建筑结构设计思路的研究

陈亚宁

摘要：建筑结构设计是中的思路和结构分析在设计阶段非常重要，关系到整个建筑本身的稳定和质量，所以对这两方面的研究就显得十分重要，本文就设计中的荷载、侧力、内力、弯矩等进行分析，探讨了结构分析的参数等问题。

关键词：结构、设计、分析

1、结构设计思路

1.1结构设计的特点

多层和高层结构的差别主要是层数和高度。但是，多层和高层建筑结构没有实质性差别，它们都要抵抗竖向及水平荷载作用，从设计原理及设计方法而言，基本上是相同的。但是在高层建筑中，要使用更多结构材料来抵抗外荷载，特别是水平荷载，因此抗侧力结构成为本工程结构设计的主要问题，设计时要满足更多的要求，尤其自身有别于多层建筑的特殊要求和设计特点。设计过程中主要把握以下几个方面。

（1）水平荷载成为控制结构设计的主要因素。结构内力、位移与高度的关系，除轴向力与高度成正比之外，弯矩和位移随高度都呈指数曲线上升，因此，随着高度的增加，水平荷载将成为控制因素。水平力作用下结构是否优化，材料用量将有很大差别。

（2）特别是在地震区，随着层数的增加，地震作用对高层建筑危害的可能性也比对多层建筑大，高层建筑结构的抗震设计应受到加倍重视，本工程位于非地震区，无需进行地震作用计算，仍需要考虑抗震的构造措施。

（3）侧移成为控制指标。与多层建筑不同，结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而应将结构在水平荷载作用下的侧移控制在某一限度之内。

（4）轴向变形不容忽视。高层建筑中竖向荷载数值很大，使得柱产生较大的轴向变形，从而会使得连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大。轴向变形还会对预制构件的下料长度产生影响，需要根据轴向变形的计算值调整下料长度进行。另外轴向变形对构件的剪力和侧移产生影响，如不考虑构件竖向变形将会得出偏于不安全的计算结果。

1.2结构分析的基本假定

要对高层建筑结构完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。为了简化计算模型，各种实用的分析方法都做了一些基本假定。

（1）弹性假定。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。目前，工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。

（2）小变形假定。小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。一般认为，当顶点水平位移与建筑物高度的比值小于1 /500时，小变形假定基本适用。

（3）刚性楼板假定。许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法，并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是可行的。

（4）计算图形的假定。高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形有一维协同分析、二维协同分析和三维空间这三种假定。按一维协同分析时，只考虑各抗侧力构件在一个位移自由度方向上的变形协调。一维协同分析是各种手算方法采用最多的计算图形。

2结构分析的基本原则

2.1整体参数的设定

开始结构计算时，首先需要根据规范的具体规定和软件手册对参数意义的描述，以及工程的实际情况，对正确设置软件的初始参数。其中有几个关系到整体计算结果的参数，必须事先确定其合理取值，才能保证后续计算结果的正确性。这些参数包括振型的组合数、最大地震力的作用方向和结构的基本周期等。

（1）振型的组合数。在进行抗震计算时需考虑振型的数量。数量太少将使计算结果失真；数量太多，不仅浪费时间，还可能使计算结果發生畸变。《高规》规定，抗震计算时宜考虑平扭藕联计算结构的扭转效应，振型数不宜小于15。一般而言，当结构层数较多或结构层刚度突变较大时，振型数应当取得多些，如有弹性节点、多塔楼、转换层等结构形式。

（2）最大地震力的作用方向。地震沿着不同方向作用时，结构的地震反应的大小也各不相同，使得结构的地震反应值最大最不利的作用方向，即为最大地震力的作用方向。最大地震力作用方向可由设计软件自动计算输出，如该角度绝对值大于巧度，应将该数值重新输入到软件的“水平力与整体坐标夹角”选项里并重新计算，以考虑最不利地震力的作用方向的影响。

（3）结构的基本周期是计算风荷载的重要指标。如果设计人员不知道其准确值，计算时可先设为缺省值，待计算之后从计算书中读取其值，并填入软件的“结构基本周期”选项，重新进行计算。

上述的计算目的是将这些对全局有控制作用的整体参数先行计算出来，正确设置，否则其后的计算结果与实际差别很大。

2.2结构体系的合理性分析

规范特别强调了整体结构的科学性和合理性。对结构进行整体分析是为了解结构在地震作用下动力特性、判断结构的变形是否满足抗震设防要求，以及进行构件截面设计。规范中用于控制整体结构合理性的指标主要是周期比、位移比、刚度比、刚重比和剪重比等。

（1）周期比是控制结构扭转效应的重要指标。周期比是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比。限定周期比的目的是使抗侧力的构件的平面布置更有效更合理，使结构不至于出现过大的扭转。也就是说，限定周期比是使得结构承载布局合理。《高规》对周期比的限值给出了规定。如果周期比不满足规范的要求，说明该结构的扭转效应明显，设计人员应增大结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。计算软件通常不直接给出结构的周期比，需要设计人员根据计算书中周期值自行判定第一扭转和第一平动周期，然后计算得出周期比。

（2）层间位移比（位移比）是控制结构平面不规则性的重要指标。位移比为最大层间位移与平均层间位移的比值。在《建筑抗震设计规范》和《高规》中均对位移比的限值作了明确的规定。需要指出的是规范中规定的位移比限值是按刚性板假定得出的，如在结构模型中设定的是弹性板，则必须在软件参数设置时选择“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”，以计算出正确的位移比。在得出的位移比值满足要求之后，去掉“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”的选择，按弹性楼板假定进行后续配筋计算。

（3）刚度比是控制结构竖向不规则的重要指标。根据《抗震规范》和《高规》的要求，软件分别提供了地震剪力与地震层间位移比，剪切刚度和剪弯刚度的计算方法。正确认识这三种刚度比的计算方法和适用范围是刚度比计算的关键。地震剪力与地震层间位移比可用于判断地下室顶板能否作为上部结构的嵌固端。剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定。剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构。

[1]过镇海著.钢筋混凝土原理[M]，北京：：清华大学出版社，1999

[2]汝清，董明.结构计算程序设计[M]，重庆：重庆出版社，1988

[3]津大学，混凝土结构[M]，北京：中国建筑工业出版社，1997