淺談建筑結構設計要點及方案

【摘要】本章結合筆者工作經驗，提出在建筑結構設計中應當掌握的“剛柔并重，多道防線，強柱弱梁，靜定結構”的設計思想，以推動結構設計的向前發展。

【關鍵詞】結構設計；目的；要點；結構方案；布置

1建筑結構設計的目的

在現有技術基礎上，用最經濟的手段來獲得預定條件下滿足設計所預期的各種功能的要求，包括安全性、適用性、耐久性。

1.1安全性：指結構應能承受正常使用時可能出現的各種荷載和變形等作用，在偶然事件（如地震、強風）發生時及發生后結構仍能保持必需的整體穩定性，即結構僅產生局部損壞而不致發生倒塌。

1.2適用性：指結構在正常使用過程中，應具有良好的工作性能。

1.3 耐久性：指結構在正常使用和正常維護條件下應具有足夠的耐久性能，能夠正常使用到預定的設計使用期限結構的功能要求概括起來為結構的可靠性，即在規定的時間內（設計使用年限），在規定的條件下（正常設計、正常施工、正常使用和維護），結構完成預定功能（安全性、適用性、耐久性）的能力。

2.建筑結構設計要點

2.1 剛柔并重的結構體系。對于結構設計人員來說，結構怎樣選取以達到剛柔并重這是設計核心之一。工程實踐表明，結構太剛則變形能力差，強大的破壞力瞬間襲來時，需要承受的力很大，容易造成局部受損最后全部毀壞；而太柔的結構雖然可以很好的消減外力，但容易造成變形過大而無法使用甚至全體傾覆。較柔的結構體系易于找到共同受力的構件以協同消化和抵抗外力，但結構過柔將產生變形以適應外力，太柔的結果必然是太大的變形，甚至會導致立足不穩而失去根本。必然結構體系最適宜就是做到剛柔并重。必要剛度可有效地控制建筑變形在允許范圍內，而必要的柔將有效地提高建筑消化轉換外力的能力。

2.2 多道防線設計。安全的建筑結構體系必須做到層層設防的，當遇到突如其來的荷載時，建筑中所有抵抗外力的結構都在通力合作，而不應當把荷載全部寄托在某個單一的構件上。如工程實踐表明，多肢墻比單片墻好，框架剪力墻比純框架好等等，就是體現了多道防線的設計思路。即使在設計中結構的計算是正確的，但要絕對安全的防備構件是不存在的，所以多道防線設計是應當考慮的。

2.3 強柱弱梁的設計思想。就是地震力作用下，讓梁先屈服，而且是梁的支座位置屈服并且形成塑性鉸，從使之變成類似阻尼器的耗能構件，消耗掉地震力，用棄卒保帥的方法保護整體結構的安全。而不理想的受力，就是塑性鉸出現在柱子上，那么整個結構就變成了幾何可變體。結構將在瞬間就會倒塌。所以很明顯，就是把柱子做的盡量強，配筋考慮加大（不要過于加大截面，因為截面越大剛度越大，剛度越大則分到的地震力也就越大）。梁的配筋則相對考慮減小一些，尤其是支座位置的配筋不要過于超過計算值。具體的量是靠經驗的，如果經驗不足，有個比較簡單的方法：在設計柱子的時候，把“中梁剛度放大系數”減小一些，而設計其他構件和計算書的時候則填寫正常數值。這樣做的原理，就是設計柱子的時候考慮柱子分擔的地震力多一些，并且以這個標準布置配筋。

2.4 相對靜定結構體系。在建筑結構體系中，不同類型的構件相接處或者同一構件截面改變之處即為節點。考慮結構的受力特點，應主要從結構的軸力和彎矩進行分析，在無彎矩的情況下，軸力在截面上時均勻分布，能夠充分利用材料的強度；而彎矩產生的應力在截面上為三角形分布，沒有充分利用材料的強度，因此，在結構的受力特點分析中主要考慮結構中的彎矩的分布及最大值。在相同跨度和相同荷載下，簡支粱的彎矩最大，伸臂粱、靜定多跨粱、三鉸剛架、組合結構的彎矩次之，而桁架結構的彎矩為零。

在工程中簡支粱多用于小跨度結構；伸臂粱、靜定多跨粱、三鉸剛架、組合結構可用于較大跨度的結構；而大跨度結構通常采用桁架結構或者拱結構。在實際工程中，除考慮受力特點之外，還應考慮結構的施工、幾何特點、構造本身。如：簡支粱結構簡單，施工方便，桁架結構便于進行安裝，但桿件較多，結點構造比較復雜。

