簡述建筑結構概念范文

導語：如何才能寫好一篇簡述建筑結構概念，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

【關鍵詞】 抗震設計; 概念設計; 高層建筑結構

中圖分類號：TU208文獻標識碼： A

地震作用影響因素極為復雜，它是一種隨機的、尚不能準確預見和準確計算的外部作用，目前規范給出的計算方法還是一種半經驗半理論的方法，要進行精確的抗震計算還有一定的困難，因此人們在工程實踐中提出了“建筑抗震概念設計”。結構的抗震設計應該是綜合概念設計、計算和結構措施等完整的一系列設計。

1 建筑的抗震概念設計

所謂“建筑抗震概念設計”是指根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，依此進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程。掌握了抗震概念設計，有助于明確抗震設計思想，靈活、恰當地運用抗震設計原則，使設計人員不至于陷入盲目的計算工作，從而做到比較合理地進行抗震設計。

2 高層混凝土建筑結構設計更應重視概念設計

在設計中，雖然分析計算是必須的，也是設計的重要依據，但僅靠此往往不能滿足結構安全性、可靠性的要求，不能達到預期的設計目標，因此必須非常重視概念設計。從某種意義上講，概念設計甚至比分析計算更為重要，因為合理的結構方案是安全可靠的優秀設計的基本保證。高層建筑結構設計尤其是在高層建筑結構抗震設計中，更應重視概念設計。這是因為高層建筑結構的復雜性、發生地震時震動的不確定性、人們對地震時結構響應認識的局限性與模糊性、高層結構計算尤其是抗震分析計算的精確性、材料性能與施工安裝時的變異性，結構計算模型的假定與地震時的實際工作有很大的差異以及其他不可預測的因素，致使設計計算結果( 尤其是經過實用簡化后的計算結果) 與實際相差較大，甚至有些作用效應至今尚無法定量計算出來。

3 高層混凝土建筑結構抗震概念設計的基本內容

3. 1 首先應重視高層建筑結構的規則性

建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不應采用嚴重不規則的形狀設計方案。合理的建筑布置在抗震設計中是頭等重要的，提倡平、立面簡單對稱，因為震害表明，此種類型建筑在地震時較不容易破壞，而且容易估計出其地震反應，易于采取相應的抗震構造措施和進行細部處理。“建筑結構的規則性”包含了對建筑的平立面外形尺寸，抗側力構件布置、質量分布，承載力分布等諸多因素的綜合要求。“規則建筑”體現在體形( 平面和立面的形狀) 簡單; 抗側力體系的剛度承載力上下變化連續、均勻; 平面布置基本對稱。

3. 2 結構剛度、承載力和延性要有合理的匹配

當結構具有較高的抗力時，其總體延性的要求可有所降低; 反之，較低的抗力需要較高的延性要求相配合。對結構提出了“綜合抗震能力”的概念，就是要綜合考慮整個結構的承載力和構造等因素，來衡量結構具有的抵抗地震作用的能力。地震時建筑物所受地震作用的大小與其動力特性密切相關，與其具有合理的剛度和承載力分布以及與之匹配的延性密切相關。但是，提高結構的抗側剛度，往往是以提高工程造價及降低結構延性指標為代價的。要使建筑物具有很強的抗倒塌能力，最理想的是使結構中的所有構件都具有較高的延性，然而實際工程中很難做到。有選擇地提高結構中的重要構件以及關鍵桿件的延性是比較經濟有效的辦法。因此，在確定建筑結構體系時，需要在結構剛度、承載力及延性之間尋找一種較好的匹配關系。

3. 3 設計多道設防結構

3. 3. 1 超靜定結構

靜定結構是只有一個自由度的結構，在地震中只要有一個節點破壞或一個塑性鉸出現，結構就會倒塌。抗震結構必須做成超靜定結構，因為超靜定結構允許有多個屈服點或破壞點。將這個概念引申，抗震結構不僅是要設計成超靜定結構，還應該做成具有多道設防的結構。第一道設防結構中的某一部分屈服或破壞只會使結構減少一些超靜定次數。同時要注意分析并控制結構的屈曲或破壞部位，控制出鉸次序及破壞過程。有些部位允許屈服或允許破壞，而有些部位則只允許屈服，不允許破壞，甚至有些部位不允許屈服。例如，帶連梁的剪力墻中，連梁應當作為第一道設防，連梁先屈曲或破壞都不會影響墻肢獨立抵抗地震力。

3. 3. 2 雙重抗側力結構體系

雙重抗側力結構體系是可能實現多道設防結構的一種類型，而且雙重抗側力結構的抗震性能較好。這里提出的雙重抗側力體系的特點是，由兩種變形和受力性能不同的抗側力結構組成，每個抗側力體系都有足夠的剛度和承載力，可以承受一定比例的水平荷載，并通過樓板連接協同工作，共同抵抗外力。特別是在地震作用下，當其中一部分結構有所損傷時，另一部分應有足夠的剛度和承載力能夠共同抵抗后期地震作用力。在抗震結構中設計雙重抗側力體系實現多重設防，才是安全可靠的結構體系。

3. 3. 3 總結構體系與基本分結構體系

1972 年 12 月 23 日尼加拉瓜首都發生強烈地震，1 萬多棟樓房倒塌。林同炎公司 1963 年設計的美州銀行大樓，雖位于震中，承受比設計地震作用 0. 06g 大 6 倍的地震 0. 35g而未倒塌，引起世界同行的高度重視。眾所周知，建筑物在地震作用下的運動與由風引起的位移是不同的，在強烈地震作用下，結構會在任意方向變形。在高層建筑中，這種變形更為復雜。當然主要是第一振型，同時也包括具有鞭梢效應的第二、第三振型，變形量很大。所以設計者主要考慮的是如何避免就其結構固有特征會引起倒塌的過大變形。再則，設計高層結構所考慮抗風與抗地震要求的出發點往往是矛盾的。剛度大的結構對抗風荷載有利，動力效應小; 反之，較柔的結構有利于抗震。所以要設計一個抗風及抗震性能都很好的高層結構不很容易。林同炎教授的設計思想是設計一個由 4 個柔性筒組成的，具有很大抗彎剛度的結構總體系。在抗風荷載及設防烈度的地震作用下表現為剛性體系。當遇到罕見的強烈地震時，通過控制各分體系( 柔性筒) 之間的聯接構件( 鋼筋混凝土連梁) 的屈服、破壞，而變成具有延性的結構體系，即各分體系獨立工作，則結構的自振周期變長，阻尼增加，即使超出彈性極限，仍持有塑性強度，可做到搖擺而不倒塌。地震后的實地觀察，證明其設計思想是正確的，正如預料的那樣，聯梁的混凝土剝落，梁中有明顯裂縫。但四個柔性筒的本身均無裂縫，筒壁仍處于彈性階段。

3. 4 抗側力結構和構件應設計成延性結構或構件

延性是指構件或結構具有承載能力基本不降低的塑性變形能力的一種性能。在“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設計原則下，結構應設計成延性結構。當設計成延性結構時，由于塑性變形可以耗散地震能量，結構變形加大，但結構承受的地震作用不會直線上升，也就是說，結構是用它的變形能力在抵抗地震作用。延性結構的構件設計應遵守“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱桿件，強底層柱”原則，承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。

3. 5 應有意識地加強薄弱環節

( 1) 結構在強烈地震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載力分析( 而不是承載力設計值的分析) 是判斷薄弱層的基礎。

( 2) 要使樓層( 部位) 的實際承載力和設計計算的彈性受力之比在總體上保持一個相對均勻的變化，一旦樓層( 部位) 的這個比例有突變時，會由于塑性內力重分布導致塑性變形的集中。

( 3) 要防止在局部上加強而忽視整個結構各部位剛度、承載力的協調。

( 4) 在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層( 部

位) ，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發生轉移，這是提高結構總體抗震性能的主要手段。

4 做好高層建筑結構概念設計還應注意的問題

( 1) 結構方案要根據建筑使用功能、房屋高度、地理環境、施工技術條件和材料供應情況、有無抗震設防來選擇合理的結構類型。

( 2) 不同結構體系在豎向荷載、風荷載及地震力作用下的受力特點。

( 3) 風荷載、地震作用及豎向荷載的傳遞途徑。

( 4) 結構破壞的機制和過程，以加強結構的關鍵部位和薄弱環節。

( 5) 預估和控制各類結構及構件塑性鉸區可能出現的部位和范圍。

( 6) 場地選擇、地基基礎設計及地基變形對上部結構的影響。

( 7) 各類結構材料的特性及其受溫度變化的影響。

( 8) 非結構構件對主體結構抗震產生的有利和不利影響，要協調布置，并保證與主體結構連接構造的可靠等。

參 考 文 獻

［1］ GB 50011 －2001 建筑結構抗震設計規范［S］

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關鍵詞：；結構設計；;設計方法; 結構體系

Abstract: below the author connecting with the work practice, from several aspects, tall building structural design concept to pay attention to the issue.

