1、1探讨建筑结构设计中的新思路分析摘要：结构语言建筑结构师从专业图纸以及建筑结构中提炼结构，通过这些结构元素可以构成对应的构筑物以及建筑物结构体系，主要包括水平和竖向承重、抗力体系。建筑结构设计则是在结构语言的基础上，对建筑师或者工程师所需表达的思想或者设计理念进行具体展现。本文结合我国建筑结构设计，对建筑结构设计内容、方法、布置流程以及发展进行了简要的探究和阐述。 关键字：建筑结构；设计方法；框架结构；思路 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 从进入二十一世纪以来，我国建筑结构设计取得了良好成果，结构语言从以往提炼的结构元素中，逐步向墙、基础、柱、板、梁、大样细部以及楼梯等方面发
2、展，同时各种情况产生的荷载，可以通过最简洁的方式进行基础性传递。从建筑结构基础性设计内容来看，主要包括基础、上部结构以及细部设计。 一、建筑结构设计计算 1 计算开始以前参数的正确设定 (1)最大地震力作用方向是指地震沿着不同方向作用,结构地震反映的大小也各不相同,那么必然存在某各角度使得结构地震反应值最大的最不利地震作用方向。设计软件可以自动计算出最大地震力作用方向并在计算书中输出,设计人员如发现该角度2绝对值大于 15 度时,应将该数值回填(代入设计参数中)到软件的“水平力与整体坐标夹角”选项里并重新计算,以体现最不利地震作用方向的影响。 (2)结构基本周期是计算风荷载的重要指标。设计人员
3、如果不能事先知道其准确值,可先按经验公式:T1=0.25+0.3510-3H2/3B 计算代入软件,亦可以保留软件的缺省值,待计算后从计算书中读取其值,填入软件的“结构基本周期”选项,重新计算即可。 2 确定整体结构的科学性和合理性 (1)刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它是控制结构整体稳定性的重要因素,也是影响重力二阶效应(P效应)的主要参数。通常用增大系数法来考虑结构的重力二阶效应,如考虑重力二阶效应的结构位移可用未考虑 P效应的计算结果乘以位移增大系数,但保持位移限制条件不变(框架结构层间位移角1/550);考虑结构构件重力二阶效应的端部弯矩和剪力值,可采用未考虑 P效应的计算结果乘以内
4、力增大系数。一般情况下,对于框架结构若满足:Dj20Gj/hj(j=1,2,n)结构不考虑重力二阶效应的影响。结构的刚重比增大 P效应减小,P效应控制在 20%以内,结构的稳定具有适宜的安全储备,该值如果不满足要求,则可能引起结构失稳倒塌,应当引起设计人员的足够重视。 (2)刚度比和层间受剪承载力之比是控制结构竖向不规则的重要指标。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 (3)层间位移比是控制结构平面不规则性的重要指标。其限值在建筑抗震设计规范和高规中均有明确的规定。需要指出的是,新规范中规定的位移比限值是按刚性板假定作出
5、的,如果在结构模型中设定3了弹性板,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”,以便计算出正确的位移比。在位移比满足要求后,再去掉“对所有楼层强制采用刚性楼板假定的选择,以弹性楼板设定进行后续配筋计算。(4)剪重比是抗震设计中非常重要的参数。规范之所以规定剪重比,主要是因为长期作用下,地震影响系数下降较快,由此计算出来的水平地震作用下的结构效应可能太小。而对于长周期结构,地震动态作用下的地面加速度和位移可能对结构具有更大的破坏作用,若剪重比小于 0.02,结构刚度虽然满足水平位移限制要求(框架结构层间位移角1/550),但往往不能满足结构的整体稳定条件。设计人员应在设计过程中
6、综合考虑刚重比与剪重比的合理取值。 3 梁、柱轴压比计算,构件截面优化设计等 (1)软件对混凝土梁计算显示超筋信息有以下情况:当梁的弯矩设计值 M 大于梁的极限承载弯矩Mu 时,提示超筋;规范对混凝土受压区高度限制: 四级框架及非抗震框架:b; 二、三级框架:0.35( 计算时取 AS =0.3 AS); 一级框架:0.25( 计算时取 AS =0.5 AS)。 当 不满足以上要求时,程序提示超筋;抗震规范要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率 2.5%,当大于此值时,提示超筋;混凝土梁斜截面计算要满足最小截面的要求,如不满足则提示超筋。出现以上超筋信息时,设计人员可采用下列方法做以下调整:一是增大