3.結構方案選取

（1）橫向框架承重方案。橫向框架承重方案是在橫向布置框架梁，樓面豎向荷載由橫向梁傳至柱而在縱向布置連系梁。橫向框架往往跨數少，主梁沿橫向布置有利于提高建筑物的橫向抗側剛度。而縱向框架則往往僅按構造要求布置較小的聯系梁。這也有利于房屋內的采光與通風。

（2）縱向框架承重方案。縱向框架承重方案是在縱向布置框架承重梁，在橫向布置聯系梁。因為樓面荷載由縱向梁傳至柱子，所以橫向梁的跨度較小，有利于設備管道的穿行；當在房屋開間方向需要較大空間時，可獲得較高的室內凈高；另外，當地基土的物理力學性能在房屋縱向有明顯差異時，可利用縱向框架的剛度來調整房屋的不均勻沉降。縱向框架承重方案的缺點是房屋的橫向抗側剛度較差，進深尺寸受預制板長度的限制。

4.結構布置

4.1 樓梯方案

樓梯結構在建筑結構設計中通常都會遇到，整體式樓梯按照結構形式和受力特點不同，可分為板式樓梯、梁式樓梯、剪刀式樓梯和圓形樓梯、螺旋樓梯等。其中，應用較為經濟的、廣泛的是板式樓梯和梁式樓梯，剪刀式樓梯、圓形樓梯和螺旋式樓梯屬于空間受力體系，外觀美觀，但結構受力復雜，設計與施工較困難，用鋼量大，造價高，在實際中應用較少。

板式樓梯由梯段板、平臺板和平臺梁組成。梯段板為帶有踏步的斜板，其下表面平整，外觀輕巧，施工支模方便，但斜板較厚，結構材料用量較多，不經濟。故當梯段水平方向跨度小于或等于3.5m時，才宜用板式樓梯。梁式樓梯由踏步板、斜梁、平臺板和平臺梁組成。踏步板支承在兩端的斜梁上，斜梁可設在踏步下面，也可設在踏步上面。根據梯段寬度大小，梁式樓梯的梯段可采用雙梁式，也可采用單梁式。一般當樓梯水平投影跨度大于3.5m時，用梁式樓梯。結構中的樓梯采用板式樓梯。若采用梁式樓梯，支模困難，施工難度較大。采用梁式樓梯所帶來的經濟優勢主要是鋼筋用量較省，采用的樓梯板較薄，混凝土用量也較少，會被人工費抵消。

4.2 樁基礎設計

樁基礎設計也是建筑結構設計中經常會遇到的一個環節，合理的樁基礎設計是確保結構基礎受力以及節省樁工程造價的一個重要方面。所有樁基均應進行承載能力極限狀態計算包含的以下幾個方面：1）根據樁基的使用功能和受力特點進行樁基的豎向（抗壓或抗拔）承載力和水平承載力計算，某些條件下尚應考慮樁、土、承臺相互作用產生的承載力群樁效應。2）對樁身及承臺承載力進行計算，對于樁身露出地面或樁側為液化土、軟土中細長樁尚應進行樁身壓曲驗算，混凝土預制樁尚應按施工階段吊運、運輸和錘擊作用進行強度驗算。3）樁端平面以下存在軟弱下臥層時，應驗算軟弱下臥層的承載力。4）位于坡地、岸地的樁基應驗算整體穩定性。5）對樁基抗震承載力驗算。另外有些情況還需要驗算的建筑樁基的變形。如樁端持力層為軟弱土的一、二級建筑物以及樁端持力層為粘性土、粉土或存在軟弱下臥層得一級建筑樁基應驗算沉降，并宜考慮上部結構與樁基的相互作用。承受較大水平荷載或對水平變位要求嚴格的一級建筑樁基應驗算水平變位。

5.結論

結構設計是一個復雜的、理論性很強的工作，需要設計人員加強自身理論知識的學習，不斷在實踐中完善各項理論。為了有效地設計出經濟合理的建筑結構，設計人員應在掌握設計規范的基礎上，充分結構的受力狀態而進行設計；同時應當考慮到所設計的建筑所采用的材料造價問題，以使得結構更加結合實際情況而且受力合理。

參考文獻

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