Keywords:; Structure design; ;Design method; Structure system

中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號：

對一個超高層建筑來說，與建筑相適應的結構體系、結構布置等概念設計不是絕對的，但合理的結構設計應該是惟一的。我們所要做的工作就是把一些互相制約的因素統一協調，以滿足建筑物的安全性、適用性和耐久性的要求。

1結構設計特點

1.1重力荷載迅速增大

隨著建筑物高度的不斷增加重力荷載呈直線上升，作用在豎向構件柱、墻上的軸壓力增加，對基礎承載力的要求也更加提高。

1.2控制建筑物的水平位移成為主要矛盾

1.3效應成為不可忽視的問題

超高層建筑高寬比較大，側向剛度相對較弱，水平位移量大（圖2），重力與水平位移所產生的附加彎矩常常大于初始彎矩的10％，必須考慮重力二階效應。

圖1風荷載高度變化示意圖2水平位移沿高度變化示意

1.4豎向構件產生的縮短變形差對結構內力的影響增大

豎向構件的總壓縮量主要由受力變形、干縮變形和徐變變形三部分組成，對于全鋼結構僅需考慮受力變形產生的縮短影響，對于鋼混結構、鋼組合結構、混凝土結構必須考慮干縮縮短和徐變縮短的影響。一般受力變形瞬時完成，其變形量可用胡克定律作近似計算；干縮變形完成的時間較長，據資料統計約為總壓縮量的30％；徐變變形完成的時間更長，線性徐變可由公式簡單計算；構件的總壓縮量隨著構件的高度H平均壓應力的增加而加大。

超高層建筑的豎向構件不但H和較大，而且構件之間的壓應力差也較大，因此設計中除了通過控制軸壓比使豎向構件之間的壓應力較接近外，對鋼筋混凝土結構采取逐步將各層柱頂找平后再進行下一道工序的施工辦法來減小變形差；對鋼結構采取預留柱、墻壓縮量的方法來減小變形差；總體結構分析時采取模擬施工方法，減小變形差對內力計算的影響。

1.5傾覆力矩增大，整體穩定性要求提高

建筑物高度的增加使得側向力引起的傾覆力矩增大，抗傾覆要求提高。實際工程中常常采取增加基礎埋深、加大基礎寬度或采用抗拔樁基等措施來滿足整體穩定性要求。

1.6防火、防災的重要性凸現

超高層建筑多采用鋼混結構和鋼結構，而鋼材耐熱不耐火的特性更易加重某些次生災害的發生，例如美國世貿中心的倒塌。一般緊急情況下高樓所需要的疏散時間較長，從頂層飛機救援的行動也常會受到各方面因素的制約，使得實施比較困難，因此防火、防災的設計更為重要，目前關于防災方面的具體要求我國還沒有相應的規程可循。

1.7建筑物的重要性等級提高

超高層建筑常作為當地的標志性建筑，資金投入大，在政治、經濟、文化中所起的作用重大，破壞影響較大、波及范圍較廣，不論其建筑類別均屬于重要建筑，因此結構設計的可靠度要提高，一般情況下重要性系數取1.1，特殊情況下也可取1.2。

2結構設計方法

2.1減輕自重，減小地震作用

采用高強輕質材料（如全鋼結構、幕墻圍護、輕質隔斷等），減輕結構自重，減小地震作用。

2.2降低風作用水平力

2.2.1減小迎風面積

正方形平面形式，橫向迎風面最小；如計算對角線方向的迎風面寬，則圓形平面最小；在立面上適當位置開洞泄風（如上海環球金融中心大廈，風力降低更直接。

2.2.2降低風力形心

采用下大上小的立面體型，既減小高風壓在高處的迎風面積，又降低風作用重心，使建筑物底部的傾覆總彎矩減小。同時下大上小的立面體型對建筑底部來說增大了抵抗矩，提高了穩定性，如巴黎的埃菲爾鐵塔。

2.2.3選用體型系數較小的建筑平面形狀

體型系數從小到大可選用下列平面順序：圓形平面!正多邊形平面!正方形平面，采用流線光滑的外形，避免凹凸多變的建筑形式，減小整體和局部風壓的體型系數。

2.3減少振動，耗散輸入能量

采用阻尼裝置或加大阻尼比，減少振動影響，如臺北國際金融中心大廈%$&。

選用耗能、減振的結構體系，如采用偏心支撐的鋼結構具有耗能的水平段，采用橡膠支座可以減振等。

2.4加強抗震措施

2.4.1選用規則結構使建筑物具有明確的計算簡圖，合理的地震作用傳遞途徑。

如采用圓形、正多邊形、正方形等平面形狀，可以使整體結構具有多向同性，避免強弱軸的抗力不同和變形差異。功能復雜的建筑常常是多種結構體系的綜合，具體設計時應注意以下問題。

（1）結構平面形狀盡可能對稱。由于地震作用的方向具有隨機性，風作用雖有主導方向，但最大值也具有隨機性，因此選用具有對稱性、多向同性布置的抗側力結構體系，有利于形心和剛心的重合。

（2）豎向構件盡可能連續，避免抗側力構件的間斷，從而形成薄弱層、薄弱部位，對抗震不利。

（3）設置多道抗震防線，滿足“大震不倒”的抗震設防要求。

（4）增加超靜定次數，增加重要構件的傳力線路，提高結構的抗震能力。贅余度的增多，可以使結構有更多的部位有機會形成塑性鉸，吸收更多的地震能量。

（5）在滿足強度、剛度要求的前提下，選擇具有較好延性的結構材料，增加總體變形能力，增加結構耗能。

（6）建立整體屈服機制，避免失穩破壞，并做到強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件、強埋件弱連接設計；對容易失穩的結構，做到強支撐；對受彎構件，做到強壓弱拉等。

2.4.2采用多個權威程序（如SATWE、TAT、SAP2000等）進行計算比較，通過動力時程分析，驗證薄弱部位；對重要構件補充有限元分析計算，從而使計算的結論更為完整，結果更為可靠。

2.4.3進行小模型風洞試驗，獲取有關風載作用參數；通過振動臺試驗，獲取有關地震作用參數。

2.4.4采用智能化設計，提高結構的可控性。應用傳感器、質量驅動裝置、可調剛度體系等和計算機共同組成主動控制體系，提供可變側向剛度，控制結構的地震反應等。

2.4.5提高節點連接的可靠度，如鋼結構節點的焊接處理，鋼混結構中型鋼、鋼板與混凝土的連接等。

3結構材料選用

更輕、更強、更具有延性的材料是超高層建筑結構材料的首選。鋼筋混凝土、型鋼混凝土、鋼管混凝土和純鋼材料都可作為結構構件的主要材料；而外墻圍護多采用玻璃幕墻、鋁合金幕墻、鋼塑復合板材等；內部隔墻多為輕質隔斷；樓屋面常選用壓型鋼板加混凝土面層，并在的鋼承重構件表面加防火涂料。

4結構體系選用

更具整體性、更具多道抗震防線、更具延性的結構體系是超高層建筑結構體系的首選，工程中常用的結構體系有：

內筒外框或內筒外框并帶角部小筒體（或角形墻）的結構體系，如深圳彭年廣場（酒店部分），H=222m

內束筒外框架（巨型柱）并帶多個加強層的結構體系，如臺北國際金融中心大廈，H=508m（含塔尖部分）；

筒中筒結構體系，一般外筒為密柱筒，如前紐約世貿中心，H=412；

內筒外巨型框架加外斜撐結構體系，如上海環球金融中心大廈H=492；

束筒結構體系，如美國西爾斯大廈，H=443；

巨型框架、巨型桁架結構體系，如新加坡華僑銀行，45層；

懸掛結構和懸挑結構，由于其側向剛度僅由內筒貢獻，體型上大下小，抗風抗震不利，因此建筑物高度受到限制，如香港匯豐銀行大樓，H=175（懸掛）；長沙黃興路綜合大樓，H=115.6m（懸挑）。

篇3

摘要： 筆者對概念設計的有關內容進行了陳述,還分析了概念設計對建筑結構設計的重要性及其應用,為提高建筑結構設計水平提供參考。

Abstract: The author expounded the relevant contents of the conceptual design, and also analyzed the importance of the conceptual design for building structure design and its application, to provide reference for improving the design level of the building structure.

