建筑结构选型及其设计探讨

摘要：从工程实践表明，对于建筑结构选型应当充分考虑到结构的抗震设计，根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较确定。

关键词：建筑结构；结构选型；结构设计；抗震设计

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

引言

抗震结构体系要通过综合分析，采用合理而经济的结构类型。结构体系应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较确定。

基于抗震设计的结构选型

结构的地震反应同场地购特性有密切关系，场地的地面运动特性又同地震震源机制、震级大小、震中的远近有关；建筑的重要性、装修的水准对结构的侧向变形大小育所限制，从而对结构选型提出要求；结构的选型又受结构材料和施工条件的制约以及经济条件的许可等。这是一个综合的技术经济问题。

从结构材料的抗震性能方面分析，钢结构由于具有良好的延性、可靠的节点，在低周往复荷载下饱满稳定的滞回曲线，结构变形能力和耗能能力强，历次地震中，钠结构建筑的表现部很好，但也有个别建筑因设计不良或坚向支撑失效而破坏。总的情况来看，钢结构的抗震性能优于其他各类结构。当然，其材料也是较昂贵的。

2.1钢筋混凝土结构

现浇钢筋混凝土结构在历次地震中也有一定数量遭到严重破坏，但多数是因为设计不良及施工质量较差造成的。事实说明，经过合理的抗震设计和较好的施工质量的保证，现浇混凝土结构是有足够的抗震可靠度的。由于它可以通过现场浇筑，形成具有整体性节点的连续性结构；有较大的侧移刚度，可以减少结构的侧移量，从而减少非结构构件的破坏；经过良好的设计使结构有相当的延性并且造价较低，使得现浇钢筋混凝土结构在地震区得到广泛的应用。需要说明的是，钢筋混凝土结构也存在着难以克服的缺点：周期性往复水平荷载作用下，构件刚度因裂缝开展而递减；构件开裂处钢筋的塑性拉伸，使裂缝不能闭合；低周往复荷载下，杆件塑性铰区反向斜裂缝的出现，将混凝土压碎，产生永久性的“剪切滑移”。这些缺点使得混凝上结构一旦进入弹塑性状态，结构就会出现永久性损坏而必须经过修复方可继续使用。

2.2砌体结构

砌体结构是由块体加砂浆所形成的材料构成的，其材料本身脆件性质决定了砌体结构抗剪的、抗拉、抗弯强度低，变形能力差，结构自重大，因此它的抗震能力是比较差的。但由于砌体结构造价低，施工技术简申，居住性能好，在我国还是有着广泛的应用，同时震害调查表明，不仅在7、8度区，甚至人9度区，砌体结构房屋震害轻微、甚至基本完好的事例还是不少的。实践证明，经过合理的抗震设计，构造措施到位，施工质量良好，在中，强地震区，砌体结构是具有一定的抗震能力的。

结构体系选取

除了结构材料的选择外，结构体系的确定是结构选型的另一项任务，选择结构体系需要考虑的主要因素有：抗震设防烈度、建筑高度、建筑的使用功能的要求和经济条件的情况。常见的结构体系有框架结构、框架—抗震墙结构、框架—支撑结构、抗震堵结构、简体结构等，柜架结构使用灵活、方便，但侧移刚度较低，常用于多层和较底的高层建筑；框架—抗震墙和框架—支撑结构既可提供较大室内空间，又有较大侧向刚度，可广泛的用于各类高居建筑中；抗震墙结构的侧向刚度大，整体件好，布着良好的抗震件能，但因为墙体间距的限制使得该结构形式的应用受到—定限制；筒体结构是一种个间受力体系，侧向刚度很大，一般用于较腐的高层建筑巾。

在选择抗震结构体系时，还要注意结构刚度与场地条件的关系。当结构的自振周期与场地的自振周期一致时，容易产生类共振现象而加重建筑物的震害。在抗震设计之初，应了解场地和场地土的性质，采取各种措施调整结构刚度，避开共振周期。

实际上，结构的自振周期是很难精确计算的。虽然建筑物的质量—般个会有太大的变化，但结构的刚度就很难计算准确，它除了与结构构件本身的刚度及共所处的弹塑性状态有关外，还与主体结构连接的填充墙，焊接外墙板，室内设备等以及基础和地下室周围的土质情况有关，影响因素较多。所以在此仅提出可以通过调整相关的影响因素改变结构周期，以避开共振周期的抗震设计概念。

