余益賢

【摘 要】隨著我國建筑行業(yè)的大力發(fā)展，建筑質(zhì)量受到越來越多的關(guān)注。針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見的問題進(jìn)行研究分析，并結(jié)合相關(guān)實(shí)例進(jìn)一步說明建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相關(guān)問題的解決措施，以期對(duì)讀者有所幫助。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)換層

1.常見問題分析

1.1地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行地基設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)注意建筑基礎(chǔ)和建筑主體的作用，采取有效的措施加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，提高建筑物對(duì)地基變形的適應(yīng)能力。由于我國占地面積廣，地質(zhì)條件復(fù)雜，所以在進(jìn)行地基設(shè)計(jì)時(shí)一定要參考地方性規(guī)范的內(nèi)容，以避免設(shè)計(jì)不當(dāng)造成整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或后期設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行。同時(shí)，在設(shè)計(jì)中需要注意的是地基承載力的計(jì)算，對(duì)于水平荷載較大或者地形有坡度的建筑，地基處理之后需要進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。并在地基處理之后，在施工期間需要對(duì)建筑物地基變形進(jìn)行觀測，以確定地基加固效果和后期維護(hù)的數(shù)據(jù)依據(jù)。其中復(fù)合地基處理之后其承載力特征值需要進(jìn)行試驗(yàn)確定，以保證地基的承載效果。建筑基礎(chǔ)作為地基與建筑主體的連接部分，主要作用是將建筑物的荷載傳遞到基礎(chǔ)。一般情況下，建筑基礎(chǔ)的處理方法有剛性條形基礎(chǔ)、單獨(dú)樁基、十字交叉梁條形基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)以及箱型基礎(chǔ)。其中在進(jìn)行建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)工程的水文地質(zhì)條件、功能要求、建筑體型以及荷載大小分布狀況等選擇合理經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式。

在樁基設(shè)計(jì)時(shí)需要注意樁的布置，力求使各樁頂部受到均勻荷載，并且在縱橫墻交叉處需要布置樁，對(duì)于橫墻較多的建筑結(jié)構(gòu)則可以在橫墻兩側(cè)的縱墻上布置樁，需要特別注意的是在門洞口下面不宜布樁；對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)，在布樁的時(shí)候需要考慮剪力墻兩端應(yīng)力集中的問題，且在剪力墻中和軸附近的樁可以按受力情況均勻布置。對(duì)于粘性土、粉土等土質(zhì)，樁端進(jìn)入持力層的深度不宜小于樁徑的2倍，砂土以及強(qiáng)風(fēng)化軟巖質(zhì)的土，其深度不宜小于樁徑的1.5倍，而對(duì)于碎石土等其深度適宜大于樁徑且不宜小于0.5m。當(dāng)建筑場地有液化土層時(shí)，樁身應(yīng)該穿過液化土層進(jìn)入其以下的穩(wěn)定土層，對(duì)于碎石土、堅(jiān)硬粘性土和密實(shí)粉土，進(jìn)入深度需要大于等于 0.5m，對(duì)于其他非巖石土需要大于1.5m。

1.2剪力墻設(shè)計(jì)

在進(jìn)行剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的事項(xiàng)如下。

1.2.1剪力墻布置

剪力墻布置時(shí)需要注意盡量使整個(gè)建筑物的剛心和質(zhì)心趨于重合。常見的問題以及解決辦法如表1。

表 1 常見的問題以及解決辦法

1.2.2剪力墻配筋

在進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求水平鋼筋放在墻體外側(cè)而豎向鋼筋放在墻體內(nèi)側(cè)，且滿足規(guī)范建議的最小配筋率。

注：墻高厚比≤8時(shí)，為短墻，墻高厚比>8為普通強(qiáng)。

根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，建議配筋數(shù)據(jù)為：加強(qiáng)區(qū)Φ10@200，非加強(qiáng) 區(qū)Φ8@200雙層雙向即可 ， 雙排鋼筋之間采用Φ6@600×600拉筋。對(duì)于地下部分的墻體則需要另外考慮，根據(jù)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，迎水面保護(hù)層應(yīng)大于50mm，且在保護(hù)層內(nèi)增設(shè)雙向鋼筋網(wǎng)片。