關鍵詞 ： 概念設計；建筑結構；優化設計

Key words: conceptual design；building structure；optimal design

中圖分類號：TU2 文獻標識碼：A

文章編號：1006-4311（2015）06-0104-02

0 引言

建筑結構設計中應用概念設計是最新推出的一種建筑結構設計理念，由建筑結構設計通過理性的分析和感性的規劃進行的綜合運用，在建筑設計行業中運用概念設計，能夠幫助設計師正確、合理地處理在建筑結構設計中可能會遇到的具體問題。越來越多的建筑設計師采用概念設計理念完成了眾多的成功建筑案例，概念設計的理念被我國的建筑設計行業廣泛地應用，特別是在智能建筑、高層建筑等要求高的建筑設計中發揮著巨大的作用。

1 概念設計及其重要性

簡單說來，所謂概念是指你方案的根本出發點——比如你是要看場地內部的樹或者外圍的景色，或者其他的想法。設計的深入就是通過建筑的手法把概念實現和貫徹出來，特別是那些難以做出精確分析，并且難于規范的結構體系，是從工程經驗中獲得的一些宏觀可行的設計角度。你想要的空間就是通過建筑的設計來體現的；所有的外觀和細部的創意都是為了體現你的概念。從整體的角度來確定建筑結構的總體布局和設計重點，并能得出估算值，與實際相差不遠，所得方案具有一定的經濟可靠性，但又避免了繁瑣的計算。

所謂概念設計指的是一個由粗到精、由模糊到清晰、由具體到抽象的不斷提高和優化的過程。也就是在進行設計的過程中，以設計概念為主線，從而對全部的設計過程進行貫穿，整個設計過程較為完全、全面。同時通過設計概念，有效將設計者的瞬間思維、感性認識兩者結合，使其統一上升至理性思維后完成設計。

2 建筑結構總體概念設計

2.1 建筑結構的對稱性的重要性

高層建筑體系中，對稱性主要是指抗側力主體結構對稱，在平面設計中。一般比較容易實現平面設計中簡體框架結構、框架結構和剪力墻結構的對稱。而在豎向結構布置中，無論是那些幾何圖形還是樓層剛度的相關的變化，對稱性都應該是立面設計中最值得考慮的問題。不對稱的布置會產生剛度以及強度上的突變，使得豎向的應力集中或者是變形集中，從而導致建筑在中小型地震中遭到了損壞、而在大震時就會面臨倒塌的嚴重后果。對于L型、T型、S型等不對稱的平面復雜結構，主要取決于建筑功能和設計風格和方向，但這種結構內部結構的基本對稱也是可以實現的，結構工程師會對這樣的平面做合理的結構布置。設計結構的不對稱除了引起變形不利于抗力承重以外，也容易造成材料浪費，成本增加。在水平荷載作用下結構側移已成為高層建筑設計中的關鍵控制因素，建筑平面的形狀宜選用風壓較小的形式，并應考慮鄰近高層建筑對其風壓分布的影響，還必須考慮有利于抵抗能力和豎向荷載，在地震作用下，建筑平面要力求簡單規則。風荷載作用下則可適當放寬，因為結構整體彎曲變形所引起的側移與結構體系抵抗傾覆力矩的有效寬度的三次方成反比例關系，所以不宜建筑寬度很小的建筑物。

2.2 合理的建筑結構體系選擇

①概念設計應對建筑物結構體系有明確的簡圖和合理的抗震說明。②設計應對整體抗震能力和重力荷載有一定承載能力和防御能力，不能因為部分結構的破壞而影響整體結構。③結構體系宜具有合理的剛度。主體抗側力結構的剛度合理是高層建筑結構設計的重要指標之一。1）主體抗側力結構剛度過大，結構的基本自振周期縮短，地震作用加大，結構承受的水平力，傾覆彎矩加大，地基基礎的負擔加大，此時結構的截面和相應的構造配筋增加較大，不經濟。2）主體抗側力結構剛度過大，勢必造成結構所占的面積，空間加大，影響建筑作用，降低建筑平面利用系數，不合理。

3 建筑結構的簡化計算

3.1 科學選用結構方案 科學的結構方案包含結構體系以及結構形式的合理性，要確定結構體系的整體布置、抗震節點設計等。在設計時，建筑師對建筑體要求，材料，結構特征以及地質條件施工技術等做整體評估，并同施工方和業主方協商，簡化計算，確定結構，擬定策略，方案結構的初選是概念設計的必選之路，也是切實可行的最簡單快捷的方法。

3.2 使結構設計經濟合理 住宅建筑越來越商品化，作為投資方總是希望利潤最大化。由此在結構設計時不僅要滿足“規范化計算”，而且還要在安全、符合現行國家規范前提下，從各個環節進行優化設計，多個方案做比較，使最終的成品要安全可靠、經濟合理，節能節材，降低造價。概念設計通過對高層建筑簡化計算，先確定主體抗側力結構并合理規劃樓層結構和截面，再通過電算對概念設計進行深化和精確，這樣不僅能節省電算時間，結果也比較準確，從而使結構設計更加經濟合理。

3.3 確保計算結果的準確性 現代基本上采用計算機軟件設計建筑結構，這樣的設計軟件較多，往往各類軟件計算的結果存在一定差異。因此，設計師不能太依賴軟件，而應從實際出發，并根據自己多年的經驗，對數據進行具體分析，并嚴格按照制度進行。

4 概念設計在建筑結構設計中的應用

4.1 平面設計 平面設計總圖用來正確確定臨時建筑及其他設施位置，以及修建工地運輸道路和解決排水等所需的資料；一切已有和擬建的地下、地上管道位置。用來決定原有管道的利用或拆除以及新管線的敷設與其他工程的關系，并注意不能在擬建管道的位置上搭設臨時建筑。

4.2 剖面設計 建筑剖面設計主要解決層高 （凈高）、室內外高差、垂直交通（樓梯的豎向布置）這三個問題。是建筑師對建筑物內部的處理，結構工程師能夠在剖面圖中得到更為準確的層高信息及局部地方的高低變化，剖面信息直接決定了剖切處梁相對于樓面標高的下沉或抬起，又或是錯層梁，或有夾層梁，短柱等，對剖面的設計能直觀的反應設計要點。

4.3 建筑基礎設計 建筑基礎設計不僅與地基相互作用，也牽涉到上部結構的穩定性。要考慮到地區的原始材料，如氣候問題，交通、公共排水溝，易燃易爆妨礙人體健康的設施布置等。也要考慮到建筑地域的豎向資料和土方平衡，用來解決水、點管線的布置和土方的填挖，取土、棄土位置，還要考慮到樓層材料和承重力，控制高低層的沉降差很重要，地基沉降量不能過大，過深。依附于天然地基的建筑，低層一般采用雙向條形或單獨地基，若高低層不分開，應確保地基條件好，或者直接采用樁基，地下室有直通要求或上部結構層數差別大，必須做成整體基礎就可采用這種形式。通往地下車庫的通道應平行于外壁，便于鋪設防水層，也能保證高層建筑的整體連接。

5 結束語

總而言之，概念設計是建筑結構設計中不可或缺的一部分，建筑設計人員在進行結構設計時，應該重視相關結構的概念設計，而不是僅僅依靠先進的計算機技術來進行設計，充分利用自身的設計經驗和實踐實際，不斷提升自身的設計專業技能，才能不斷提高概念設計的水平，從而提升建筑結構設計的品質。

參考文獻：

[1]牛慧娟，馬小龍.淺議建筑結構設計中的概念設計[J].內江科技，2008（02）.

