建筑結構設計水準

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1我國建筑結構的特點

我國改革開放之后，由于綜合國力的不斷提高，房地產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，建筑業(yè)已成為社會支柱產(chǎn)業(yè)之一。由于經(jīng)濟的發(fā)展，加之土地資源寶貴，所以高層建筑更是有如雨后春筍般迅速發(fā)展，數(shù)量劇增。而目前的工程設計領域中，設計人員忙于應付大量的具體工作，往往不夠重視結構經(jīng)濟性問題，導致同一工程由不同的人設計其土建造價可能差別很大，造成不必要的浪費。這對于經(jīng)濟實力并不發(fā)達、尚處于第三世界發(fā)展中國家的中國來說是一個亟待解決的問題。通常在低層建筑結構分析中，只考慮彎矩項，因為軸力項影響很小，而剪切項一般可不考慮。但對于高層建筑結構，情況就不同了。由于層數(shù)多，高度大，軸力值很大，再加上沿高度積累的軸向變形顯著，軸向變形會使高層建筑結構的內力數(shù)值與分布產(chǎn)生顯著的改變。軸向變形的影響在高層建筑結構分析中應當考慮，但是，結構所受的豎向荷載并不是在結構完成之后一次施加的。特別是，占豎向荷載絕大部分的結構自重是在施工過程中逐層施加的，軸向壓縮變形已在施工過程中分階段完成，并在各樓層標高處找平，實際上并不完全類似于以上分析的情況。所以，在考慮軸向變形時，要考慮旋工過程中分層施加豎向荷載這一因素，不能簡單的按一次加載考慮，否則會出現(xiàn)一些不合理的計算結果，如鄰近剪力墻和簡體的上層框架柱，在豎向荷載作用下出現(xiàn)拉力：上層框架梁出現(xiàn)過大彎矩和剪力等。另外，隨著樓層的增加，水平荷載作用下結構的側向變形迅速增大。與低層建筑不同，結構側移己成為高層建筑結構設計中的關鍵因素，隨著樓層的增加，水平荷載作用下結構的側向變形迅速增大。結構頂點側移與建筑高度H的四次方成正比。設計高層結構時，不僅要求結構具有足夠的強度，能夠可靠地承受風荷載作用產(chǎn)生的內力：還要求具有足夠的抗側剛度，使結構在水平荷載下產(chǎn)生的側移被控制在某一限度之內，保證良好的居住和工作條件。這是因為高樓的使用功能和安全，與結構側移的大小密切相關：

a，使用人員的正常工作與生活。當高樓在陣風作用下發(fā)生振動的頻率f為一定值時，結構風振加速度alim與結構側移幅值A成正比。因而控制側移幅值的大小成為保證高樓良好的居住和工作條件的關鍵因素。高層建筑物在風荷載作用下產(chǎn)生震動，過大的震動加速度將使高樓內居住的人們感覺不舒服，甚至不能忍受，規(guī)范要求控％lJlO風荷載作用下的結構頂點加速度最大值，結構風振加速度和建筑物的剛度成正比。

b．過大的側向變形會使隔墻、圍護墻以及它們的高級飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞，此外，也會使電梯因軌道變形而不能正常運行。

c．高樓的重心位置較高，過大的側向變形將使結構因P一△效應而產(chǎn)生較大的附加應力，甚至因側移與應力的惡性循環(huán)導致建筑物倒塌。延性是指構件和結構屈服后，在承載能力不降低或基本不降低的情況下，具有足夠塑性變形能力的一種性能，一般用延性比來表示。對于受彎構件來說，隨著荷載增加，首先受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，表現(xiàn)出非彈性變形。然后受拉鋼筋屈服，受壓區(qū)高度減小，受壓區(qū)混凝土壓碎，構件最終破壞。從受拉鋼筋屈服到壓區(qū)混凝土壓碎，是構件的破壞過程。在這過程中，構件的承載能力沒有多大變化，但其變形的大小卻決定了破壞的性質。是鋼筋混凝土受彎構件的曲線，屈服變形，極限變形。提高延性可以增加結構抗震潛力，增強結構抗倒塌能力。高層建筑相對低層結構而言，結構設計更柔一些，如果遇到地震，震動作用下的建筑結構變形更大一些。為了做好防震設計，避免倒塌，建筑在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，特別需要在構造上采以適當?shù)脑O計，確保建筑設計具有很好的延性。

