分析建筑結構設計的一些問題

【摘要】 隨著城市建設的高速發展，高層建筑在城市中應運而生。目前高層建筑在城市建設當中所占的比例是越來越大，而建筑結構設計方面的變化也越來越多，很多新興的結構設計方案呈現在城市建設中。建筑類型與功能越來越復雜，高層建筑的結構體系也是越來越多樣化，高層建筑結構設計已成為高層建筑結構工程設計的難點與重點。本文就高層建筑的結構設計問題和業界作一探討。

【關鍵詞】 結構體系；結構設計；高層建筑

一、高層建筑結構體系的特點

1、框架結構體系。框架結構體系一般用于鋼結構和鋼筋混凝土結構中，由梁和柱通過節點構成承載結構，框架形成可靈活布置的建筑空間，具有較大的室內空間，使用較方便。由于框架梁柱截面較小，抗震性能較差，剛度較低，建筑高度受到限制；剪切型變形，即層間側移隨著層數的增加而減小；框架結構主要用于不考慮抗震設防、層數較少的高層建筑中。在考慮抗震設防要求的建筑中，應用不多；高度一般控制在70m以下。

2、剪力墻結構體系。利用建筑物墻體作為承受豎向荷載、抵抗水平荷載的結構，稱為剪力墻結構體系。這種剪力墻結構適合于建造較高的高層建筑。剪力墻結構體系于鋼筋混凝土結構中，由墻體承受全部水平作用和豎向荷載。根據施工方法的不同，可以分為：全部現澆的剪力墻；全部用預制墻板裝配而成的剪力墻；內墻現澆、外墻為預制裝配的剪力墻。

3、框架—剪力墻結構（框架—筒體結構）體系。在框架結構中設置部分剪力墻，使框架和剪力墻兩者結合起來；取長補短；共同抵抗水平荷載，就組成了框架—剪力墻結構體系。如果把剪力墻布置成筒體，又可稱為框架—筒體結構體系。框架—剪力墻結構既有框架結構布置靈活、延性好的特點，也有剪力墻結構剛度大、承載力大的特點，是一種比較好的抗側力體系，廣泛應用于高層建筑，其適用高度與剪力墻結構大致相同。

4、筒體結構。單個筒體可分為實腹筒、框筒和桁筒。平面剪力墻組成空間薄壁筒體，即為實腹筒；框架通過減小肢距，形成空間密柱框筒，即框筒；筒壁若用空間桁架組成，則形成桁筒。實際結構中除煙囪等構筑物外不可能存在單筒結構，而常常以框架—筒體結構、筒中筒結構、多筒體結構和成束筒結構形式出現。

5、巨型結構。巨型結構一般由兩級結構組成。第一級結構超越樓層劃分，形成跨若干樓層的巨梁、巨柱（超級框架）或巨型衍架桿件（超級衍架），以這巨型結構來承受水平力和豎向荷載，樓面作為第二級結構，只承受豎向荷載并將荷載所產生的內力傳遞到第一級結構上。常見的巨型結構有巨型框架結構和巨型桁架結構。

一般說來，框架結構適用于高度低，層數少，設防烈度低的情況；框架—剪力墻結構和剪力墻結構可以滿足大多數建筑物的高度要求；在層數很多或設防烈度要求很高時，可用筒體結構。

二、高層建筑結構設計的原則

1、選用適當的計算簡圖：結構計算式在計算簡圖的基礎上進行的，計算簡圖選用不當則會導致結構安全的事故常常發生，所以選擇適當的計算簡圖是保證結構安全的重要條件。

2、選擇合適的基礎方案：基礎設計應根據工程地質條件，上部結構類型與載荷分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進行綜合分析，選擇經濟合理的基礎方案，設計時宜最大限度地發揮地基的潛力，必要時應進行地基變形驗算。基礎設計應有詳盡的地質勘察報告，對一些缺少地質報告的建筑應進行現場查看和參考臨近建筑資料。通常情況下，同一結構單元不宜用兩種不同的類型。

3、合理選擇構方案：一個合理的設計必須選擇一個經濟合理的結構方案，也就是要選擇一個切實可行的結構形式和結構體系。結構體系應受力明確，傳力簡捷。同一結構單元不宜混用不同結構體系，地震區應力求平面和豎向規則。總而言之，必須對工程的設計要求、材料供應、地理環境、施工條件等情況進行綜合分析，并與建筑、電、水、暖等專業充分協商，在此基礎上進行結構選型，確定結構方案，必要時應進行多方案比較，擇優選用。

4、正確分析計算結果：在結構設計中普遍采用計算機技術，但是由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會導致不同的計算結果。因此設計師應對程序的適用范圍、條件等進行全面了解。在計算機輔助設計時，由于結構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致錯誤的計算結果，因而要求結構工程師在拿到電算結果時應認真分析，慎重校核，做出合理判斷。

5、采取相應的構造措施：結構設計始終要牢記“強柱弱梁、強剪弱彎、強壓若拉原則”，注意構件的延性性能；加強薄弱部位；注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的執行段錨固長度；考慮溫度應力的影響力。

三、高層建筑結構設計的特點

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，對連續梁彎矩產生影響，造成連續梁中間支座處的負彎矩減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大；此外還會對預測構件的下料長度產生影響，要求根據軸向變形計算值，對下料長度進行調整；另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。

2、結構延性是重要設計指標：相對于底層建筑而言，高層建筑的結構更柔和一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使高層建筑結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性。

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件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對結構產生的傾覆力矩以及由此在豎構件中引起的軸力，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荷載和地震作用，其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度變化。

四、高層建筑結構的相關問題分析

1、結構的超高問題：在抗震規范和高規范中，對結構的總高度有著嚴格的限制，尤其是新規范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為A級高度以為，增加了B級高度，處理措施與設計方法都有較大改變。在實際工程設計中，出現過由于結構類型的變更而忽略該問題，導致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規劃的影響相當巨大。

2、短肢剪力墻的設置問題：在新規范中，對墻肢截面高厚比為5～8的墻定義為短肢剪力墻，且根據實驗數據和實際經驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，因此，在高層建筑設計中，結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。

3、嵌固端的設置問題：由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協調等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。

結束語：結構的規則性問題：新舊規范在這方面的內容出現了較大的變動，新規范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規范采用強制性條文明確規定“建筑不應采用嚴重不規則的設計方案。”因此，結構工程師在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。