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【關鍵詞】 抗震設計； 概念設計；建筑結構

中圖分類號：TU2

地震作用影響因素極為復雜，它是一種隨機的、尚不能準確預見和準確計算的外部作用，目前規范給出的計算方法還是一種半經驗半理論的方法，要進行精確的抗震計算還有一定的困難，因此人們在工程實踐中提出了“建筑抗震概念設計”。結構的抗震設計應該是綜合概念設計、計算和結構措施等完整的一系列設計 。

1 建筑的抗震概念設計

所謂“建筑抗震慨念設計”是指根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，依此進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程。掌揖了抗震概念設計，有助于明確抗震設計思想，靈活、恰當地運州抗震設計原則，使設計人員不至于陷入盲目的計算工作，從而做到比較合理地進行抗震設計。

2 高層建筑結構設計更應重視概念設計

在設計中，雖然分析計算是必須的，也是設計的重要依據，但僅靠此往往不能滿足結構安全性、可靠性的要求，不能達到預期的設計目標，因此必須非常重視慨念設計。從某種意義上講，慨念設計至比分析計算更為重要，因為合理的結構方案是安全可靠的優秀設計的基本保證．高層建筑結構設計尤其是在高層建筑結構抗震設計中，更應重視概念設計。這是因為高層建筑結構的復雜性、發生地震時震動的不確定性、人們對地震時結構響應認識的局限性與模糊性、高層結構計算尤其是抗震分析計算的精確性、材料性能與施工安裝時的變異性，結構計算模型的假定與地震時的實際工作有很大的差異以及其他不可預測的因素，致使設計算結果(尤其是經過實剛簡化后的計算結果) 與實際相差較大，甚至有些作用效應至今尚無法定量計算出來。

3 高層混凝土建筑結構抗震概念設計的基本內容

3．1 首先應重視高層建筑結構的規則性

建筑設計應符合抗震慨念設計的要求，不應采用嚴重不規則的形狀設計方案．合理的建筑布置在抗震設計中是頭等重要的，提倡平、立面簡單對稱， 為震害表明，此種類型建筑在地震時較不容易破壞，而且容易估計出其地震反應，易于采取相應的抗震構造措施和進行細部處理。“建筑結構的規則性”包含了對建筑的平立面外形尺寸，抗側力構件布置、質量分布，承載力分布等諸多閃素的綜合要求。“規則建筑”體現在體形(平面和立面的形狀)簡單；抗側力體系的剛度承載力上下變化連續、均勻；平面布置基本對稱。

3．2 結構剛度、承載力和延性要有合理的匹配

當結構具有較高的抗力時，其總體延性的要求可有所降低；反之，較低的抗力需要較高的延性要求相配合。對結構提出了“綜合抗震能力”的概念，就是要綜合考慮整個結構的承載力和構造等因素，來衡量結構具有的抵抗地震作用的能力。地震時建筑物所受地震作用的大小與其動力特性密切相關，與其具有合理的剛度和承載力分布以及與之匹配的延性密切相關。但是，提高結構的抗側剛度，往往是以提高工程造價及降低結構延性指標為代價的。要使建筑物具有很強的抗倒塌能力，最理想的是使結構中的所有構件都具有較高的延性，然而實際工程中很難做到。有選擇地提高結構中的重要構件以及關鍵桿件的延性是比較經濟有效的辦法。因此，在確定建筑結構體系時，需要在結構剛度、承載力及延性之問尋找一種較好的匹配關系。

3．3 設計多道設防結構

3．3．1 超靜定結構

靜定結構是只有一個自由度的結構，在地震中只要有一個節點破壞或一個塑性鉸出現，結構就會倒塌。抗震結構必須做成超靜定結構，因為超靜定結構允許有多個屈服點或破壞點。將這個概念引申，抗震結構不僅是要設計成超靜定結構，還應該做成具有多道設防的結構。第一道設防結構中的某一部分屈服或破壞只會使結構減少一些超靜定次數。同時要注意分析并控制結構的屈曲或破壞部位，控制出鉸次序及破壞過程。有些部位允許屈服或允許破壞，而有些部位則足允許屈服，不允許破壞，甚至有些部位不允許屈服。例如，帶連梁的剪力墻中，連梁應當作為第一道設防，連梁先屈曲或破壞都不會影響墻肢獨立抵抗地震力。

3．3．2 雙重抗側力結構體系

雙重抗側力結構體系是可能實現多道設防結構的一種類型，而且雙重抗側力結構的抗震性能較好。這里提出的雙重抗側力體系的特點是，由兩種變形和受力性能不同的抗側力結構組成，每個抗側力體系都有足夠的剛度和承載力，可以承受一定比例的水平荷載，并通過樓板連接協同工作，共同抵抗外力。特別是在地震作用下，當其中一部分結構有所損傷時，另一部分應有足夠的剛度和承載力能夠共同抵抗后期地震作片用力。在抗震結構中設計雙重抗側力體系實現多重設防，才是安全可靠的結構體系。

3．3．3 總結構體系與基本分結構體系

1972年12月23日尼加拉瓜首都發生強烈地震，1萬多棟樓房倒塌。林同炎公司1963年設計的美州銀行大樓，雖位于震中，承受比設計地震作用0．06g大6倍的地震0．35g而未倒塌，引起世界同行的高度重視。眾所周知，建筑物在地震作用下的運動與由風引起的位移是不同的，在強烈地震作用下，結構會在任意方向變形。在高層建筑中，這種變形更為復雜。當然主要是第一振型，同時也包括具有鞭梢效應的第二、第三振型，變形量很大。所以設計者主要考慮的是如何避免就其結構同有特征會引起倒塌的過大變形。再則，設計高層結構所考慮抗風與抗地震要求的出發點往往是矛盾的。剛度大的結構對抗風荷載有利，動力效應小；反之，較柔的結構有利于抗震。所以要設計一個抗風及抗震性能都很好的高層結構不很容易。林同炎教授的設計思想是設計一個由4個柔性筒組成的，具有很大抗彎剛度的結構總體系。在抗風荷載及設防烈度的地震作用下表現為剛性體系。當遇到罕見的強烈地震時，通過控制各分體系(柔性筒)之間的聯接構件(鋼筋混凝土連梁)的屈服、破壞，而變成具有延性的結構體系，即各分體系獨立工作，則結構的自振周期變長，阻尼增加，即使超出彈性極限，仍持有塑性強度，可做到搖擺而不倒塌。地震后的實地觀察，證明其設計思想是正確的，正如預料的那樣，聯梁的混凝土剝落，粱中有明顯裂縫。但4個柔性筒的本身均無裂縫，筒壁仍處于彈性階段。

3．4 抗側力結構和構件應設計成延性結構或構件

延性是指構件或結構具有承載能力基本不降低的塑性變形能力的一種性能。在“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設計原則下，結構應設計成延性結構。當設計成延性結構時，由于塑性變形可以耗散地震能量，結構變形加大，但結構承受的地震作用不會直線上升，也就是說，結構是用它的變形能力在抵抗地震作用。延性結構的構件設計應遵守“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱桿件，強底層柱”原則，承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。

3．5 應有意識地加強薄弱環節

(1)結構在強烈地震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載力分析(而不是承載力設計值的分析)是判斷薄弱層的基礎。

(2)要使樓層(部位)的實際承載力和設計計算的彈性受力之比在總體上保持一個相對均勻的變化，一旦樓層(部位)的這個比例有突變時，會由于塑性內力重分布導致塑性

變形的集中。

(3)要防止在局部上加強而忽視整個結構各部位剛度、承載力的協調。

(4)在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發生轉移，這是提高結構總體抗震性能的主要手段。

4 做好高層建筑結構概念設計還應注意的問題

(1)結構方案要根據建筑使用功能、房屋高度、地理環境、施工技術條件和材料供應情況、有無抗震設防來選擇合理的結構類型。

(2)不同結構體系在豎向荷載、風荷載及地震力作用下的受力特點。

(3)風荷載、地震作用及豎向荷載的傳遞途徑。

(4)結構破壞的機制和過程，以加強結構的關鍵部位和薄弱環節。

(5)預估和控制各類結構及構件塑性鉸區可能出現的部位和范圍。

(6)場地選擇、地基基礎設計及地基變形對上部結構的影響。

(7)各類結構材料的特性及其受溫度變化的影響。

篇5

關鍵詞: 建筑 抗震, 設計,

地震作用影響因素非常的復雜,它是一種隨機的、尚不能準確預見和準確計算的外部作用,目前規范給出的計算方法還是一種半經驗半理論的方法,要進行精確的抗震計算還有一定的困難,因此人們在工程實踐中提出了“建筑抗震概念設計”。結構的抗震設計應該是綜合概念設計、計算和結構措施等完整的一系列設計。

