浅谈建筑结构设计

中国建筑西北设计研究院有限公司
摘要：本文主要从结构的控制设计、结构刚度、结构工程的特点与设计重用目标三方面论述了建筑结构设计，望能给广大同行在理论和实际应用上提供一些参考。
关键词：建筑结构；控制设计；高层建筑结构；建筑结构设计；结构设计
Abstract: this article mainly from the structure of the control design, structure stiffness, structure features and design reuse project target three aspects discusses the structure design, hope can give the general colleague in the theory and practical application provides some references on.
Keywords: building structure; Control design; High-rise building structure; Building structure design; Structure design

中图分类号：TU3 文献标识码：A 文章编号：
1．关于建筑结构的控制设计方面
理论和试验研究均表明，并经震害实践证明，如果要求建筑结构在遭受地震作用时不破坏或不倒塌，至少应具备下列两个条件之一：结构的主要部位有足够的强度储备；结构的主要部位对地震作用下的强追变形有充分的适应能力。如单纯满足前者，往往需要耗用过多的材料，且若遭受强烈地震作用，结构仍可能破坏或倒塌。从而提出抗震结构按两阶段设计，即在弹性阶段按强度控制，在弹塑性阶段按变形控制，这样设计的结构，既有一定的强度，又具有较大的延性和耗能能力，能一定程度地适应强烈地震使结构产生的强迫变形。
1.1机构控制
在分析框架和抗震墙结构的倒塌模式的基础上，提出对破坏机构进行控制，使之发生期望的破坏机构形式，达到既具有足够强度又具有足够延性的目的。实现途径是在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰，对塑性程度及区域进行控制，使得结构在强震时能形成最佳耗能机构。对于一个实际的多层、高层建筑结构，如何实现机构控制。即人工铰的构造、布置和出现顺序的确定，是一个尚待深入研究的课题，且是此方案能否真正实现的关键。
1.2梁的延性设计
在梁的端部设置特殊腹筋(直腰筋或交叉斜筋)，可以增强梁端的抗震性能，特别是对于剪跨比小的梁，延性和耗能均有大幅度的提高。用作抗震墙墙肢间的普通连梁和刚性连梁的延性和耗能特性对整个抗震墙结构的工作影响极大。试验表明，当连梁的跨高比为5时，延性和耗能很好，连梁两端相对竖向位移的延性系数都在8以上，滞回曲线也相当饱满。当连梁的跨高比降至1时，延性系数则降至3左右，滞回曲线严重捏拢，耗能很小，最后弯剪破坏。抗震墙的刚性连梁，其跨高比往往仅为1左右，若要使其工作在弹塑性阶段作耗能构件，则需要对它的组成和构造采取一定措施，以适应延性和耗能的要求。措施之一是在1／2梁高的中性面上留～水平通缝。在缝的上、下两侧各埋置钢板，钢板上开有椭圆形螺栓孔，用高强螺栓把两钢板连结。在竖载、风载和小震下，高强螺栓把水平通缝分开的两部分连梁连结成整体工作，使刚性连梁整体刚度不变，以保证其工作在弹性阶段；在强烈地震作用下，两钢板发生相对滑动，原来跨高比为1的刚性连梁将被分成两根跨高比为2的小梁协同工作。这样，不仅延性系数由原来的3提高为l0左右，而且由于钢板问的滑动摩擦，使其耗能能力也得到了一定改善。措施之二是在刚性连梁内埋设一根工字型钢，以提高其延性和耗能能力。
1.3柱的延性设计
虽然不希望塑性铰发生在柱上，但是它们仍需具有一定的延性和耗能能力，才能保证大震时不倒。试验表明，采用螺旋箍筋能较大程度地提高柱的延性和后期抗轴压能力。螺旋箍筋分为矩形箍和圆形箍，单旋箍和复台箍。其中复合螺族旋箍效果最好，圆形箍比矩形箍要好。
1.4新型复合材料节点
