关于建筑工程结构设计优化的分析

罗洁

【摘 要】结构设计是一项号业性极强而又责仟极大的工作。安全、经济、适用、美观、便于施工是进行结构设计的原则。但在实际的设计工作中，常常因为各种原冈，对规范理解或是方法运用上出现差错。作为结构设训计人员，应加强对规范和理论的学习和了解，充分掌握规范内容，加强对错误的辨别能力，使结构设计更加合理和优化。

【关键词】建筑结构；结构设计；方案优化；常见问题分析

Analysis on Structural Design Optimization of Construction Engineering

Luo Jie

（Shenzhen City International Building Design Co.， Ltd. Xi'an Branch Xi'an Shaanxi 710000）

【Abstract】Structural design is a very strong job and a great job. Safe， economical， applicable， beautiful， easy construction is the principle of structural design. But in the actual design work， often because of the various kinds of original， the normative understanding or the use of methods on the error. As a structure， it is necessary to strengthen the study and understanding of norms and theories， to fully grasp the contents of the norm， to strengthen the ability to distinguish the wrong， so that the structural design is more reasonable and optimized.

【Key words】Building structure；Structural design；Program optimization；Common problem analysis

1. 建筑专业与结构专业的协调

（1）建筑设计与结构设计是两个最重要的环节。建筑专业是龙头专业，结构设计一股在其后进行。二者存在互相协调、互相制约的关系。随着设计理念的不断进步，越来越多大型、新型的建筑物出现在人们的眼前。这对工程师提出了更高的要求，不仅要求做出一项好的结构设计，而且有必要在方案设计阶段介入，及时发现问题，提出合理的建议。在建筑设计中，少数建筑师总要求结构必须绝对服从建筑，片面追求新、奇、特。往住忽视基本的力学规律，导致结构体系不稳定、不安全。所以在建筑方案设计阶段，结构工程师应及时介入，运用自身的专业技术水平与建筑师沟通、配合，相互协调，才能避免做出不合理的设计。

（2）建筑方案设计往往侧重于平面功能、立面造型而忽略概念设计。如在住宅设计中，建筑师根据户型的布置确定柱网，经常造成柱网极不规则，框架不能拉通，甚至有些工程没有一榀框架拉通，抗震性能极差。高层建筑丰要以水平荷载为主，要求体型简单规则，所以结构体系的选型和布置要最有利于抗震和抗风要求，同时结构构件还要满足刚度和强度要求，这样便于建筑设计形成一定的约束和限制。如高层建筑中，将楼梯、电梯井置于建筑物端角部，造成质心与荷载中心偏离太大，容易产生扭转效应，造成结构裂缝和局部破坏，这些都要求结构工程师及时提出合理化建议，优化方案。

2. 结构专业常见问题分析

2.1 概念设计。

（1）概念设计是结构设计人员运用所掌握的知识和经验，从宏观上决定结构设计中的基本问题，它贯穿于整个设计过程中。在高层建筑中，抗风、抗震是设计的重要环节，结构体系的选择直接关系到平面布置、立面造型，施工工期和工程造价。结构工程师必须概念清楚，定性准确，能很快地比较和选择出最佳结构方案，乃至估算出构件的初步尺寸，对后续的设计工作打下良好的基础。

（2）对钢筋混凝土结构应做到平面简单、规则，刚度和承载力分布均匀，严禁采用严重不规则的平面布置。避免采用削弱楼面刚度的平面（比如楼层大开洞、外伸翼块太长、块体之间成“缩颈”连接。凹槽缺口太深等）；其次要从结构布置和配筋构造上给予保证，对于使用功能确实必要的，或者建筑效果十分优越的建筑设计，如果其平面无法完全符合刚性楼板的假定，那么在结构设计时可以通过增设连系梁（板）、洞口边加设暗梁边梁、提高连系梁（板）或暗梁边梁的配筋量、采用斜向配筋或双层配筋形式等方法，尽量满足刚性楼板的基本假设。对复杂结构可以设置防震缝把它分割成各自规则的独立结构单元。结构设计应有多道防线，避免采用单跨框架。抗侧力结构应双向布置以便各自承担来自平行于该抗侧力结构平面方向的地震力，且两个抗侧力构件刚度应相匹配。框剪体系的各抗侧力结构，要形成空间协同工作状态。除了控制抗震墙之间，楼、屋盖的长宽比及保证抗震墙体本身的刚度外，还需采取措施，保证楼、屋盖的整体性及其与抗震墙的可靠连接。