1 抗震概念設計

“建筑抗震概念設計”是指根據地震災害和工程實際經驗等所形成的基本設計原則及設計思想,依此進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程。掌握了抗震概念設計,有助于明確抗震設計思想,靈活、恰當地運用抗震設計原則,使設計人員不至于陷入盲目的計算工作,從而做到比較合理地進行抗震設計。

2 高層結構設計更應該重視概念設計

高層建筑設計尤其是在高層建筑抗震設計中,應當非常重視概念設計。這是因為高層建筑結構的復雜性、發生地震時震動的不確定性、人們對地震時結構響應認識的局限性與模糊性、高層結構計算尤其是抗震分析計算的精確性、材料性能與施工安裝時的變異性以及其他不可預測的因素,致使設計計算結果(尤其是經過實用簡化后的計算結果) 可能和實際相差較大,甚至有些作用效應至今尚無法定量計算出來。在設計中,雖然分析計算是必須的,也是設計的重要依據,但僅靠此往往不能滿足結構安全性、可靠性的要求,不能達到預期的設計目標,因此必須非常重視概念設計。從某種意義上講,概念設計甚至比分析計算更為重要,因為合理的結構方案是安全可靠的優秀設計的基本保證。

3 建筑抗震概念設計的基本內容

3. 1 應重視建筑結構的規則性

建筑設計應符合抗震概念設計的要求,不應采用嚴重不規則的設計方案。合理的建筑布置在抗震設計中是頭等重要的,提倡平、立面簡單對稱。因為震害表明,此種類型建筑在地震時較不容易破壞,容易估計出其地震反應,易于采取相應的抗震構造措施和進行細部處理。“建筑結構的規則性”包含了對建筑的平立面外形尺寸,抗側力構件布置、質量分布,承載力分布等諸多因素的綜合要求。“規則建筑”體現在體形(平面和立面的形狀) 簡單;抗側力體系的剛度承載力上下變化連續、均勻;平面布置基本對稱。

3. 2 抗震概念設計應堅持的原則

1) 剛柔相濟原則。在抗震設計中,不能一味地提高結構的抗力,一般是根據初定的尺寸和混凝土等級算出結構的剛度,再由結構剛度算出地震力,然后計算配筋。如果結構剛度太大,地震作用效應就很大,這樣為抵御地震而需配更多的鋼筋,因此,增加了結構的剛度,反而使地震作用效應增強。在較大的地震力瞬間襲來時,極易造成局部受損,最后導致各個擊破;而太柔的結構雖然有很好的延性,可以消減外力,但容易造成變形過大而無法使用,甚至整體傾覆。在抗震設計中,為了實現剛柔相濟的原則,既滿足變形要求,又能減小地震力,最主要的方法是進行隔震消能設計。隔震消能設計一般的做法是在基礎和主體之間設置柔性隔震層、加設消能支撐(類似于阻尼器的裝置) 等;另外,在抗震設計中“, 剛柔相濟”可以通過合理控制設計總信息來實現。比如周期、位移、地震力應滿足建筑抗震設計規范限值要求或者不超規范太多。

2) 多道設防原則。強烈地震后往往伴隨多次余震,如果只有一道設防,在首次破壞后再遭余震,結構將會因損傷積累而導致倒塌。因此,一個抗震結構體系,應由若干個延生較好的分體系組成,并由延性較好的結構構件連接起來協同工作,如框架―剪力體系是由延性框架和抗震墻兩個分體系組成。

3. 3 抗側力結構和構件應設計成延性結構或構件延性是指構件或結構具有承載能力基本不降低的塑性變形能力的一種性能。

在“小震不壞,中震可修,大震不倒”的抗震設計原則下,結構應設計成延性結構。當設計成延性結構時,由于塑性變形可以耗散地震能量,結構變形加大,但結構承受的地震作用不會直線上升,也就是說,結構是用它的變形能力在抵抗地震作用。延性結構的構件設計應遵守“強柱弱梁,強剪弱彎,強節點弱桿件,強底層柱”原則,承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。

3. 4 應有意識地加強薄弱環節

1) 結構在強烈地震下不存在強度安全儲備,構件的實際承載力分析(而不是承載力設計值的分析) 是判斷薄弱層的基礎。

2) 要使樓層(部位) 的實際承載力和設計計算的彈性受力之比在總體上保持一個相對均勻的變化,一旦樓層(部位) 的這個比例有突變時,會由于塑性內力重分布導致塑性變形的集中。

3) 要防止在局部上加強而忽視整個結構各位剛度、承載力的協調。

4) 在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位) ,使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發生轉移,這是提高結構總體抗震性能的主要手段。

3. 5 應采用合理的建筑結構體系

建筑布局除考慮功能要求外,結構單元抗側力結構的布置宜規則、對稱,受力明確,傳力合理,傳力途徑不間斷,并應具有良好的整體性。

1) 抗側力構件應布置合理。如在框架―剪力墻結構中,剪力墻宜均增布置在建筑物的周邊附近、樓梯間、電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位,剪力墻間距不宜過大;平面形狀凹凸較大時,宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻;縱、橫剪力墻宜組成L型、T 型和[型等形式;剪力墻宜貫通建筑物的全高,避免剛度突變;剪力墻開洞口宜上下對齊;抗震設計時,剪力墻的布置宜使結構各主軸方向的側向剛度接近。

2) 結構的整體性要好。高層建筑結構中,樓蓋對于結構的整體性起到非常重要的作用。樓蓋相當于水平隔板,它不僅聚集和傳遞慣性力到各個豎向抗側力的子結構,而且要使這些子結構能協同承受地震作用,特別是當豎向抗側力子結構布置不均勻或布置復雜或各抗側力子結構水平變形特征不同時,整個結構就要依靠樓蓋使各抗側力子結構能協同工作。樓蓋體系最重要的作用是提供足夠的平面內剛度和抗力,并與豎向各子結構有效連接。所以房屋的頂層、結構轉換層、平面復雜或開洞過大的樓層、作為上部結構嵌固部分的地下室樓層應采用現澆樓蓋結構。一般樓層現澆樓板厚度不應小于80 mm , 頂層樓板厚度不宜小于120 mm ,普通地下室頂板厚不宜小于160 mm;作為上部結構嵌固部位的地下室樓層的頂樓蓋應采用梁板結構,樓板厚度不宜小于180 mm。

4 做好概念設計應注意的問題

1) 結構方案要根據建筑使用功能、房屋高度、地理環境、施工技術條件和材料供應情況、有無抗震設防來選擇合理的結構類型。

2) 不同結構體系在豎向荷載、風荷載及地震力作用下的受力特點。

3) 風荷載、地震作用及豎向荷載的傳遞途徑。

4) 結構破壞的機制和過程,以加強結構的關鍵部位和薄弱環節。

5) 建筑結構的整體性、承載力和剛度在平面內及沿高度均勻分布,避免突變和應力集中。

6) 預估和控制各類結構及構件塑性鉸區可能出現的部位和范圍。

7) 地基變形對上部結構及其受溫度變化的影響。

8) 各類結構材料的特性及其受溫度變化的影響。

9) 非結構件對主體結構抗震產生的有利和不利影響,要協調布置,并保證與主體結構連接構造的可靠等。

要搞好抗震設計必須從方案開始。首先要求建筑方案設計人員必須一定的結構概念，盡量采用規整的結構體系，不一味追求外觀而破壞了結構體系的合理性。

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關鍵詞：建筑；結構設計；常見問題；對策

中圖分類號：S611 文獻標識碼：A 文章編號：

建筑結構設計是一項強度很高的創造性思維勞動，要運用結構設計人所掌握的大量知識，進行富有創造性的工作，建筑結構設計是一項系統的、全面的工作,在設計中存在的問題是多種多樣的,作為設計來講，需要扎實的理論知識功底,靈活創新的思維和嚴肅認真負責的工作態度。我們要始終把提高設計質量作為終身奮斗的目標。

一、建筑結構設計的基本要求

1、層層設置。安全的結構體系在設計過程中必須要層層設置，尤其是當災難發生時將會在抵抗外在破壞中發揮有效作用。若僅僅將抗風險的希望都集中寄托在建筑的某一個結構上，這是很不穩定的。多肢墻好于單片墻，框架剪力墻好于純框架好等等，這些都是層層防線的設計思路的重要表現。

