建筑結構設計之淺析

宋雋

摘要：近年來，隨著我國經濟水平的不斷提高，城市化建設進程的不斷加快，建筑業的發展發生著日新月異的變化。各式各樣的建筑矗立在市中心，形成一座座靚麗的風景線。建筑有更好地發展，大都取決于建筑結構設計的獨特性，本文就建藐的結構設計做出來一系列闡述。

關鍵詞：結構設計；結構布置；設計要點

前言

隨著社會經濟的迅速發展和建筑功能的多樣化，城市人口的不斷增多及建設用地日趨緊張和城市規劃的需要，促使高層建筑得以快速發展。另一方面由于輕質高強材料的開發及新的設計計算理論的發展，抗風和抗震理論的不斷完善，加之新的施工技術和設備的不斷涌現，特別是計算機的普及和應用以及結構分析手段的不斷提高，為迅速發展高層建筑提供了必要的技術條件。

1高層建筑結構的布置原則

1.1結構平面布置

對于一個建筑物的最初的方案設計，建筑師考慮更多的是它的空間組成特點，而不是詳細地確定它的具體結構。

建筑物底面對建筑物空間的豎向穩定和水平方向的穩定都是非常重要的，由于建筑物是由一些大而重的構件所組成，因此結構必須能將它本身的重量傳至地面，結構的荷載總是向下作用于地面的，而建筑設計的一個基本要求就是要搞清楚所選擇的體系中向下的作用力與地基土的承載力之間的關系，所以，在建筑設計的方案階段，就必須對主要的承重柱和承重墻的數量和分布作出總體設想。

平面形狀簡單、規則、對稱盡量使中心重合。偏心大的結構扭轉效應大，會加大端部構件的位移，導致應力集中。高層建筑不應采用嚴重不規則的結構布置，當由于使用功能與建筑的要求，結構平面布置嚴重不規則時，應將其分割成若干比較簡單、規則的獨立結構單元。對于地震區的抗震建筑來說簡單、規則、對稱的原則尤為重要。

1.2結構立體布置

結構豎向布置最基本的原則是規則、均勻。結構宜設計成剛度下大上小，自下而上逐漸減小。下層剛度小將使變形集中在下部，形成薄弱層，嚴重的會引起建筑的全面倒塌。上部樓層收進使得體型較小的情況經常發生，但是對于收進的尺寸應當限制。收進的部位越高，收進后的平面尺寸越小，高振型的影響明顯加大。如果上部樓層外挑，造成“頭重腳輕”的狀況，將使扭轉反映明顯加大，豎向地震影響也明顯變大。

2高層建筑結構設計要點

2.1地基與基礎設計

高層建筑結構設計中地基更是極其重要的一部分，在高層項目的整個工程造價中，地基占很大一部分，因此，結構工程師對地基與基礎設計都特別重視，所以在高層建筑的地基設計當中，結構工程師要首先對當地的地質條件有詳細的了解。我國幅員廣闊，各地的地質情況都有所差異，所以在設計之前要對當地的地質情況有個深入的學習過程，從而保證設計及施工的順利進行，避免對整個工程的設計造成嚴重的影響。高層建筑設計不同于多層建筑，首先要對施工場地的地質情況及地下水水位進行了勘探，從而得出相關的數據，同時還要對高層上部結構的類型及使用功能、施工條件等進行綜合的考慮，另外還要考慮到施工時對周圍的建筑安全性的影響，這樣可以有效的保證建筑物建成后避免發生沉降或傾斜的可能。同時為了保證施工中的安全及施工的順利進行，還要對周邊構筑物及地下的設施的位置及標高進行了解，從而保證設計的科學性，保證施工正常進行。

2.2高層建筑結構平面及立面形式的選擇

在高層建筑結構設計中，為了避免扭轉問題的發生，因此在設計時要做到建筑的幾何中心、剛度中心、結構重心盡可能匯于一點，這樣可以有效的減少結構發生扭轉的可能。如若在結構設計中沒有做到三心合一，由此就會產生扭轉問題。扭轉問題就是結構在水平荷載作用下發生的扭轉振動效應。扭轉振動效應在風載等荷載情況下會對結構產生危害，在結構設計時要選擇合理的結構形式和平面布局，從而達到建筑物的三心合一，因此在設計時對平面和立面形式進行選擇是十分關鍵的。作為高層建筑，更適宜簡單、規則的對稱形態，而過于復雜的平面形式則不適宜。同時如果平面布置不對稱，有過多的外凸、內凹等復雜形式都容易造成震害，因此在高層結構的設計中，為了保證結構的安全性，要確保結構的抗震設計中結構體系的選擇、布置、構造措施比軟件的計算結果都要精確，這樣結構可以具有良好的抗震性和安全性。

2.3提高結構重要部位的延性

在結構豎向布置，對于剛度沿高度均勻分布的、體形較簡單的高層建筑，應著重提高底層構件的延性；對于大底盤高層建筑，應著重提高主樓與裙房頂面銜接的樓層中構件的延性；對于立面不規則的高層建筑，應著重加強體形突變處樓層構件的延性。在結構平面位置上，應該著重提高房屋周邊轉角處、平面突變處以及復雜平面各翼相接處構件的延性。

2.4注重抗震設計

在需要抗震設防的高層建筑中，盡可能不采用純框架體系，可以采用框架一剪力墻、剪力墻或簡體結構體系，要根據我國的具體條件進一步總結對高層建筑的剛度要求，以便能夠更經濟合理地布置剪力墻及筒體等抗側力構件。

