浅析建筑结构设计中的几个问题

陆雪梅

摘要:建筑工程质量的优劣关系到人们的生命安全,建筑质量主要由设计质量和施工质量两个方面来衡量。建筑结构设计是一项繁重而又责任重大的工作,直接影响到建筑物的安全、适用、经济和合理性。文章结合笔者多年工作经脸,重点就当前建筑结构设计中存在的主体结构设计问题、安全问题进行了研究和探讨,并就此提出了自己意见和建议。

关键词:建筑结构 高层 砌体 结构设计

0 引言

建筑结构是支撑和满足建筑空间环境及功能的力学体系,结构设计是一门历史悠久而古老的学科,并随着科学技术及新材料的发展而不断进步。但是,其最原始最基本的原理却一直保持着不变性,这些基本原理构成了结构设计最根本的理论依据,虽然它们并不一定直接地体现在工程师的图纸上,但是这些基本原理却始终指导和贯穿着结构设计全过程。

1 多层砌体结构

1.1 设计问题

1.1.1 多层砌体房屋的建筑局部尺寸未满足抗震要求,该部位未设构造筋。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)第7.1.6条规定,抗震设防烈度为6度、7度时,承重窗间墙最小宽度、承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离、非承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离、内墙阳角至门窗洞边的最小距离不宜小于lm。这些局部部位是结构破坏较为敏感的地方,当这些部位不能满足要求时,结构应采取相应的弥补措施,如采用加强的构造柱或增加横向配筋措施等。

1.1.2 房屋四角与其余部位构造柱采用一样的配筋。《建筑抗震设计规范》(GB500l1-2001) 第7.3.2条第一款规定,房屋四角构造柱可适当加大截面及配筋。而部分人员设计不分部位采用相同设置的行为,将致使各种柱体的作用得不到充分发挥,还会造成浪费。例如房屋外墙四角是容易损坏的部位,其构造柱的设计一般应加强,若其余部位的构造按照外墙四角的要求进行设置,将造成极大的浪费。

1.1.3 构造柱截面设计时未考虑相连的小墙垛。虽然小墙垛通过拉接筋与构造柱相连接,但实际上这部分小墙体很难发挥有效作用,并且施工也不方便.所以设计时应该把两者合二为一。

1.2 屋面梁与配筋

1.2.1 屋面梁配筋太少。结构建模时,设计人员图方便,屋面梁直接拷贝下层梁的尺寸。由于屋面梁荷载较小,计算结果配筋不多,这样屋面梁在温度变化、混凝土收缩和受力等作用下因配筋率过低而裂缝宽度较大。

1.2.2 受扭屋面梁缺少必要的腰筋。对于一般的梁,为了保持钢筋骨架的刚度,同时为了承受温度和收缩应力及防止梁腹出现过大的裂缝,一般构造措施为梁腹板高度大于450mm时加设腰筋,其间距不大于200mm,然后拉筋勾连。对于受扭构件《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)第10.2.5条第二款规定,其纵向受力钢筋的间距不应大于200mm和梁截面短边长度。对于设置悬挑檐口的屋面梁,在结构设计中误等同一般梁,未按受扭构件设计配筋。

1.2.3 楼层平面刚度 一些设计在缺乏基本的结构观念或结构布置缺乏必要措施时,采用楼板变形的计算程序。尽管程序的编程在数学力学模型上是成立的甚至是准确无误的,但在确定楼板变形程度上却很难做到准确。作为计算的大前提都无法“准确”,就不可能指望其结果会“正确”了。据此进行的结构设计肯定存在着结构不安全成分或者结构某些部位或构件安全储备过大等现象。为了使程序的计算结果基本上反映结构的真实受力状况而不至

