郭培成

[摘? 要]：《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》是一門理論專業(yè)性和實踐性較強的課程。文章通過采用靈活多樣的理論教學(xué)方式，將其與實踐環(huán)節(jié)結(jié)合，不僅有效地提高了學(xué)生對理論知識重難點的理解，同時也激發(fā)了他們思考問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決實際問題的興趣和能力。

[關(guān)鍵詞]：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計; 理論;實踐

G642.0A

1 土木工程專業(yè)課程設(shè)置的背景條件

20世紀(jì)90年代，隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展、國內(nèi)經(jīng)濟勢力綜合提高、城市土地緊缺，在北京、上海、廣州、深圳、南京、杭州等大城市中，高層建筑數(shù)量越來越多。結(jié)合社會發(fā)展需求和專業(yè)特色，掌握《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》這門課程的知識越來越重要，因此本課程是我院土木工程專業(yè)十分重要的專業(yè)課程之一。土木工程專業(yè)主要包括幾個大方面：構(gòu)件基本原理設(shè)計與計算分析、荷載計算分析、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、試驗環(huán)節(jié)、施工與預(yù)算、基礎(chǔ)工程、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等?！陡邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計》屬于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)部分，與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》《建筑抗震設(shè)計》《基礎(chǔ)工程》《結(jié)構(gòu)力學(xué)》《荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》《施工組織與管理》等專業(yè)課同等重要，屬于實踐應(yīng)用緊密結(jié)合的課程。該課程對學(xué)生的專業(yè)知識能力的提升至關(guān)重要，也是土木工程專業(yè)課程中較難理解的一門課。一般在第6學(xué)期開設(shè)，其研究對象主要是土木工程專業(yè)的學(xué)生，采用以理論為主、實踐為輔相結(jié)合的教學(xué)方式開展。該課程注重概念清晰、計算分析能力、與相關(guān)軟件緊密聯(lián)系。

2 《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程設(shè)置的作用

課程預(yù)期素質(zhì)獲得：具備嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度和開拓進取的精神;具備科學(xué)思維的方式和方法;具備良好的職業(yè)道德和職業(yè)精神。

預(yù)期能力獲得：具備綜合運用各種手段查詢資料、獲取信息、擴展知識領(lǐng)域和繼續(xù)學(xué)習(xí)的能力;具備熟練的計算、分析和實驗?zāi)芰?具有綜合運用知識進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力。

預(yù)期知識獲得：掌握高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和設(shè)計方法;掌握框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)單元的內(nèi)力和位移計算分析;熟悉結(jié)構(gòu)施工圖中不同構(gòu)件的功能和構(gòu)造要求。

基本要求：掌握基本力學(xué)知識;掌握高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本理論、基本方法以及計算能力，同時加強學(xué)生對現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程的理解與應(yīng)用。

3 《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程所涉及的內(nèi)容

本科階段教學(xué)中，《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程的主要教學(xué)內(nèi)容包括： 高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展、高層建筑結(jié)構(gòu)的體系與布置、風(fēng)荷載和地震作用的計算、結(jié)構(gòu)不規(guī)則類型判斷、最不利內(nèi)力工況的確定、抗震等級的確定和分析;框架結(jié)構(gòu)、剪力墻和框架─剪力墻結(jié)構(gòu)體系中不同構(gòu)件的內(nèi)力和位移計算;框架柱、框架梁、連梁、剪力墻的構(gòu)件設(shè)計;筒體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和設(shè)計要點、減震隔震結(jié)構(gòu)介紹。

在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計環(huán)節(jié)中，包括力學(xué)計算分析、風(fēng)和地震計算、相關(guān)設(shè)計規(guī)范分析、各種建筑結(jié)構(gòu)施工圖講解分析。知識點涉及面廣、綜合性強、理論與實踐相結(jié)合等特點，對教師、學(xué)生來說都是比較難的一門課程。畢業(yè)后可以進入設(shè)計院從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工技術(shù)管理、工程造價、工程管理方面等相關(guān)工作。該課程的教學(xué)工作可以使學(xué)生掌握高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的流程、原理、設(shè)計方法，對學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)、以后從事的相關(guān)設(shè)計工作，都具有十分重要的意義。《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》在教學(xué)過程中一定要緊密聯(lián)系工程實例，這里的工程實例包括一些典型的高層建筑結(jié)構(gòu)實例，也包括新聞媒體中報道的與高層建筑有關(guān)的事件。還有在每年的生產(chǎn)實習(xí)環(huán)節(jié)，我們有針對性地安排學(xué)生到高層建筑結(jié)構(gòu)的施工現(xiàn)場，增加學(xué)生對高層建筑結(jié)構(gòu)的感性認(rèn)識，積累經(jīng)驗。

