制值。例如最大層間位移小于規(guī)范規(guī)定值的50%時，位移</p><p><b>　　1.3 剛度比 </b></p><p>　　層剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則的重要指標，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)整體的豎向勻稱度。樓層側(cè)向剛度可取該樓層剪力和該樓層層間位移的比值。在判斷樓層

14、是否為薄弱層、地下室是否能作為嵌固端、轉(zhuǎn)換層剛度是否滿足要求時，都是用層剛度比作為依據(jù)。規(guī)范提供了三種層剛度的計算方法：樓層剪切剛度、剪彎剛度和樓層平均剪力與平均層間位移比值的層剛度?！陡咭?guī)》第4.4.2條規(guī)定，抗震設計的高層建筑結(jié)構(gòu)，其樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層向剛度的70%或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80% 。樓層層剛度比的變化主要由于豎向構(gòu)件不連續(xù)、樓板大開洞、層高有較大變化等造成的。由于層剛度產(chǎn)生的薄弱層，可以通過調(diào)整結(jié)

15、構(gòu)布置和材料強度等級以避免薄弱層的出現(xiàn)。對于不能避免出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)薄弱層，規(guī)范要求其地震剪力乘以1.15的增大系數(shù)，同時應加強抗震延性構(gòu)造措施，提高結(jié)構(gòu)的抗震等級、樓板加強、弱連接結(jié)構(gòu)的加強等，從而加強薄弱部位。 </p><p>　　1.4 層間受剪承載力之比 </p><p>　　層間受剪承載力之比也是用來控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標。層間受剪承載力是指在所考慮的水平地震作用方向上，該層全

16、部柱及剪力墻的受剪承載力之和?！陡咭?guī)》第4.4.3條規(guī)定，A級高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的80%，不應小于其上一層受剪承載力的65%；B級高度高層建筑的樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應小于其上一層受剪承載力的75%。樓層抗剪承載力的簡化計算，只與豎向構(gòu)件尺寸、配筋有關，與它們的連接關系無關。由于樓層承載力產(chǎn)生的薄弱層，只能通過調(diào)整配筋提高結(jié)構(gòu)的承載能力來解決，如提高“超配系數(shù)”等。 <

17、;/p><p><b>　　1.5剪重比 </b></p><p>　　剪重比是反映地震作用大小的重要指標，是對應于水平地震作用標準值的剪力與重力荷載代表值的比值。由于在長周期作用下，地震影響系數(shù)下降較快，計算出來的 水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應可能偏小。而對于長周期結(jié)構(gòu)，地震地面運動速度和位移可能對結(jié)構(gòu)的破壞具有更大的破壞作用，但采用振型分解法時無法對此做出較準 確的計算。

18、因此出于安全的考慮，規(guī)范規(guī)定了最小剪重比。 </p><p>　　2建筑結(jié)構(gòu)設計三個重要問題 </p><p>　　2.1 建筑結(jié)構(gòu)的控制設計 </p><p>　　理論和試驗研究均表明, 并經(jīng)震害實踐證明, 如果要求建筑結(jié)構(gòu)在遭受地震作用時不破壞或不倒塌, 至少應具備下列兩個條件之一: 結(jié)構(gòu)的主要部位有足夠的強度儲備; 結(jié)構(gòu)的主要部位對地震作用下的強追變形有充分的

19、適應能力。如單純滿足前者, 往往需要耗用過多的材料, 且若遭受強烈地震作用, 結(jié)構(gòu)仍可能破壞或倒塌。從而提出抗震結(jié)構(gòu)按兩階段設計, 即在彈性階段按強度控制, 在彈塑性階段按變形控制, 這樣設計的結(jié)構(gòu), 既有一定的強度, 又具有較大的延性和耗能能力, 能一定程度地適應強烈地震使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的強迫變形。 </p><p>　　包括機構(gòu)控制：在分析框架和抗震墻結(jié)構(gòu)的倒塌模式的基礎上, 提出對破壞機構(gòu)進行控制, 使之發(fā)生期望