2、重大輕小。建筑結構設計中常常涉及到了很多關鍵的理念，如：“強柱弱梁”、“強剪弱彎”等，這些都是設計師門需要重視的問題。盡管對于結構體系而言，其是由不同的構件協調構建起了，而由于不同的構件都發揮著不同的作用，其在整個建筑中也有輕重之分。

3、優劣互補。科學的建筑結構體系需要堅持優劣互補的原則。結構太剛其變形能力差，若建筑受到巨大的破壞力時，則應具備的承受的力更大，經常會發生局部受損以至于全部毀壞，而太柔的結構盡管能夠限制外力，但經常因為變形過大而難以正常運用。

二、建筑結構設計的常見問題及對策

1、 地基與基礎設計方面存在的問題。地基與基礎設計一直是結構工程師比較重視的方面，這是因為不僅該階段設計過程的好與壞將直接影響后期設計工作的進行，而且地基基礎也是整個工程造價的決定性因素。但很多房屋建筑無地質勘察報告，僅僅依據建設單位口頭或籠統參照附近建筑物的基礎設計資料就進行施工圖設計。還有有些設計者對軟弱地基的危害認識不足，當采用換土墊層對軟弱地基處理時，不做換土墊層設計，只憑經驗處置，只是簡單地憑借經驗采用砂墊層加強一下承載力，沒有進行墊層寬度和厚度計算，既不安全，又不經濟。另外一些設計人員設計多層民用建筑時，在計算梁、柱和基礎的負荷時未按現行設計規范將荷載乘以折減系數計算其荷載值，因而導致采用荷載值偏大。

在地基與基礎設計這一階段，應選用整體性好，滿足地基承載力和建筑物容許變形的要求，并能調節不均勻沉降的基礎形式。高層建筑宜設置地下室以減小地基的附加應力和沉降量，有利于滿足天然地基的承載力和上部結構的整體穩定性。此外，在地基基礎設計中要注意地方性規范的重要性。對多層建筑來說，尤其是軟土層覆蓋層厚度較大地區的多層建筑，一般都需要經過地基處理的方式來達到控制建筑物沉降的目的。常用的軟土地基處理方式類型較多，但在選擇地基處理方案前。必須認真研究上部結構和地基兩方面的特點及環境情況，并根據工程設計要求，確定地基處理范圍和處理后要求達到的技術指標，以及各種處理方面的適用性。進行多方案比較，最終選定安全實用、經濟合理的方案

2、結構布置不合理，體型不規則

結構的合理布置（使結構盡可能“規則”)，是抗震概念設計中的十分重要的環節，這里的“規則”包含了對建筑的平立面外形尺寸，抗側力構件布置、質量分布，直至承載力分布等諸多因素的綜合要求。由于引起結構不規則的因素太多，特別是對于復雜的建筑體型，很難一一用若干簡化的定量指標來劃分不規則程度并規定限制范圍。

由于缺乏規范依據及相應的設計規定，加之對結構抗震概念設計缺乏應有的了解，有些設計人員往往對結構規則性難以把握，有時甚至聽從業主和建筑師的要求，在實際工程中出現了不少規則性很差、對結構抗震十分不利的高層建筑。這里僅舉幾個例子：

（1）平面凹凸不規則。這是最常見的一種情況。

（2）平面扭轉不規則問題。如框架- 剪力墻結構中，縱橫剪力墻布置過分集中或僅布置在房屋的一端，使結構剛度中心嚴重偏離質量中心。有時甚至是結構整體計算的第一振型為扭轉振型。

（3）高位轉換問題。如某高層建筑采用框支抗震墻結構，高度約160m，Ⅳ類場地，6 度設防，不僅房屋高度大大超過其最大適用高度，且在第6～7 層處設置了厚板轉換層，框支層數達到6層。框支抗震墻屬抗震不利的結構體系，新修編的抗震規范，對此類結構的抗震措施僅限于框支層不超過兩層。

（4）樓層錯層問題。高層建筑中帶有較大范圍的錯層，使樓層的樓板不連續，對結構抗震十分不利。

（5）高層建筑帶有明顯薄弱層，又沒有采取有效的抗震加強措施。

（6）高層建筑結構中，同時采用兩種以上的復雜結構。諸如帶轉換層結構、錯層結構、連體結構、多塔樓結構等，均屬于復雜結構形式，根據抗震對高層建筑規則性的要求，高層結構不宜同時采用兩種以上的復雜結構。

（7）同一結構單元中采用兩種不同的結構體系。如某多層框架結構，電梯井及兩端山墻部位局部采用磚墻承重。

（8）高層建筑樓板（特別是首層和轉換層樓板）開洞過多過大，有的樓板開洞率甚至超過了30%。

在工程設計中應盡量避免采用不規則的結構，不應采用嚴重不規則的結構。在設計不規則結構時，應采用符合結構實際受力狀態的力學模型進行計算分析，并采取有效的抗震加強措施。新修編的建筑抗震設計規范，參考了美國UBC 和歐洲規范8 的做法，對規則與不規則作了一些定量的劃分，并規定了相應的設計計算要求。如將樓層最大彈性水平位移與該樓層兩端彈性水平位移平均值的比值大于1.2 時定義為平面扭不規則結構，并規定上述比值不宜大于1.5；對超過梁高的錯層，規定應按樓板開洞對待，錯層面積較大時，應采用符合樓板平面內實際剛度變化的計算模型；對豎向不規則結構，規定薄弱地震剪力及某些水平轉換構件的地震內力應乘以不同的增大系數，等等。

3、主梁有次梁處加附加筋。一般應優先加箍筋,附加箍筋可認為是:主梁箍筋在次梁截面范圍無法加箍筋或箍筋短缺, 在次梁兩側補上,像板上洞口附加筋。附加筋一般要有,但也不是絕對的。規范中說的比較清楚,位于梁下部或梁截面高度范圍內的集中荷載,應全部由附加橫向鋼筋承擔。也就是說,位于梁上的集中力如梁上柱、梁上后做的梁如水箱下的墊梁不必加附加筋。位于梁下部的集中力應加附加筋。但梁截面高度范圍內的集中荷載可根據具體情況而定。當主次梁截面相差不大,次梁荷載較大時,應加附加筋。當主梁高度很高,次梁截面很小、荷載很小時,如快接近板上附加暗梁,主梁可不加附加筋。還有當主次梁截面均很大,如工藝要求形成的主次深梁,而荷載相對不大,主梁也可不加附加筋。總的原則,當主梁上次梁開裂后,從次梁的受壓區頂至主梁底的截面高度的混凝土加箍筋能承受次梁產生的剪力時, 主梁可不加附加筋。梁上集中力, 產生的剪力在整個梁范圍內是一樣,所以抗剪滿足,集中力處自然滿足。主次深梁及次梁相對主梁截面、荷載較小時,也可滿足。

4、 關于箱、筏基礎底板的挑板問題。從結構角度來講，如果能出挑板，能調勻邊跨底板鋼筋，特別是當底板鋼筋通長布置時，不會因邊跨鋼筋而加大整個底板的通長筋，較節約。出挑板后，能降低基底附加應力，當基礎形式處在天然地基和其他人工地基的坎上時，加挑板就可能采用天然地基。必要時可加較大跨度的周圈窗井。能降低整體沉降，當荷載偏心時，在特定部位設挑板，還可調整沉降差和整體傾斜。窗井部位可以認為是挑板上砌墻，不宜再出長挑板。雖然在計算時此處板并不應按挑板計算。當然此問題并不絕對，當有數層地下室，窗井橫隔墻較密，且橫隔墻能與內部墻體連通時，可靈活考慮。

總之，結構設計是個系統的、全面的工作，需要扎實的理論知識功底、靈活創新的思維和嚴肅認真負責的工作態度。結構的設計不是單求外表的獨特與奇異，而是要講究科學的依據和實用的價值。設計人員要從一個個基本的構件算起，做到知其所以然，深刻理解規范和規程的含義，并密切配合其他專業來進行設計。只有這樣才能真正體會結構設計的意義，推動建筑業向前發展。

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[4] 袁鑫.  高層建筑結構設計中存在的若干問題與措施分析[J]. 現代裝飾(理論). 2012(01)