2.2 模型假定。

在结构设计中，应根据结构的实际情况确定，所选的结构模型应能较准地反映结构中各构件的实际受力情况。结构计算中，计算简图选取的正确与否，直接影响到计算结果的准确性。在设计中必须认真对待每一个步骤，但有时会出现图省事随意简化设计的情况，计算假定与实际结构不符。其中比较典型的是基础拉梁的处理。一般情况下，基础拉梁设置在基础高度范围内，作为基础的一部分，此时结构的底层计算高度应取基础顶面至一层楼板顶面的高度。基础拉梁仅考虑承担上部墙体荷载，构造满足普通梁的要求即可。当按规范要求需设置基础拉梁时，其断面和配筋可按构造设计，截面高度取柱中心距的l/12～l/18，纵向受力钢筋取所连接的柱子的最大轴力设计值的10%作为拉力来计算。但是，当基础埋深过大时，为了减少底层的计算高度和底层的位移，设计者往往在±0.000以下的某个适当位置设置基础拉梁。此时，基础拉梁应作为一层输入，底层计算高度取基础顼面至基础拉梁项面的高度，二层计算高度应取基础拉梁顶面至一层楼板顶面的高度。拉梁层无楼板，应开洞处理，并采用总刚分析方法进行计算。基础拉梁截面及配筋按实际计算结果采用。若因此造成底层框架柱形成短柱，应采取构造措施予以加强。如某办公楼，五层框架结构，首层层高3.9m，以上各层3.3m，设计采用独立基础。基础埋深4.0m，在.0.050处设构造拉梁。如果計算时底层柱计算长度按照底层层高取3.9m，认为框架柱嵌固在拉梁顶面。按照五层框架进行设计，这是不妥的。因为按照构造设计的拉梁线刚度太小，无法平衡柱脚弯矩，不能作为框架柱的嵌固端。这样显然与设计假定不符，合理做法是将基础至拉梁范围设为一层，按照地下室输入计算，同时计入底层墙体荷载，拉梁按照框架梁的要求进行设计，基础至拉梁范围的短柱应加强。endprint

2.3 程序计算中的问题。

目前的结构设计均采用结构分析软件计算。一个工程需输入大量的计算数据，出错的机会很多，如果输入数据有问题，不管计算结果有多正确，配筋多合理部是无用功。所以，设计人员必须判断结果的正误后，才能将结果用于工程设计中。计算参数的选择，要根据工程的具体情况确定。计算结果应从合理性、对称性、渐变性来判断。设计较为合理的结构，一般不应有太多超限截面，柱墙基本为构造配筋，梁基本不超筋，剪力墙符合截面抗剪要求。对称结构在对称荷载作用下，其对称点的计算结果应相同，如有反常应检查输入数据的正确性。竖向刚度均匀的结构，其内力、位移等计算结果也应均匀变化，不应有太大变化。

2.4 构件设计中的问题。

高层建筑基础的整体性、基础与上部结构的可靠连接是结构整体性的重要保证。高层建筑中，楼盖对于上部结构的整体性起到非常重要的作用。楼盖结构应能提供足够的面内刚度和抗力，并与竖向于结构有效连接。楼盖作为水平隔板，不仅聚集和传递地震力到各个竖向抗侧力子结构，而且能使这些子结构协同承受地震作用，特别是当竖向抗侧力子结构的布置不均匀，布置复杂或各抗侧力子结构水平变形特征不同时，整个结构就要依靠楼盖来使各抗侧力子结构协同工作。在设计中不能认为，在多遇地震作用计算中考虑了楼盖平面内弹性变形影响后，就可以削弱楼盖体系。对空旷结构、平面狭长或平面不规则结构，楼盖开大洞口结构更应该特别注意。

2.4.1 基础设计：应充分考虑场地地质情况，上部结构类型、施工条件和相邻建筑物的关系，不是仅凭地基承载力来确定。另外，变形控制必须引起重视，地基变形的差异（不均匀沉降）对结构设计尤为重要，它是导致上部结构开裂的重要原因。对于体型复杂，荷载差异大的高层建筑主楼与裙房不设缝时，应通过沉降计算，采用不同的基础型式和构造措施来调节沉降差使其满足要求。

2.4.2 框架设计：“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点强锚固”的设计原则应贯穿整个框架设计的始终。框架柱截面高度不能设计过小，特别是大跨度结构，框架柱线刚度须大于梁线刚度的1.1倍。对于高层建筑，框架柱最小截面不小于350×400mm，且必须满足水平锚固的要求。框架柱配筋在整个主体结构中所占的比重相对较小，而又是特别重要的构件，配筋宜在电算结果的基础上适当放大，角柱放大1.5倍，边柱放大1.3倍，中柱放大1.1倍，其纵筋最小配筋率宣比规范提高0.2%，且纵向钢筋最小直径≥16mm。箍筋宜采用符合抗震性能的HRB335或HRB400级钢筋。框架柱为短柱，箍筋应全长加密。《混凝土结构设计规范》规定，剪跨比λ≤2框架柱应沿柱全长加密箍筋且箍筋间距不应大于100mm，楼梯间周围的框架柱一般为短柱，还有错层房间周围也有可能出现短柱，对这些部位的框架柱应该引起注意。

