建筑工程结构设计方案探析

摘要：建筑工程结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。要求结构工程师应有深厚的基本理论基础，能不断吸取他人先进的设计思想，对设计的工程项目做到精益求精。

关键字：建筑工程结构设计 方案

一、概念设计是展现先进设计思想的关键

一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。一般认为，概念设计做得好的结构工程师，随着他的不懈追求，其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富，设计成果也越来越创新、完善。但是，随着社会分工的细化，大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计，缺乏创新，更不愿创新，有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳，害怕承担创新的责任。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现。造成设计成果没有创新的结果。

强调概念设计的重要，主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性，比如对混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论的计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类计算理论的缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。同时计算机结果的高精度特点，往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解，结构工程师只有加强结构概念的培养，才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。

概念设计之所以重要，还在于在方案设计阶段，初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念，选择效果最好、造价最低的结构方案，为此，需要工程师不断地丰富自己的结构概念，深入、深刻了解各类结构的性能，并能有意识地、灵活地运用它们。

二、建筑结构设计注意的问题

有建筑结构是否要进行抗震加固及抗震加固方案。熟悉既有建筑物竣工图纸、现场勘察、分析对既有建筑物的鉴定报告，按照建筑结构设计有关的现行规范、规程要求进行抗震计算分析，并满足其要求的构造措施。特别是对于建筑物改造结构设计应考虑屋顶增层、层间增夹层以及进行结构构件托换的改造工程必须根据新增结构与既有建筑结构的连接方式（刚接、铰接等）确定合适的计算模型进行抗震计算分析。根据给水排水、暖气通风、强电弱电等专业改造的内容来确定结构设计加固改造方案。既有建筑物的改造很大一部分投资是对设备的改造，设备的改造包括原有设备系统更新换代及增加大量的新的设备系统。根据建筑使用功能改变、建筑使用功能增加的内容来确定结构加固改造设计方案。建筑使用功能改变包括既有建筑楼地面使用功能的改变及既有建筑楼地面改作楼、电梯间；建筑使用功能的增加主要包括屋顶增层、层间增夹层以及新增落地结构。楼地面使用功能的改变及屋顶增层，要考虑装饰荷载及活荷载的改变，尽量考虑拆除原建筑饰面，新装饰面层采用轻质材料，换用轻质墙体材料等来抵消功能改变而增加的设计荷载，否则要确定结构构件的加固方案。既有建筑楼地面改作楼、电梯间、层间增夹层以及屋顶增层必须考虑对既有建筑结构在抗震性能方面的影响。既有建筑楼地面改作楼、电梯间、层间增夹层及屋顶增层的传力构件利用既有建筑结构的构件传力时，要考虑既有建筑结构是否要加固及加固方案，要验算地基基础的承载力及沉降的均匀性，地基计算可考虑地基上层压缩固结后承载力的提高。新增落地结构要考虑对既有建筑在不匀均沉降方面的影响以及对既有建筑在抗震性能方面的影响。若新增落地结构与既有建筑结构的基础距离较近，一般采用人工挖孔灌注桩基础较好，桩底端置于对既有建筑地基影响范围以下的持力层或置于坚硬基岩上，桩护壁采用现浇钢筋硅护壁，必要时加强护壁刚度及护壁施工工艺要求，以减小施工过程中对既有建筑地基基础的影响；若增落地结构与既有建筑结构的基础距离较远，可采用独立基础、条基等基础形式，但此时若基础持力层埋置较深，开挖基坑放坡时要考虑对既有建筑结构柱的稳定性，基坑放坡土的侧压力对柱的影响，柱周边土揭除时柱的长细比等因素。根据增落地结构面积大小，选取与既有建筑结构分缝或相连接的方案，要连就要连牢，要分缝就要彻底分开。增落地结构与既有建筑无论是连接还是分开，均应考虑基础持力层应力的相互影响，验算二者的沉降差异，以便采取相应的结构设计及施工方案。

三、结构体系与协同工作的关系

协同工作的概念广泛存在于工业产品的设计和制造中，对于任一个工业产品，我们均不希望其在远未达到其设计寿命（负荷、功能）时，它的某些部件（或零件）即出现破坏。对于建筑结构，协同工作的概念即是要求结构内部的各个构件相互配合，共同工作。这不仅要求结构构件在承载能力极限状态能共同受力，协同工作，同时达到极限状态，还要求他们能有共同的耐久寿命。结构的协同工作表现在基础与上部结构的关系上，必须视基础与上部结构为一个有机的整体，不能把两者割裂开来处理。举例而言，对砖混结构，必须依靠圈梁和构造柱将上部结构与基础连接成一个整体，而不能单纯依靠基础自身的刚度来抵御不均匀沉降，所有圈梁和构造柱的设置，都必须围绕这个中心。