篇8

關鍵詞：建筑；轉換層；結構設計

中圖分類號：TU984 文獻標識碼：A 文章編號：

1 結構轉換層概念及布置原則

1.1 定義：建筑物某層的上部與下部因平面使用功能不同，該樓層上部與下部采用不同結構類型，并通過該樓層進得結構轉換，則該樓層即稱轉換層。

1.2 布置原則：由于高層建筑結構下部樓層受力很大，上部樓層受力較小，正常的結構布置應是下部剛度大，墻體多、柱網密，到上部漸漸減少墻、柱的數量，以擴大柱網。這樣，結構的正常布置與建筑功能對空間的要求正好相反。因此，為滿足建筑功能的要求，結構必須進行“反常規設計”，即將上部布置小空間，下部布置大空間；上部布置剛度大的剪力墻，下部布置剛度小的框架柱。為了實現這種結構布置，就必須在結構轉換的樓層設計水平轉換構件，即轉換層結構。結構特性高層建筑轉換層按照結構來分類主要有以下幾個形式：梁—柱體系、桁架體系、墻梁體系、厚板轉換體系等，其中以梁—柱體系最為常用。按照轉換層結構功能的不同，一般可分為以下三類：建筑上、下部分之間結構類型的轉換，此類建筑上部和下部采用的結構形式不同。建筑上、下部分之間的柱網尺寸不同，這種建筑雖然上下部分的結構類型相同，但通常需要通過轉換層，擴大其下部結構的柱距，以形成大柱網。同時具備轉換結構和擴大軸線尺寸的混合形式。

設計原則轉換層的設置造成建筑物豎向剛度的突變，對結構抗震不利，故采用轉換層結構設計時應遵循以下原則：盡可能減少需結構轉換的豎向構件，直接落地的豎向構件越多，轉換結構越少，轉換層造成的剛度突變就越小，對結構抗震更有利，轉換層結構在高層建筑豎向的位置宜低不宜高。優化轉換層結構，選擇具有明確傳力路徑的換層結構型式，以便于結構分析設計和保證施工量，在滿足建筑物安全和經濟要求的前提下，轉換剛度宜小不宜大。

2 不同類型轉換層的結構介紹與設計方法

高層建筑轉換結構一般可分為4種基本結構形式，即：桁架(包括空腹桁架)、箱型結構、梁式(包括托梁和雙向梁格)、厚梁厚板。以下主要介紹了梁式轉換層結構及桁架式轉換結構的設計方法。對以上4種基本結構形式設計應注意的問題簡要介紹如下

2.1 梁式轉換層結構

該結構形式是目前高層建筑中實現垂直轉換最常用的結構形式，由于其傳力途徑采用墻(柱)轉換梁柱(墻)的形式，具有傳力直接、明確和清桁架轉換層箱型結構轉換層空腹桁架轉換層。該轉換層結構的優點，便于工程計算、分析和設計，且造價較節省。所以梁式轉換層結構在實際工程中應用較廣。實際工程中轉換梁的結構形式有多種多樣，從轉換梁功能上，可分為托墻和托柱；從轉換梁形式上，可分為加腋和不加腋；從轉換梁結構采用材料上，又可分為鋼筋混凝土、預應力混凝土、鋼骨混凝土和鋼結構等。轉換梁設計方法的選擇與其受力性能和轉換層的形式有關，現簡述如下：

2.1.1 托柱形式轉換梁截面設計

當轉換梁承托上部普通框架時，在轉換梁常用截面尺寸范圍內，轉換梁的受力基本和普通梁相同，可按普通梁截面設計方法進行配筋計算；當轉換梁承托上部斜桿框架時，轉換梁將承受軸向拉力，此時應按偏心受拉構件進行截面設計。

2.1.2 托墻形式轉換梁截面設計

當轉換梁承托上部墻體滿跨不開洞時，轉換梁與上部墻體共同工作，其受力特征與破壞形態表現為深梁，此時轉換梁截面設計方法宜采用深梁截面設計方法或應力截面設計方法，且計算出的縱向鋼筋應沿全梁高適當分布配置。由于此時轉換梁跨中較大范圍內的內力比較大，故底部縱向鋼筋不宜截斷和彎起，應全部伸人支座。當轉換梁承托上部墻體滿跨且開較多門窗洞或不滿跨但剪力墻的長度較大時，轉換梁截面設計方法也宜采用深梁截面設計方法或應力截面設計方法，縱向鋼筋的布置則沿梁下部適當分布配置，且底部縱向鋼筋不宜截斷和彎起，應全部伸入支座。當轉換梁承托上部墻體為小墻肢時，轉換梁基本上可按普通梁的截面設計方法進行配筋計算，縱向鋼筋可按普通梁集中布置在轉換梁的底部。

2.2 桁架式轉換結構

該結構形式是由梁式結構轉換層變化而來的，整個轉換層由多榀鋼筋混凝土桁架組成承重結構，桁架的上下弦桿分別設在轉換層的上下樓面的結構層內，層間設有腹桿。由于桁架高度較高，所以下弦桿的截面尺寸相對較小。桁架分為空腹桁架和實腹桁架2種，它可以是鋼桁架，也可以是鋼筋混凝土桁架，在鋼筋混凝土高層結構中常用鋼筋混凝土桁架。與梁式轉換層相比，它的整體性好，受力性更加明確，自重較小而抗震性能好，而且便于管道的安裝與維護等，但在施工上比較復雜，在設計上表現為節點的設計難度較大。桁架式轉換結構設計方法簡述如下：桁架式轉換結構可以采用ANSYS和TAT來進行整體結構的內力分析，除應滿足結構整體的位移、變形、抗傾覆、周期等要求外，還應滿足(JGJ3—2002)《高層建筑混凝土結構技術規程》中附錄E中規定的轉換層上下結構側向剛度比的要求。

相對其他結構形式轉換層而言，桁架轉換層比梁式轉換層和厚轉換層在受力上更加合理，在轉換層位置受到的剪力和彎矩就比較小，有利于構件截面尺寸的控制，不會造成很大的剛度集中。在地震作用下，不會造成應力的集中，有利于結構抗震。其次在桁架轉換層上部的結構所受到的剪力和彎矩相對其他的轉換層結構來說也較小，其受力受下部轉換層的影響較小，比較合理。由于桁架轉換層的重量相對其他轉換層的重量要小，從而減小了下部框架柱的抗壓負荷。

3 高層建筑轉換層的結構設計應注意的問題

3.1 宜低位轉換，盡量避免高位轉換，設置結構轉換層的高層建筑屬復雜的高層建筑，其結構豎向剛度存在一定程度的突變，且轉換層上下附近的剛度、變從頭再來和內力都會發生突變，易形成薄弱層，對抗震不利。所以，設置轉換層應豎持轉換層位置宜低不宜高的觀點。盡量降低轉換層的層位，尤其抗震結構設計，宜避免高位轉換，三層以下為宜，一般不超過六層。

3.2 上下軸網力求部分對齊不錯位，如查結構上部、下部的軸網全部錯位，則轉換層結構可能只得采用厚板式，厚板式轉換層結構是所有轉換層結構中缺點最多的一種形式。不僅受力不好，設計難度高，施工困難，而且極不經濟。

3.3 框支柱、剪力墻的合理布置，設置結構轉換層的高層建筑，不論采用何種結構體系，都必須保證部分剪力墻直接落地；轉換層下面的框支柱的柱距疏密均勻，框支柱懷剪力墻（通常是核心筒）的距離位不宜太大（控制在12m以下）。轉換層以上的剪力墻應采用大開間布置。強化下部，保證下部大空間結構有足免的剛度、強度、延性和抗震能力。轉換層的平面須比軸規則，保證轉換大梁的剛度和出平面外的穩定性。

4 結束語

在高層建筑轉換層設計中，須根據工程本身特點和驗處中受力狀態的不明確定等因素，選擇科學全理的設計方案，確保方案設計的全面性、科學性，減少施工的風險和難度。

參考文獻：

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[2] 中華人民共和國建設部．高層建筑混凝土結構技術規程[M]．北京：中國建筑工業出版社．2006.