20、的破壞機構(gòu)形式, 達到既具有足夠強度又具有足夠延性的目的。實現(xiàn)途徑是在結(jié)構(gòu)的特定位置設置一定數(shù)量的人工塑性鉸, 對塑性程度及區(qū)域進行控制, 使得結(jié)構(gòu)在強震時能形成最佳耗能機構(gòu)。對于一個實際的多層、高層建筑結(jié)構(gòu), 如何實現(xiàn)機構(gòu)控制。即人工鉸的構(gòu)造、布置和出現(xiàn)順序的確定, 是一個尚待深入研究的課題, 且是此方案能否真正實現(xiàn)的關鍵。梁的延性設計：在梁的端部設置特殊腹筋(直腰筋或交叉斜筋), 可以增強梁端的抗震性能, 特別是對于剪跨比小的梁,

21、延性和耗能均有大幅度的提高。用作抗震墻墻肢間的普通連梁和剛性連梁的延性和耗能特趕對整個抗震墻結(jié)構(gòu)的工作影響極大。試驗表明, 當連梁的跨高比為 5 時, 延性和耗能很好, 連梁兩端相對豎向位移的延性系數(shù)都在 8 以上, 滯回曲線也相當飽滿。當連梁的跨高比降至 1 時, 延性系數(shù)則降至 3 左右, 滯回曲線嚴重捏擾, 耗能很小, 最后彎剪破壞?？拐饓Φ膭傂赃B梁, 其跨高比往往僅為 1左右, 若要使其工作在彈塑性階段作耗能構(gòu)件, 則需要對它的

22、組成和構(gòu)造采取一定措施,</p><p>　　2.2 高層建筑結(jié)構(gòu)設計中的結(jié)構(gòu)剛度 </p><p>　　在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中, 現(xiàn)行的規(guī)范是《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》高層建筑層數(shù)多、高度大, 為保證高層建筑結(jié)構(gòu)具有必要的剛度, 應對其層間位移加以控制。這個控制實際上是對構(gòu)件截面大小、剛度大小的一個相對指標。高層建筑的抗側(cè)剛度對結(jié)構(gòu)的抗震性有很大的影響, 應設計的剛些, 還是柔些, 不

23、同的設計人員有不同的看法，目前大多數(shù)建筑都設計的比較剛。 </p><p>　　2.3 建筑結(jié)構(gòu)工程的特點與設計重用目標 </p><p>　　設計重用的本質(zhì)是通過充分利用已有的設計成果提高新設計的設計效率。只要不同的設計中存在相同或相似的部分, 理論上就可以采用設計重用的方法減少重復工作量。在一個建筑工程內(nèi)存在很多重復內(nèi)容。由于建筑物必須自下而上逐層建造, 各個樓層的平面布局逐層漸變,相

24、鄰和相近樓層存在相當數(shù)量的重復內(nèi)容。設計過程中, 工程師通常把相同布局的樓層歸并為標準層, 并將標準層作為相對獨立的設計單元進行設計, 每個標準層逐一設計, 并具有單獨成套的圖紙。研究的目標除了從已經(jīng)完成的標準層設計中提取可重用的設計信息、減少新標準層的設計工作量外, 另一個重要目標是提高維護設計的效率。這是因為建筑工程作為一種復雜的定制型工程, 設計變更和修改占據(jù)了設計過程的大部分時間, 如果采用設計重用, 就可用一個可重用單元替代重

25、復設計部分,這樣, 修改可重用單元就可將修改自動作用于相關標準層, 避免了逐一修改各標準層。 </p><p><b>　　3結(jié) 論 </b></p><p>　　只有很好的貫徹和解決這三個問題，我們才能真正在建筑結(jié)構(gòu)設計有所突破，才能夠設計更安全，更有美感的建筑。所以我們必須要了解、領悟這三個常見問題比加以注意和解決。 </p><p>&l

26、t;b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1]謝芝馨.實現(xiàn)建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)、建筑施工共同發(fā)展的相關問題[J].福州大學學報( 自然科學版) , 1996(S1) . </p><p>　　[2] 李艷麗.高層住宅小區(qū)地下室車庫結(jié)構(gòu)設計[J].土木建筑學術(shù)文庫，2011，15(1). </p><p>　　[3] 梅洪元，付本臣.中國高