1.2.3剪力墻構(gòu)造

按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，剪力墻應(yīng)該設(shè)置邊緣構(gòu)件，對(duì)于抗震等級(jí)為一、二級(jí)的建筑，剪力墻底部加強(qiáng)部位以及其上一層的墻肢端部應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；其余剪力墻應(yīng)設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。在剪力墻配筋計(jì)算中對(duì)于普通剪力墻來說，其暗柱配筋滿足規(guī)范要求的最小配筋率，建議加強(qiáng)部位0.7%，一般部位 0.5%；對(duì)于短肢剪力墻，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 其配筋率加強(qiáng)區(qū) 1.2%，一般部位1.0%；對(duì)于受力性能較差的小墻肢，適宜按照框架柱進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，并控制其縱向鋼筋配筋率，建議加強(qiáng)部位1.2%，一般部位 1.0%。

1.3結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析研究

在建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析的時(shí)候，需要結(jié)構(gòu)工程師注意以下問題：首先，如何選擇合適的計(jì)算軟件。目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較常用的計(jì)算軟件有 SATWE、TAT、TBSA、ETABS、SAP等，對(duì)于不同的計(jì)算軟件其計(jì)算結(jié)果具有一定的差異，這就需要結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況判斷適用的計(jì)算軟件計(jì)算可參考數(shù)據(jù)，保證結(jié)構(gòu)的合理以及安全性。其次，多塔之間振興參與系數(shù)計(jì)算。在分析計(jì)算該類建筑時(shí)，按照建筑塔樓之間的剛度差等不同情況將建筑作為整體計(jì)算或者分開計(jì)算，以保證計(jì)算結(jié)果能準(zhǔn)確顯示結(jié)構(gòu)狀況。最后，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與計(jì)算。在建筑中往往會(huì)出現(xiàn)一些為了建筑美觀或者滿足功能要求的并不承重的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在計(jì)算時(shí)組要充分考慮地震以及風(fēng)力等不確定因素的影響，嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

1.4高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層作為將建筑上部樓層結(jié)構(gòu)的類型和布置轉(zhuǎn)換為下部樓層結(jié)構(gòu)類型和布置的水平結(jié)構(gòu)，主要的結(jié)構(gòu)形式一般有梁式轉(zhuǎn)換層、厚板式轉(zhuǎn)換層、桁架轉(zhuǎn)換層、箱型轉(zhuǎn)換層以及懸掛結(jié)構(gòu)等。在建筑設(shè)計(jì)過程中，如何選擇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換體系，必須結(jié)合建筑各方面具體情況，保證結(jié)構(gòu)的安全與經(jīng)濟(jì)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要注意如下方面。

1.4.1梁式轉(zhuǎn)換層

梁式轉(zhuǎn)換層對(duì)于開洞有著一定的限制，其開洞位置適宜設(shè)置在梁中部或者軸附近。轉(zhuǎn)換層大梁的截面尺寸一般由剪壓比計(jì)算確定，公式為：（μV=Vmax/fcbh0），且其截面高度在抗震設(shè)計(jì)時(shí)必須小于計(jì)算跨度的1/6，在非抗震設(shè)計(jì)中需要小于計(jì)算跨度的1/8。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)縱橫向都需要轉(zhuǎn)換時(shí)，還可以采取雙向梁布置的轉(zhuǎn)換方式來滿足要求。