7、梁截面,提高混凝土强度等级。二是增大对双筋梁受压区钢筋面积,受拉区钢筋面积不变,使梁受压区高度减小,从而使 减小。 (2)柱轴压比计算:柱轴压比越小说明结构的延性越好,柱轴压比越大说明结构的刚度越大,结构的侧移越大抗震性能越差。要确定合理的轴4压比必须满足:N/fcAn(n=0.7、0.8、0.9)。柱轴压比的计算在高规和抗震规范中的规定并不完全一样,抗震规范第 6.3.7 条规定,计算轴压比的柱轴力设计值既包括地震组合,也包括非地震组合,而高规第 6.4.2 条规定,计算轴压比的柱轴力设计值仅考虑地震作用组合下的柱轴力。软件在计算柱轴压比时,当工程考虑地震作用,程序仅取地震作用组合下的的柱轴
8、力设计值计算;当该工程不考虑地震作用时,程序才取非地震作用组合下的柱轴力设计值计算。因此设计人员会发现,对于同一个工程,计算地震力和不计算地震力其柱轴压比结果会不一样。当轴压比不满足要求时,一般可增大柱截面,提高柱混凝土强度等级或增大地震作用折减系数来加以改善。 (3)构件截面优化设计:计算结构不超筋,并不表示构件初始设置的截面和形状合理,设计人员还应进行构件优化设计,使构件在保证受力要求的条件下截面的大小和形状合理,并节省材料。但需要注意的是,在进行截面优化设计时,应以保证整体结构合理性为前提,因为构件截面的大小直接影响到结构的刚度,从而对整体结构的周期、位移、地震力等一系列参数产生影响,不
9、可盲目减小构件截面尺寸,使结构整体安全性降低。 二、建筑结构设计步骤流程以及发展方向 从实际应用趋势来看，未来建筑结构设计的发展方向主要包括：概念、理论、主动设计等方面。概念设计在建筑结构设计中发挥着越来越重要的作用，概念设计作为指导总体方案、细部构造以及材料运用的过程，它能推动建筑结构抗震设计成果。根据建筑抗震设计复杂性，以及不能精确计算等特征，为了避免不必要的计算流程，提出了从宏观角度，5对其精确计算的方法，该方法也是反映地震结构实际状况最佳的设计方法。计算理论，则是根据空间受力、非弹性变形以及塑性内力分析等方法，由全过程、时程分析，到方案优化、最优化设计中。主动设计通过更加经济、合理的设
10、计，在除去结构抗力的同时，降低作用功效。另外，使用更加轻质、高强、环保的新型建筑构造物也是未来建筑结构设计的重要方面。因此，在建筑结构设计中，必须根据工程实际情况，结合规范、完备、准确、适用等原则，选择恰当的软件进行计算。 1 合理配置软件参数 为了保障建筑结构设计成果，在相关工作开始前，必须根据相关软件规范以及手册对各种参数进行描述。在这过程中，需要注意的有：地震力作用方向、基本周期以及振型组合等参数。基本周期作为建筑结构风荷载计算的重要参数，合理试算对建筑结构计算具有重要作用。如果是事先获得它的准确值，则根据默认值，在精确的计算后，得到相关内容。 地震力作用方向的参数拥有不同方向的作用力，
11、由于本身存在一定差异，所以建筑结构反应最大的作用方向就是地震力方向。设计软件根据自动功能，能及时准确的计算出地震力作用方向，并且输出；当该角度绝对值在 15 度以上时，则必须将该数值回填到对应的整体坐标和水平力夹角中。振型组合数，则是根据软件计算成果得到的振型数量。在抗震计算中，应该综合考虑结构计算中的扭转效应，让振型数始终在 15 以上。 2 优化设计构件 6为了保障建筑结构设计成果，在有效控制设计参数受剪承载力比、刚度比、钢重比、剪重比、周期比、位移比的同时，充分利用实际工程比以及输出参数，再对工程进行对比、调整。 当建筑结构计算完毕后，除了对整体结构进行调整、判断外，还必须对配筋合理性进
12、行综合分析。在柱梁设计中，抗震规范要求梁筋最大配筋率为 2.5%，如果大于该值就属于超标现象；同时，如果不满足最小截面要求，则会显示超筋。在剪力墙暗柱超筋中，最大配筋率是按照 4%进行计算的，各个规范则是根据剪力墙配筋进行边缘设计，没有对应的最大配筋率。因此，当剪力墙给出警告信息时，应该视情况而定。 三、结束语 建筑结构设计作为整个建筑工程的前期规划，对工程成本以及施工质量具有重要影响。因此，在实际设计中，必须根据建筑结构设计要求以及实际工作，灵活运用设计方法，对于规范中不是很明确的问题，必须在仔细分析调查后，再进行科学合理的设计。 参考文献： 1 冯雪平.结构设计的新思路J.城市建设理论研究（电子版）,2011,(31). 2 钟正鹏.浅谈混凝土框架结构设计的新思路J.城市建设理论研究（电子版）,2011,(35). 3 冯海波.插入式大圆筒岸壁结构设计的新思路J.水运工程,2008,(12):98-104 7