于出现根本性的误差,设计时应尽可能将楼层设计成刚性楼面。

2 高层建筑结构设计问题

2.1 高层建筑结构平面及立面形式的选择 在高层建筑结构设计中,应尽量使建筑的三心(几何形心、刚度中心、结构重心)尽可能汇于一点,达到三心合一。如若在结构设计中没有做到三心合一,由此就会产生扭转问题。扭转问题就是结构在水平荷载作用下发生的扭转振动效应。扭转振动效应在风载等水平荷载载荷情况下会对结构产生危害,为避免其危害应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局,尽可能地使建筑物做到三心合一,所以平面和立面形式的选择很关键。高层建筑的平面宜采用简单、规则、对称的形状,避免过于复杂的平面形式,大量震害的资料表明,高层建筑物平面布置不对称、过多的外凸、内凹等复杂形式都容易造成震害。在高层结构的抗震设计中,结构体系的选择、布置、构造措施比软件的计算结果是否精确更能影响结构的安全,除了考虑结构安全因素外,还要综合考虑建筑美观、结构合理及便于施工和工程造价等多方面因素。资料和力学分析表明,在不对称结构中,结构在凹凸拐角等处容易造成应力集中而遭到破坏,所以应尽量避免。而在完全对称的结构中,也应注意凸出部分的尺寸比例。如凸出部分较长,要在结构设计中采取相应的补救措施。结构的竖向布置要尽力做到刚度均匀且连续,避免结构的刚度突变和出现软弱层。刚度突变及软弱层的出现往往是由于切断剪力墙所致,如果在结构设计中必须要切断少数剪力墙时,其他剪力墙在该切断层处应给以加强。总之,标新立异的平面及立面设计是以结构的抗震和安全性能为代价的。

2.2 高层建筑结构设计中的侧移和振动周期问题

高层建筑结构设计中的侧移和振动周期建筑结构的振动周期问题包含两方面: ①合理控制结构的自振周期;②控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期。

2.2.1 结构自振周期 高层建筑的自振周期(T1)宜在下列范围内:

框架结构 :T1=(0.1～0.15)N

框-剪、框-筒结构:T1=(0.08～0.12)N

剪力墙、筒中筒结构:T1=(0.04～0.10) N;N为结构层数。

结构的第二周期和第三周期宜在下列范围内:

第二周期:T2=(1/3～1/5) T1;

第三周期:T2=(1/5～1/7)T1

2.2.2 共振问题 当建筑场地发生地震时,如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近,建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期,通过调整结构的层数,选择合适的结构类别和结构体系,扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别,避免共振的发生。

2.2.3 水平位移特征 水平位移满足高层规程的要求,并不能说明该结构是合理的设计。同时还需要考虑周期及地震力的大小等综合因素。因为结构抗震设计时,地震力的大小与结构刚度直接相关,当结构刚度小,结构并不合理时,由于地震力小则结构位移也小,位移在规范允许范围内,此时并不能认为该结构合理。因为结构周期长、地震力小并不安全;其次,位移曲线应连续变化,除沿竖向发生刚度突变外,不应有明显的拐点或折点。一般情况下剪力墙结构的位移曲线应为弯曲型;框架结构的位移曲线应为剪切型;框-剪结构和框-筒结构的位移曲线应为弯剪型。

3 结语

结构工程师是结构设计革命的推动者和执行者。要使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济,适应社会经济

的发展和人们生活水平的提高对建筑结构设计也提出了更高的要求。就必须打破建筑结构设计中的墨守成规,充分发挥结构工程师的创新能力。这就需要工程界和教育界进行共同的努力。除去加强计算机的应用,加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用之外,推广概念设计思想是一种有效的办法。为结构工程师和建筑师在设计中创造性地相互配合,设计出令人满意的建筑奠定基础。相信概念设计必然会成为今后结构设计的主流思想,而关于概念设计的加深研究和应用实践也必定为我们的设计水平、实际工作带来长足的发展。

参考文献:

[1]高立人,王跃.结构设计的新思路-概念设计[J]工业建筑.1999(1).

[2]包世华,方鄂华.高层建筑结构设计(第二版)[M]北京:清华大学出版社.1990.

[3]混凝土结构设计规范[M].(GB50010-2002).

[4]建筑杭震设计规范[M].(B50011-2001).