1.4.2桁架轉(zhuǎn)換層

桁架轉(zhuǎn)換層形式的受力機(jī)理比較復(fù)雜，力學(xué)計(jì)算比較困難，同時(shí)在抗震設(shè)計(jì)上也存在著很多問題。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要注意當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較高時(shí)，位于轉(zhuǎn)換層附近的樓層之間側(cè)移會(huì)隨之變化，并影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力，使得轉(zhuǎn)換層附近的樓層成為結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)換層位置較低時(shí)，容易受到地震的影響，需要考慮桁架轉(zhuǎn)換層豎向抗震設(shè)計(jì)。

1.4.3箱型轉(zhuǎn)換層

箱型轉(zhuǎn)換層較少用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其平面內(nèi)剛度性能處于梁式轉(zhuǎn)換層和厚板轉(zhuǎn)換層之間，一般由單向或者雙向托梁連同其上下較厚的樓板組成箱型結(jié)構(gòu)，且上下樓板厚度不宜小于180mm。

2.實(shí)例列舉

2.1日本 I.B.M 大樓

I.B.大樓共有41層，建筑高度達(dá)156.3m，轉(zhuǎn)換層大梁主要支撐 24～41層的全部結(jié)構(gòu)，總荷載有10707t，轉(zhuǎn)換層大梁跨度有41.7m。且建筑東側(cè)立面有一個(gè)巨大的矩形孔洞從18 層直接延伸到24層。在設(shè)計(jì)時(shí)為了盡量簡短應(yīng)力狀態(tài)，選擇以簡支的方式連接芯筒與大梁。大梁預(yù)應(yīng)力的施加分為兩次進(jìn)行，保證大梁在全荷載作用下跨中撓度接近于零。選用兩端矩形過渡到中部為工字型的截面形狀，滿足跨度和荷載要求。

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)體系中鋼結(jié)構(gòu)大梁的主要特征數(shù)據(jù)如表2。

表 2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)體系中鋼結(jié)構(gòu)大梁的主要特征數(shù)據(jù)

2.2理論聯(lián)系實(shí)際—轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)體系的選擇

由此實(shí)例可以看出，由于建筑跨度和荷載的要求，在選擇轉(zhuǎn)換層體系上就會(huì)有不同的側(cè)重點(diǎn)。高層建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換體系設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素有豎向撓度、豎向荷載、層剛度比以及層間側(cè)移等。由于此大樓的跨度比較大，所以采用預(yù)應(yīng)力混凝土大梁并以簡支的方式連接支座以解決應(yīng)力復(fù)雜的問題。

3.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念分析

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有很多設(shè)計(jì)理念作為設(shè)計(jì)依據(jù)，本文就建筑抗震理念進(jìn)行分析。由于地震具有不確定性、隨機(jī)性，因此并不能準(zhǔn)確預(yù)測建筑物遭受地震的參數(shù)和特性。分析建筑在地震過程中的相互作用，在結(jié)構(gòu)分析方面需要充分考慮建筑的空間作用、阻尼變化、材料時(shí)效以及非彈性性質(zhì)等因素，在設(shè)計(jì)時(shí)，既注意總體布置上的大原則，又顧及到關(guān)鍵部位的細(xì)節(jié)構(gòu)造，從根本上提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。因此，提出強(qiáng)柱弱梁的概念。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要嚴(yán)格控制柱軸壓比，在任何情況均不宜超過 0.9%。建議布置全柱加密箍筋，且配筋率不宜小于1%的加強(qiáng)角柱；框架柱柱筋品種不宜過多，且對(duì)于矩形截面柱，應(yīng)盡力對(duì)稱配筋，以保證在地震作用下形成梁鉸機(jī)制，防止柱比梁先破壞。保證建筑小震不壞，中震可修，大震不倒。

4.結(jié)語

隨著建筑行業(yè)的大力發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)由于建筑功能的需求也發(fā)生各種改變，在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往需要某幾種建筑材料混合才能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析階段，應(yīng)該盡量按照規(guī)范要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析以及結(jié)構(gòu)計(jì)算，保證工程設(shè)計(jì)質(zhì)量。不管是框架結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)還是框剪結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候都要保證結(jié)構(gòu)有足夠的剛度、抗震性。

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