4 手算與軟件分析的有效結(jié)合

在進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于層數(shù)多、構(gòu)件多、荷載類型多、不同的工況組合較多等原因?qū)е掠嬎愎ぷ髁看?。通過手算完成已經(jīng)不符合現(xiàn)在的發(fā)展（手算僅僅適合于處理層數(shù)較低，平面、立面規(guī)則簡單的結(jié)構(gòu)，在實際中大多按照平面結(jié)構(gòu)處理來代替三維空間結(jié)構(gòu)，誤差較大，不滿足工程的要求），手算有助于提高學(xué)生對知識點的鞏固和加深，尤其在處理基本構(gòu)件和簡單荷載，不要太依賴軟件。對于三維整體分析這種條件下，應(yīng)采用計算機輔助設(shè)計完成，這已經(jīng)成為一種無法代替的趨勢。但手算具有讓學(xué)生更好地進行知識點梳理、對概念設(shè)計更加清晰、使他們更好的掌握基礎(chǔ)知識點，所以手算的作用絕不能忽略。目前在工程實際中，常用的三維結(jié)構(gòu)計算軟件：PKPM系列、盈建科系列、TUS2002 、ETABS 、PMSAP、有限元ANSYS、BIM等。這些軟件與規(guī)范緊密聯(lián)系，也被大眾所接受，尤其是PKPM、盈建科這2種軟件，應(yīng)用范圍最廣，不僅用在多、高層建筑設(shè)計中，在超高層也得到了普遍使用。手算是用來掌握基本知識，軟件是用來實現(xiàn)高層設(shè)計的助手。為了更好地理解知識點，將高層設(shè)計的幾個難理解的知識點依次進行分析。

4.1 結(jié)構(gòu)高度與內(nèi)力、位移的關(guān)系

高層建筑設(shè)計過程中，所受外力的方向大致分為豎向、水平2類。它不同于多層建筑受力特征（水平和豎向所起的作用差別不明顯）[1]。在高層建筑設(shè)計中，水平力相對豎向力引起的內(nèi)力與位移更大，尤其是水平位移。在水平線荷載作用下，將建筑物視為懸臂結(jié)構(gòu)，通過力學(xué)分析得出結(jié)論，結(jié)構(gòu)頂點位移的大小與結(jié)構(gòu)高度的四次方近似成正比例關(guān)系、 結(jié)構(gòu)底部彎矩與結(jié)構(gòu)高度的二次方近似成正比例關(guān)系[2]，所以在高層設(shè)計過程中，位移的控制較內(nèi)力更加復(fù)雜，而引起水平位移的主要因素就是水平風(fēng)荷載或水平地震作用，豎向荷載引起的側(cè)位移相對較小。豎向力主要引起構(gòu)件的壓力，對水平方向的位移影響相對較小。

4.2 剪力墻結(jié)構(gòu)與短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的判斷

這部分知識點在高層設(shè)計過程中屬于難點，剪力墻又稱為普通剪力墻或長肢剪力墻，是指墻肢的肢長與肢厚之比不小于8[3]，反之稱為短肢剪力墻，這是依據(jù)截面尺寸進行構(gòu)件類別的劃分。剪力墻結(jié)構(gòu)又稱為普通剪力墻結(jié)構(gòu)，是指在地震作用下，剪力墻底部承擔(dān)的傾覆力矩大于總傾覆力矩70%以上，反之則為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。通過分析要清楚一點，那就是在剪力墻結(jié)構(gòu)、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中會同時有剪力墻、短肢剪力墻2種構(gòu)件出現(xiàn)[4]。一般在設(shè)計過程中，由于短肢剪力墻延性、耗能較剪力墻差，因此在選擇結(jié)構(gòu)體系中優(yōu)先考慮剪力墻結(jié)構(gòu)，同時允許出現(xiàn)一定數(shù)量的短肢剪力墻，通過底部傾覆力矩所占的比例來控制其合理的數(shù)量和位置。在高層快速發(fā)展的今天，剪力墻結(jié)構(gòu)的使用更加突出，所以在講解知識點的過程中，對這方面的內(nèi)容更加重視，在結(jié)構(gòu)方案布置、結(jié)構(gòu)概念理解、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的問題如何進行解決，這些都需要從專業(yè)角度應(yīng)用相關(guān)知識對其分析。