2.5高層的連梁設計

在內力和位移計算時，其構件可采用弾性剛度，在框架一剪力墻結構中，連梁剛度可予以折減。因此，處理連梁超筋或截面控制超過剪壓比的首要方法是選好剛度折減系數。當連粱剛度折減后，部分樓層的連梁仍然不滿足要求時，可采用內調幅，調幅不宜超過20%。

2.6剪力墻結構設計

剪力墻結構因其即能承擔垂直荷載又能抵抗水平力作用，因此在高層建筑中得以廣泛使用，即將房屋的內、外墻都做成實體的鋼筋混凝土結構，其面積較大，同時又有樓蓋的支撐，所以其自身有較大的側向剛度，剪力墻作為一種剛性結構，即使有水平荷載作用下，也不會發生較大的側移量，所以對于15～35層的高層建筑非常適宜。但剪力墻也有自身的弱點，由于其是剛性結構，自身的剛度較大，因此一旦發生地震，地震力也會完全作用于剪力墻上，如果在施工中處理不好，在地震中會造成較大的破壞。同時對于公共建筑所需要的較大空間，剪力墻則無法完成，因為剪力墻在布置時對間距有較大的要求，間距不能過大，同時平面布置也不靈活。

3現代建筑結構設計的關鍵技術

3.1運用整體的計算力追求平面、立面的完美

以往我國建筑結構設計多用純矩型板式民用建筑，它的平面形式多為一梯六戶，而且有四個單元的房間只可以間接采光，廚房區域沒有陽臺。這樣傳統而且普通的民用建筑戶型，房間的光線很暗，而且還沒有陽臺，使用起來有很大的不便。板式樓的建筑結構，沒有什么特殊的特點，但是它的整體計算力比較好，而且沒有超限。新型的板式樓，最主要的是它融合了點式樓平面的特點。有著點式樓的凹凸進退，也有著板式樓的南向采光。在整體的平面布局上，雖然屬于一梯六戶，但是能采光而無陽臺的只有兩戶。由于和單一的矩形平面相比，有著多變的立面，而且在平面上有著獨特的優勢，但它主要的不同點是它的結構整體計算周期相比平面結構計算周期大。另外，新型板式樓的兩側會有一部分超限的連梁截面強度，沒有比較大的抗剪強度，剪壓比超出了原本的范圍。

3.2異形柱框架結構

3.2.1異形柱框架結構的主要形式

設計結構中，主要是要求框架結構的柱用矩形柱，也有其他的截面形式，所以采取的柱形也不一樣。矩形柱比三角形、圓形有著良好的受力性能，完善的計算理論、明確的傳力途徑，并因為長期的工程實踐，也總結積累了大量的經驗。所以，矩形柱的計算理論和模型比較符合實際的情況。但如果將矩形柱運用在民用的建筑上面，會因為增加的建筑高度，使得柱截面也在不斷的增大，造成了房屋內部的布置有諸多的不便。一個八層的框架建筑，矩形柱約為450mmX450mm，有200mm的內墻，如果在每一戶內，使用柱可能會占據使用面積的0.5%，甚至由于后期的裝修，容易造成面積的大量浪費。但如今的異形柱框架結構可以處理這些問題。異形柱結構框架是具體根據墻體的情況，柱截面做成“L”、“T”、“z”字形等。轉角墻部位多用“L”字形，縱橫墻的交接處多用“T”字形，柱肢的寬度最好保持和墻體相同的厚度，讓墻體表面和柱表面平齊。

3.2.2計算異形柱框架的結構

異形截面柱的抗震性能以及受力特點和經常使用的矩形截面柱有很大的不同。如今，對于這方面的試驗研究和理論分析還比較少，結構專業的軟件還不能直接計算異形柱的總體框架。由于現在還處于過渡的階段，因此需要兩種辦法來計算。一種是近似等效截面法，利用截面等慣性矩原則把異形柱等效成矩形柱，再利用計算機程序進行計算，得出柱的內力，并將矩形柱的內力給予相應位置的異形柱，得出異形柱的配筋。“T”字形柱，要根據混凝土的有關規范來對“T”字形截面來計算柱配筋。“L”字形柱，要根據等寬翼緣來對應“T”字形截面柱，通過計算，來附加一個扭矩來完成抗扭復核。在內力計算的時候輸入的截面積屬于等效面積，所以要驗算異形柱的軸壓比，要按照其真實面積。這種方式省時省工，但是有較低的計算精度，所以要定性分析計算結構，并對結構進行概念設計。另一種辦法是有限元法，就是將如今現有的通用有限元計算程序，按桿單元模型，并將異形柱的慣性矩和實際截面面積等輸入程序，算出各柱單元的內力，并按照規范來計算配筋。這種方法有著簡明可靠的計算模型，而且有著精準的計算精度。但缺點是需要很多的時間來準備數據，并對設計人員要有一定的專業知識和有限元知識。

4結語

一個好的公司得益于一個好的領導的管理，一個好的建筑項目取決于一個好的結構設計。對于建筑項目而言，最主要的是結構設計技術的好與壞。建筑與人們的生產、生活有著十分密切的聯系，建筑項目的質量問題也是目前人們最關心與關注的事情。而建筑結構質量的好壞和設計有密切的聯系。因此，在當今新形勢下，需時刻把建筑結構設計放在首位，不斷的加以創新，只有這樣才能是其與國際接軌。