2.4.3 框架梁是框架结构在地震作用下的主要耗能构件，必须保证足够的延性，过去规定主梁截面取计算跨度的1/8～1/12，梁高对层高的影响较大。《高规》6.3.1条规定：框架梁主梁截面可按1/10～1/18确定，而采用扁宽梁可取至计算跨度的1/15～1/18，但应验算挠度和裂缝。在截面取值合理的情况下，可降低层高，带来更好的经济效益。梁配筋级差不应太大，以不超过两级为宜。二级次梁的上部负筋不能太大，以免对其承受的主梁产生过大的扭矩而引起开裂。对于屋面边梁，由于其上女儿墙或挑檐引起 的扭矩，应按弯剪扭构件计算，这类梁应加强配筋（箍筋加密，设置抗扭腰筋）。

（1）楼梯：汶川大地震表明，楼梯是重要的逃生通道。在楼梯的设计中要提高其安全储备。小柱抬梁架设梯板是最为常见的楼梯做法，平台小柱是关键支承点，其截面和配筋不能过小，至少取200x350，否则极容易由于施工原因引起钢筋偏位。小柱下支承梁内应设吊筋和加密箍筋。楼梯间的填充墙应与框架梁柱牢固拉接，以免震害发生时，墙体坠落压垮楼板。

（2）装饰构件：建筑物的装饰线条、挑檐板、女儿墙、屋顶框架与主体结构的连接应可靠。对于幕墙、金属栏杆应在梁、柱内做好预埋件的埋设，不得采用不安全的方法后期固定，以免带来隐患。屋面挑檐结构设计时要考虑满水时的荷载，受力钢筋在边粱内的锚固要重视，屋面女儿墙较高时不得采用砌体结构，应采用钢筋混凝土墙，必要时还要加设附壁柱。

（3）由于建筑的需要，有时需要框架梁外挑，且梁下设置钢筋混凝土柱。在柱的内力和配筋计算中，有些设计人员对其受力概念不清，误认为此柱为构造柱，并且其配筋为构造配筋，悬臂梁也未按计算配筋，这样有可能导致水平荷载作用下承载力不足，为事故的发生埋下隐患。实际上，在结构的整体计算中，此柱为偏心受压构件，柱与梁端交接处类似于框架梁、柱节点，应考虑悬臂梁梁端的协调变形。所以对于此柱应作为竖向构件参与结构的整体分析，并且柱与梁端交接处应按框架梁、柱的节点处理。

（4）柱截面尺寸：柱的平均剪应力太大，會使柱产生脆性的剪切破坏。平均压应力或轴压比太大会使柱产生混凝土压碎破坏。

2.4.4 为了使柱有足够的延性；柱截面尺寸应符合以下要求：柱截面的长边应小于柱净高的l/4，且柱截面的宽度不宜小于300 mm；当剪压比保持较低时。可获得较好的延性，为此柱端截面的平均剪应力一般宜小于3N/mm2。

（1）柱纵向钢筋的配置：柱中纵向钢筋宜对称配筋；为了保证柱有足够的延性，柱的最小配筋率必须满足《抗震规范》要求；纵向钢筋的接头，一级框架应采用焊接接头；二级宜采用焊接接头，而底层柱根应焊接：三级可采用搭接，而底层柱根宜焊接；直径大于25mm的钢筋必须采用焊接。在纵向钢筋连接区段内宜加密箍筋，防止纵向钢筋的压曲，增加粘结强度。

（2）柱的箍筋：在地震力的反复作用下。柱端钢筋保护层往往首先碎落，这时，如无足够的箍筋约束，纵筋就会向外膨曲，柱端破坏。箍筋对柱的核心混凝土起着有效的约束作用，提高配箍率可以显著提高受压混凝土的极限压应变，从而有效增加柱的延性。因此设计人员应遵照《抗震规范》对框架柱的箍筋构造要求。

3. 结语

在结构设计中还存在许多稍不注意就出现失误的问题，作为结构设计人员，应加强对规范和理论的学习和了解，充分掌握规范内容，加强对错误的辨别能力，使结构设计工作中更加合理和安全。endprint