4.3 不規(guī)則結(jié)構(gòu)的判斷以及如何調(diào)整為規(guī)則結(jié)構(gòu)

平面不規(guī)則包括扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù);立面不規(guī)則包括側(cè)向剛度不規(guī)則、樓層受剪承載力突變、豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則不論位移比還是周期比不滿足，均可通過加強建筑物外邊的短邊方向剛度來改善，或弱化內(nèi)部剛度;凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)通過前期建筑方案設(shè)計來控制。側(cè)剛度不規(guī)則通過加強本層或減小相鄰上層剛度來修改;樓層受剪承載力突變過加強本層或減小相鄰上層截面尺寸來修改;豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)是由于建筑功能導(dǎo)致的，無法修改為規(guī)則結(jié)構(gòu)，為了保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)化層下部的剛度和強度或減少轉(zhuǎn)換層層數(shù)。加強學(xué)生對規(guī)范的理解，并且對于不規(guī)則結(jié)構(gòu)如何有效地進行處理，并不是盲目加大截面或剛度。

4.4 框架梁強剪弱彎的理解和分析

強剪弱彎是指梁、柱的實際受剪承載力分別大于其彎矩對應(yīng)的剪力。原因是受彎構(gòu)件的延性和耗能遠高于受剪構(gòu)件。剪力狀態(tài)下構(gòu)件的變形能力較小，在地震作用下容易提前破壞。為此通過改善剪力的作用效應(yīng)，從而提高其延性和耗能。

Vb=ηVbMlb+Mrbln+VGb

Mlb+Mrb為分別為梁左、右端逆時針或順時針方向正截面組合的彎矩設(shè)計值;ln梁的凈跨;VGb在重力荷載代表值作用下，按簡支梁分析的梁端截面剪力設(shè)計值;ηVb的剪力增大系數(shù)。Mlb+Mrb通過水平地震作用下求得，注意地震方向正反有兩個;VGb按照求得，先解決梁上重力荷載代表值（線荷載），然后依據(jù)公式求得：

Vab=12qln

抗震等級不同，最終求得梁端組合的剪力設(shè)計值大小不同，抗震等級越高，其值越大，延性和耗能改善的越好。對于框架結(jié)構(gòu)，新規(guī)范將其分為特一級、一級、二級、三級、四級，等級依次降低[5]。通過具體工程進行操作演示，結(jié)合理論專業(yè)知識、計算結(jié)果分析、平法施工圖等，讓學(xué)生了解相關(guān)的計算原理，加深對專業(yè)知識的理解和應(yīng)用?！陡邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計》基本概念較多，多數(shù)知識點較抽象，需要通過對每個參數(shù)進行詳細講解與分析后，學(xué)生才會清楚地如何應(yīng)用。公式中涉及到較多調(diào)整系數(shù)、增大系數(shù)，這些都需要對基本概念特別清晰后，才會游刃有余地使用。一旦某個概念模糊，系數(shù)沒有增大或調(diào)整，這樣會導(dǎo)致整個計算結(jié)果錯誤，因此清楚概念是基本，不要一味地依賴軟件。

5 結(jié)束語

（1）《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程理論緊密結(jié)合實踐，結(jié)合規(guī)范更好地掌握知識點，適當(dāng)加強手算的能力，手算與軟件相結(jié)合，更有效地掌握知識點。

（2）《高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計》課程從教學(xué)內(nèi)容的合理安排、教學(xué)方式不斷創(chuàng)新，目的是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、分析能力、應(yīng)用能力的綜合提升。

（3）對框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系受力與變形特征應(yīng)掌握，對筒體結(jié)構(gòu)也應(yīng)多關(guān)注，未來超高層結(jié)構(gòu)體系不斷涌現(xiàn)，大家要重視規(guī)范和實際案例，這樣對于我們及時掌握新的知識幫助很大。

參考文獻

[1] 中華人民社共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程： JGJ3-2010[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版.

[2] 戴亞鵬.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中剪力墻結(jié)構(gòu)的要點分析[J].山西建筑，2015（4）：36-37.

[3] 郭猛，姚謙峰，馬衡，等.平面中部帶剪力墻核心筒高層建筑結(jié)構(gòu)體系判定[J].水利與建筑工程學(xué)報，2008，6（3）：41-43.

[4] 趙錦華.高層建筑短股剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究[J].門窗，2015，（2）： 63-64

[5] 中華人民社共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 建筑抗震設(shè)計規(guī)范： GB50011—2010[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版.