2提高建筑結構設計水平的措施

概念設計是展現(xiàn)先進設計思想的關鍵，個結構工程師的主要任務就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結構總體方案的設計，并能有意識地處理構件與結構、結構與結構的關系。一般認為，概念設計做得好的結構工程師，隨著他的不懈追求，其結構概念將隨他的年齡與實踐的增長而越來越豐富，設計成果也越來越創(chuàng)新、完善。強調概念設計的重要，主要還岡為現(xiàn)行的結構設計理淪與計算理論存在許多缺陷或不可計算性，比如對混凝土結構設計，內力計算是基于彈性理論的計算方法，而截面設計卻是慕于塑性理論的極限狀態(tài)設計方法，這一矛盾使計算結果與結構的實際受力狀態(tài)差之甚遠，為了彌補這類計算理論的缺陷，或者實現(xiàn)對實際存在的大量無法計算的結構構件的設計，都需要優(yōu)秀的概念設計與結構措施來滿足結構設計的目的。目前，部分已建建筑在其四角設置巨型鋼管柱，從而極大地增強了角柱的強度和抗變形能力。在高層建筑結構設討中，柱軸壓比的限值已成為困擾結構工程師的實際問題，隨著建筑高度的增加，結構下部柱截面也越來越大，而柱的縱向鋼筋卻為構造配筋，即使采用高強混凝土，柱截面也不會明顯降低。實際上，柱的軸壓比大小，直接反映了柱的塑性變形能力，而構件的變形能力會極大地影響結構的延性。混凝土基本理論指出：混凝士構件的曲率延性，即彎曲變形能力主要取決于截面的相對受壓區(qū)高度和受壓區(qū)邊緣混凝土的極限變形能力。相對受壓區(qū)高度主要取決于軸壓比、配筋等，混凝土的極限變形能力主要取決r箍筋的約束程度，即箍筋的形式和配箍特征值。

因此，為了增大柱在地震作用下的變形能力，控制柱的軸壓比和改善配箍具有同樣的意義，因而采用密排螺旋箍筋柱或鋼管混凝土均可以提高柱軸壓比的限值。材料利用率越高，該結構的協(xié)同工作程度也越高，尤其對我閣這樣一個發(fā)展中國家，結構設計的目的即是花最少的錢，做最好的建筑，這就要求設計時對結構材料的充分利用，這從梁類構件的演變可以看出。矩形截面梁是最普通的受彎構件，它的材料利用率很低，原因有二：一方面是靠近中和軸的材料應力水平低，另一方面是梁的彎矩沿梁長一般是變化的，這樣對等截面梁來說，大部分區(qū)段，即使是拉、壓邊緣，其應力水平均較低。針對梁的這種受力特點，用結構概念分析，主要是因為梁截面存在應變梯度，只有當構件是軸心受力時，材料利用率才可能增大，于是就出現(xiàn)了平面桁架，平面桁架可以理解成“掏空”的梁一將粱中多余材料去除，既經(jīng)濟，又降低自重；故桁架的上弦相應于梁的受壓邊，下弦相應于受拉鋼筋。規(guī)則桁架中腹桿的受力與梁中主拉、壓應力方向一致，根據(jù)上述分析，還可以將桁架的外形設計為與彎矩圖相似的形狀，從而使桁架的弦桿受力均勻。由于桁架中大量存在壓桿，壓桿的強度往往由其穩(wěn)定性決定，而不是由桿件截面材料強度決定，因此，在平面桁架的沒計過程中，應設法降低壓桿的長細比。

3高層建筑結構的選型設計

在高層建筑的結構設計中，結構選型階段要抓好下面三點：其一是要注重結構的規(guī)則性。由于新、舊規(guī)范在這一方面出現(xiàn)了比較大的變化，新規(guī)范在此增加了比較多的限制因素。比如平面規(guī)則性方面的信息、嵌固端上、下層之間剛度比方面的信息等。與此同時，新規(guī)范采取了強制性規(guī)定，要求建筑物不能采用嚴重不規(guī)則之設計方案。所以，工程技術人員在明確新規(guī)范的限制條件中一定要加以注意，從而避免出現(xiàn)后期施工圖設計階段之被動。其二是要注重結構的超高性。新規(guī)范在應對超高問題上，除了把原先的限制高度設置為A級高度之外，同時還應增加B級高度之建筑。所以，～定要對高層建筑結構中的這一項控制因素加以注意，假如結構為B級高度建筑，或者已經(jīng)超過了B級之高度，那么其設計方法與處理方法都將出現(xiàn)一個相當大的變化。在具體的工程設計之中，出現(xiàn)過因為結構類型之變更而忽略這一問題的情況，從而造成施工圖在審查時未能通過，一定要重新作出設計，或者需要召開專家會議加以論證，這對于工程的工期與造價等總體規(guī)劃存在著相當大的影響。其三是要注重嵌固端設置。因為高層建筑普遍帶有二層或者二層以上的地下室與人防工程，嵌固端極有可能被設置于地下室的頂板上，同時也有可能被設置于人防頂板等處。所以，在這一問題上因為結構設計人員常常會忽視因嵌固端設置而導致的～系列問題。比如，要重視對嵌固端樓板之設計、加強對嵌固端上下層剛度比之限制、在進行結構整體運算時做好嵌固端設置等。假如忽視了其中的任何一方面，均有可能對后期設計工作造成大量安全隱患。而國外部分設計行業(yè)協(xié)會對建筑設計市場管理比較嚴格，對設計費用、設計周期都有合理的控制水平，這樣各個建筑設計單位也就有合理的安排來進行項目設計，對項目中有可能產(chǎn)生的各種結構問題綜合考慮，才能設計出更好的工程。結構設計是一項嚴謹?shù)目茖W，要想提高設計綜合水準需要各個環(huán)節(jié)進行控制，科學、合理的設計態(tài)度是結構設計的基礎，新材料、新技術的應用也是做好結構設計不可或缺的因素。