节点的合理设计是提高结构抗震性能的关键之一。而提高其强度和延性仅靠增加箍筋效果不显著，而且太多箍筋给施工带来较大的困难。因而不少学者致力于一些新型节点的研究，其中以钢纤维混凝土和劲性混凝土梁柱节点效果较好。这种节点由于劲性钢材或钢纤维与混凝土的共同工作，使得节点区混凝土的受力性能，特别是剪切变形大大改善，延性和耗能能力显著提高。
1.5折曲撑和偏心连结支撑
一般的交叉支撑框架剪切变形能力低、刚度降低幅度大、耗能差，采用折曲撑或偏心连结支撑抗侧力单元，可以改善这些缺点，其中折曲撑由钢纤维混凝土杆制造，偏心连结支撑可用钢杆或劲性钢筋混凝土杆组成。设计原则是在强震时让折曲撑先弯折破坏，然后梁才破坏，即形成撑—梁—柱的理想破坏机制。由于曲撑的存在和钢纤维混凝土的良好变形能力。整个框架单元的延性和耗能性能好，而且在正常使用荷载下，曲撑又能保证一定的抗凹刚度。
综上分析表明，结构本身的延性耗能设计是靠提高构件的延性耗能能力来实现。结构的构件无非是梁、板、柱和墙等，内部受力材料是受力筋、构造筋(对于劲性混凝土则是型钢)以及混凝土，延性耗能设计只能从这些材料的位置数量和构造方式来实现，显然该方式能提高结构的抗震能力。
2.高层建筑结构设计中的结构刚度
在高层建筑结构设计中，现行的规范是《高层建筑混凝土结构技术规程》(下简称《规程》)。高层建筑层数多、高度大，为保证高层建筑结构具有必要的刚度，应对其层间位移加以控制。这个控制实际上是对构件截面大小、刚度大小的一个相对指标。高层建筑的抗侧刚度对结构的抗震性有很大的影响，应设计的刚些，还是柔些，不同的设计人员有不同的看法。目前大多数建筑都设计的比较刚，特别是高层住宅，由于房间布置的要求，开间较小，这样剪力墙布置较多，而且墙厚较厚，比较浪费。在结构结算时，计算的最大弹性层间位移角只有1／2000～1／3000，甚至更小。
一般认为，对于某些地区，由于土质较好，基岩埋深也普遍较浅，且高层建筑多采用桩基础，或者有1～2层的地下室，持力层座落在中，微风化岩层或者中硬场地土层，地基的特征周期值较小。所以在此条件下，高层建筑的抗侧高度一般可以设计得柔些，以结构的极限变形能力(可按照《规程》的弹性层间位移角限值，剪力墙结构为1／lO00)作为控制值。在满足变形的限值的前提下，结构刚度可尽可能设计的小些，这样既降低了地震作用，也使场地与建筑物发生共振的可能性减小，而且也达到了经济目的。大多数工程实践证明，建在较硬场地上的高层建筑可以按变形控制，以柔克刚，既安全又经济。
3.建筑结构工程的特点与设计重用目标
从零件出发的重用策略在机械工程和软件工程领域得到了很好的应用，启发了研究人员在建筑工程领域应用类似的方法。机械系统或软件系统由零件或模块构成，其产业便于实现标准化，这一特点是成就零件策略的重要原因。建筑工程是个复杂的系统，其中某些具备相同特点的分部分项工程也可应用零件策略，但作为主要工程之一的结构工程却不具备这些条件。
结构工程的设计对象是包括梁、板、柱、墙和基础等构成建筑基本形体的力学构件和体系。因为每个建筑都是一个作品，所以与之配套的每个结构都是一个定制工程。这意味着不同建筑的结构构件及其体系的尺寸和构成都要按需设计，工程与工程之间缺乏可通用的部分。同时，结构不同于机械，它没有零件，所有构件固定在一起形成有机的整体，虽然可以人为地划分构件、房间或楼层等部分，但划分的标准模糊，具有很大的随意性，较难实现零件化，更谈不上部件的标准化和通用化。在一个难以零件化、标准化和通用化的工程环境中，需要寻找新的设计重用策略。
设计重用的本质是通过充分利用已有的设计成果提高新设计的设计效率。只要不同的设计中存在相同或相似的部分，理论上就可以采用设计重用的方法减少重复工作量。在一个建筑工程内存在很多重复内容。由于建筑物必须自下而上逐层建造，各个楼层的平面布局逐层渐变，相邻和相近楼层存在相当数量的重复内容。设计过程中，工程师通常把相同布局的楼层归并为标准层，并将标准层作为相对独立的设计单元进行设计，每个标准层逐一设计，并具有单独成套的图纸。研究的目标除了从已经完成的标准层设计中提取可重用的设计信息、减少新标准层的设计工作量外，另一个重要目标是提高维护设计的效率。这是因为建筑工程作为一种复杂的定制型工程，设计变更和修改占据了设计过程的大部分时间，如果采用设计重用，就可用一个可重用单元替代重复设计部分，这样，修改可重用单元就可将修改自动
作用于相关标准层，避免了逐一修改各标准层。