结构的总体布置设计

一般来说地震力的垂直分量较小，只有水平分量的1/3~2/3， 在很多情况下可主要考虑水平地震力的影响，相应地，抗震结构的总体布置主要是抵抗水平力的抗侧力结构（框架，抗震墙，支撑，筒体等）的布置。结构的总体布置是影响建筑抗震性能的关键问题。结构的平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，建筑的各结构单元的平面形状和抗侧力结构的分布应当力求简单规则，均匀对称，减少扭转的影响。

地震作用是由于地面运动引起的结构反应而产生的惯性力，其作用点在结构的质量中心，如果结构中各抗侧力结构抵抗水平力的合力点与结构的重心不重合，则结构即使在地面平动作用下，也会激起扭转震动。扭转的结果是，离刚心较远一侧的结构构件，由于侧移量加大很多，所分担的水平地震剪力也显著增大，很容易出现因超出允许抗力和变形极限而发生严重破坏，甚至导致整体结构因一侧构件失效而倒塌。对于抗震建筑，即使结构布置是对称的，建筑的质量分布也很难做到均匀分布，质心和刚心的偏离在所难免．更何况地面运动不仅仅是平动，还件有转动分量，地震时结构出现扭转振动是可能的。所以，在结构布置时除了要求各向对称外，还希望能够具有较大的抗扔刚度，因此，有着很大侧移刚度的抗震墙最好能沿建筑外培的周边领置，以提高结构的整体抗扭刚度。

结构竖向布置设计应当尽量位结构的承裁力和竖向刚度白下何上逐渐减少，变化均匀、连续，不出现突变。在实际工程设计中，往往沿坚向分段改变构件截面尺寸和材料强度，这种改变使刚度发生变化，也应自下而上递减。从施工方便来说，改变次数不宜太多；但从结构受力角度来看，改变次数太少，每次变化太大则容易产生刚度突变。所以一般沿竖向变化不超过4次，每次变化，梁、柱尺寸减少50-100 mm，墙厚减少50mm，混凝土强度降低一个等级为宜。最好尺寸减少与强度降低错开楼层，避免同层同时改变。沿竖向刚度突变除了因为建筑的坚向体形发生突变而使得结构刚度在竖向发生突变外，还经常由于抗侧力结构的突然改变布置而出现结构竖向刚度突变。如底层或底部若十层需要大的室内空间而取消一部分抗震墙或框架柱产生的刚皮突变。这时，应尽量加大落地抗震墙和下层柱的截面尺寸，并提高这些楼层的混濒土强度等级，尽量减少刚度削弱的程度。又如中间楼层或顶层由于建筑功能的需要设置空旷的大房间，取消部分抗震培或框架柱，则取消的墙不宜多于墙体总数的1/3，不得超过半数，其余墙体和柱应加强配筋，以抵抗由被取消的培体所承担的地震剪力。在上述两种情况下，还应注意加大楼板的水平刚度，以保证各抗侧力构件之间水平力的可靠传递。

在结构竖向布置时需要强调的是，不应采用上部刚废人，底层仅有柱的“鸡脚”建筑。这类结构往往出现在临街的建筑物中。由于商业的需要，底层或底部几层需要设置成太空间而设计成框架结构，上部因只有小房间而采用砌体墙或混凝土墙体。这样的结构上部侧移刚度大，下部楼层侧移刚度小，结构柔软层出现在结构底部，地震中很容易遭到严重破坏，而且从设汁上很难采取措施避免震吉的发生。

同一楼层的抗侧力构件，宜具有大致相同的刚度、承载力和延件，截面尺寸不宜相差过大，以保证各构件能够共同受力，避免在地震中因受力恳殊而被各个击破。历次地震中都曾发生过这样的震例。结构布置设计完成后形成的抗震结构体系应符合下列各项要求。结构应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。结构体系受力明确，传力合理且传力路经不间断，使结构的抗震分析更符合结构在地震时的实际表现，对提高结构抗震性能十分有利，是结构选型与布置结构抗侧力体系时首先考虑的因素之一。同时结构设计应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。

结论

对于建筑结构设计人员往往不够重视结构设计经济性及其抗震安全性问题，导致同一工程其抗震性能并不优越，而且还带来不必要的造价浪费。通过基于抗震性能对结构优化设计进行探讨，有效地确保结构抗震性能安全的前提下，降低高层建筑的造价成本，有着非常重要的现实意义。

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