对协同工作的理解，还在于当结构受力时，结构中的各个构件能同时达到较高的应力水平。在多高层结构设计时，应尽可能避免短柱，其主要的目的是使同层各柱在相同的水平位移时，能同时达到最大承载能力，但随着建筑物的高度与层数的加大，巨大的竖向和水平荷载使底层柱截面越来越大，从而造成高层建筑的底部数层出现大量短柱，为了避免这种现象的出现，对于大截面柱，可以通过对柱截面开竖槽，使矩形柱成为田形柱，从而增大长细比，避免短柱的出现，这样就能使同层的抗侧力结构在相近的水平位移下，达到最大的水平承载力；而对于梁的跨高比的限制，一般还没有充分认识到。实际上与长短柱混杂的效果一样，长、短梁在同一榀框架中并存，也是极为不利的，短跨梁在水平力的作用下，剪力很大，梁端正、负弯矩也很大，其配筋全部由水平力决定，竖向荷载基本不起作用，甚至于梁端正弯矩钢筋也会出现超筋现象，同时，由于梁的剪力增大，也会使支承柱的轴力大幅增大，这种设计是不符合协同工作原则的，同时，结构的造价必将会上升。多高层结构设计的主要目的即是为了抵抗水平力的作用，防止扭转，为有效的抵抗水平力作用，平面上两个正交方向的尺寸宜尽量接近，目的是保证这两个方向上的“惯性矩”相等，以防止一个方向强度（稳定性）储备太大，而另一个方向较弱，因此，抗侧力结构（柱、剪力墙）宜设置在四周，以增大整体的抗侧刚度及抗扭惯性矩，同时，应加大梁或楼层的刚度，使柱（或剪力墙）能承担较大的整体弯矩，这就是“转换层”的概念。防止扭转的目的，是因为在扭转发生时，各柱节点水平位移不等，距扭转中心较远的角柱剪力很大，而中柱剪力较小，破坏由外向里，先外后里。为防止扭转，抗侧力结构应对称布置，宜设在结构两端，紧靠四周设置，以增大抗扭惯性矩。因此，高层或超高层建筑中，尽管角柱轴压比较小，但其在抗扭过程中作用却很大（若角柱先坏，整个结构的扭转刚度或强度下降，中柱必定依次破坏），同时，在水平力的作用下，角柱轴力的变化幅度也会很大，这样势必要求角柱有较大的变形能力。由于角柱的上述作用，角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑，如加大配箍，采用密排箍筋柱、钢管混凝土柱。

目前，部分已建建筑在其四角设置巨型钢管柱，从而极大地增强了角柱的强度和抗变形能力。在高层建筑结构设计中，柱轴压比的限值已成为困扰结构工程师的实际问题，随着建筑高度的增加，结构下部柱截面也越来越大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋，即使采用高强混凝土，柱截面也不会明显降低。实际上，柱的轴压比大小，直接反映了柱的塑性变形能力，而构件的变形能力会极大地影响结构的延性。混凝土基本理论指出：混凝土构件的曲率延性，即弯曲变形能力主要取决于截面的相对受压区高度和受压区边缘混凝土的极限变形能力。相对受压区高度主要取决于轴压比、配筋等，混凝土的极限变形能力主要取决于箍筋的约束程度。因此，为了增大柱在地震作用下的变形能力，控制柱的轴压比和改善配箍具有同样的意义，因而采用密排螺旋箍筋柱或钢管混凝土均可以提高柱轴压比的限值。

从优化设计的角度，尽管结构性能最好的方案，不一定是材料利用率最高，尤其对我国这样一个发展中国家，结构设计的目的即是花最少的钱，做最好的建筑，这就要求设计时对结构材料的充分利用，这从梁类构件的演变可以看出。矩形截面梁是最普通的受弯构件，它的材料利用率很低，针对梁的受力特点，用结构概念分析，主要是因为梁截面存在应变梯度，只有当构件是轴心受力时，材料利用率才可能增大，规则桁架中腹杆的受力（拉、压）与梁中主拉、压应力方向一致，根据分析，还可以将桁架的外形设计为与弯矩图相似的形状，从而使桁架的弦杆受力均匀。由于桁架中大量存在压杆，压杆的强度往往由其稳定性决定，而不是由杆件截面材料强度决定，因此，在平面桁架的设计过程中，应设法降低压杆的长细比。

在结构设计中，只有当构件越多处于轴心受力状态，其材料的利用率才可以高，经济性也就越好。对框架结构，竖向载作用下，框架柱宜处于小偏心受压下工作，若大量柱处于大偏心受压工作状态，则该结构方案的经济性一般不好，故对非地震区的框架结构，其框架柱应优先设计为小偏心受压。这里就出现了一个矛盾，在地震作用下，大部分柱可能处于大偏心受压状态工作，截面设计时，大量柱的配筋仅仅是为万一发生地震而增加的，这些钢材在不发生地震时，将不起丝毫作用，这显然是不经济的，与抗震设计的整体思想也不相符。为避免这种现象的出现，一方面应设法加强结构整体性，必要时，在某些楼层设置刚性转换层，从而加大整体弯矩，减小引起柱弯曲变形的局部弯矩；另一方面，对柱的设计，可将整个楼层面的柱设计为多肢柱，使多肢柱的每一根杆件都能处于轴心受力状态，如对钢管混凝土柱，只有在小偏心受压（或接近轴压）时，钢管和核心混凝土才能更好地协同工作，在偏心距较大的受压构件中使用时，更宜将其设计成双肢、三肢或四肢组成的组合构件。

在概念设计日益重要的今天，要求结构工程师应有深厚的基本理论基础，并能不断吸取他人先进的设计思想。对设计的工程项目做到精益求精。

作者简介：

第一作者 金俊杰，男，现任浙江城建煤气热电设计院有限公司 (邮编：310012)工程师职务，研究方向：建筑工程结构设计。

第二作者 王桉华，男，现任浙江城建煤气热电设计院有限公司 (邮编：310012)助理工程师职务，研究方向：建筑工程结构设计。