篇9

關鍵詞：高層建筑；結構設計；承載能力、剛度、延性；安全經濟。

0引言

現階段，我國城市發展水平不斷提高，城市人口規模不斷擴大，可利用土地資源不斷減少，因此，高層建筑不斷增多，以盡可能地節約土地資源，提高土地使用效率。隨著建筑材料與建筑設計理論不斷更新，施工技術與施工機械設備不斷發展，都為高層建筑的發展提供了完善的技術支持。高層建筑設計是否合理，對于確保高層建筑的使用安全和各項經濟指標起到至關重要的作用，也是高層建筑建設項目順利實施的前提條件。高層建筑結構設計要以我國建筑行業現行的相關政策、設計規范、規程為依據，以批準的建筑方案作為設計條件，其主要涉及內容包括結構設計選型，結構性布置，結構在荷載作用下的受力分析以及結構構件設計幾部分內容組成。

1高層建筑結構設計選型

結構選型是結構設計的首要環節，必須慎重對待。對于高風壓區和地震區應選用承載能力高，抗風力及抗地震作用性能好的結構體系和結構布置方案，應使選用的結構體系受力明確、傳力簡捷。以下是混凝土結構常用的幾種結構形式，簡述如下：

（1）框架結構。由梁、柱組成的結構稱為框架結構。在框架結構中，墻僅起到室內空間分隔以及維護作用。框架結構的強度較高，自身重量小，整體性能與抗震性能較好， 建筑物內的平面布置靈活是它最突出的優點，因而使用空間可以獲得較大拓展。框架結構的抗側剛度較小，如果框架結構的層數過多，需要將梁柱的截面尺寸做的較大，才能滿足變形限值的要求，導致鋼筋水泥等材料消耗量過多，因此，框架結構的層數受到一定的限制，大部分均在20層以下。

（2）剪力墻結構。 用鋼筋混凝土剪力墻抵抗豎向荷載和抵抗水平力的結構稱為剪力墻結構。剪力墻結構的突出優點在于抗側剛度大，承載力大，在水平力作用下側移小。剪力墻結構的缺點在于建筑物內剪力墻的間距小，一般為3~8米，平面布置難以做到靈活多變，因而不適用于空間要求較大的建筑，多用于住宅、旅館等建筑。

（3）框架―剪力墻（筒體）結構 。在結構中同時布置框架和剪力墻，就形成框架-剪力墻結構；兩個方向的剪力墻圍成筒體，就形成框架-筒體結構；二者可統稱為框架-剪力墻結構。彎剪型變形曲線的層間變形沿建筑高度比較均勻，既減小了框架也減小了剪力墻單獨抵抗水平力的層間變形，適用于較高的建筑。框架-剪力墻結構設計的關鍵是剪力墻的數量和布置，剪力墻布置應均勻，如果布置不好，容易造成較大的偏心，引起結構的扭轉；剪力墻的的數量不必太多，太多就使結構重量加大，會增加地震力。一般來說，電算結果顯示剪力墻分配到的剪力占總剪力的50%~85%之間比較合適。

2高層建筑結構總體設計原則

（1）眾所周知，高層建筑中水平荷載對建筑物的效應不是線性的，而是隨著建筑物的的高度的增加而迅速遞增的。例如，在風荷載的作用下，建筑物底部的傾覆力矩與其高度的平方成正比，建筑物頂部的側向位移則與其高度的四次方成正比。所以，為了抵抗風荷載，建筑結構要有足夠的剛度。而地震的效應就更加顯著，隨著建筑物高度的增加，側向位移與振動就會越來越變成主要的設計控制條件，所以風荷載和地震作用是引起側向位移和振動的兩個主要因素。然而，高層建筑結構考慮抗風和抗震要求的出發點往往是相互矛盾的，所以要設計一個抗風和抗震性能都很好的高層建筑結構并不是件容易的事。

（2）首先應根據建筑功能要求、地理環境條件及所構思的結構總體系，心中應有一個多道防線、剛柔結合的理想剛度目標，即應具有一定大的剛度和承載力來抵御風荷載和小震，在風和規范設防烈度水準的地震作用下，能保證結構完全處于彈性工作狀態。并且還應在第一道防線的有意識屈服后，在結構變柔的同時仍具有足夠大的彈塑性變形能力和延性耗能能力來抵御未來可能遭遇的罕遇大地震。所以高層建筑結構設計中應注重概念設計，重視結構的選型和平、立面布置的規則性，擇優選用抗震和抗風性能好且經濟合理的結構體系，加強構造措施。在抗震設計中，應保證結構的整體抗震性能，使整個結構具有必要的承載能力、剛度和延性。

（3）合理確定高層建筑的高寬比以及平面形狀。高層建筑在平面布置上應力求簡單、規則、對稱，剛度和承載力分布均勻。結構平面布置應減小扭轉的影響，盡量避免較大的樓板削弱，否則應采取適當的加強措施。不應采用嚴重不規則的平面布置。

（4）結構的豎向布置盡可能的做到剛度的均勻連續，避免側向剛度與承載力的突變而形成薄弱層。豎向體型宜規則、均勻，避免有過大的外挑和內收，結構的側向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化。結構的豎向抗側力構件宜上下連續貫通，傳力途徑直接、合理。由于高層建筑結構的上部往往局部樓層截面縮小，導致剛度突變，需要采取加強措施。

（5）高層建筑的基礎埋置深度應綜合考慮，宜設地下室。基礎設計應綜合考慮上部結構類型、地基地質狀況、地下水位情況、地基承載力、有無地下室以及可能的沉降量等因素。選擇經濟合理基礎形式，以保證所支承的建筑物不致發生過量沉降或傾斜，能滿足建筑物正常使用的要求。高層建筑基礎應具有一定的埋置深度，而影響基礎埋置深度的主要因素是建筑物的高度、體型以及對地下室的使用功能要求，地基土層的物理力學性質，抗震設防烈度和臺風等級等。實踐證明地下室與地基及周邊土的共同作用又反過來對上部結構的整體剛度提供了一定的補償性貢獻，在上部結構和工程地質條件完全相同的情況下，有地下室的高層建筑的自振周期要比無地下室的小，同時，有兩層地下室的整體剛度要大于只有一層地下室的。

3高層建筑結構設計的幾個重要參數

（1）軸壓比。主要為保證結構的延性要求，規范對剪力墻和框架柱的軸壓比均有相應的限值要求。地震作用下構件的軸壓力數值有可能小于非地震作用時構件的軸壓力，因此，地震作用下構件軸壓比數值不一定是構件的最大軸壓比值，這是由不同的荷載效應組合造成的。荷載作用組合下的柱子軸壓比不能過大，尤其是地下室柱更應注意對截面的控制，當配筋率偏大，甚至接近超筋，說明柱截面偏小，應加大柱截面。

（2）位移比。位移比取樓層最大桿件位移與平均桿件位移的比值，設計時應視具體情況分別選取限值。位移比是控制結構扭轉效應的參數，主要為控制結構平面規則性，以免形成扭轉，從而對結構產生不利影響。驗算位移比是在剛性樓板假定下并需要考慮偶然偏心，當位移比超過1.2時，需要考慮雙向地震力。驗算層間位移角則不需要考慮偶然偏心。對于有錯層或帶有夾層的復雜結構，應根據結構的具體情況采用多種手段。

（3）周期比。規范限值周期比主要為控制結構在罕遇地震下的扭轉效應，保障結構有一定的抗扭能力，周期比過大，說明該結構抗扭能力較弱。所以周期比一般只能通過調整平面布置來改善，這種改變一般是整體的，局部的小調整往往收效甚微。也就是說，周期比控制不是要求結構足夠‘結實’，而是要求結構平面布置的合理性

（4）剛重比。剛重比為結構剛度和重力荷載之比。主要為控制結構的整體穩定性，以免結構產生滑移和傾覆。當結構的剛重比進一步減小時，則重力p-效應將會呈現非線性關系而急劇增長，直至引起結構的整體失穩。

（5）樓層最大位移與層高之比。在正常使用條件下，高層建筑結構應具有足夠的剛度，避免產生過大的位移而影響結構的承載力、穩定性和使用要求。按彈性方法計算的樓層層間最大位移與層高之比應符合《抗震規范》表5.5.1。需要進行彈塑性變形驗算的結構在罕遇地震作用下薄弱層的彈塑性變形（彈塑性層間位移角）應符合《抗震規范》表5.5.5。

篇10

關鍵詞：高層建筑；結構設計；常見問題；分析簡述

1高層結構設計特點

水平荷載成為決定因素

一方面，因為樓房自重和樓面使用荷載在豎構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比； 而水平荷載對結構產生的傾覆力矩， 以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；另一方面，對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

1．2軸向變形不容忽視

高層建筑中，豎向荷載數值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會對連續粱彎矩產生影響，造成連續粱中問支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產生影響， 要求根據軸向變形計算值， 對下料長度進行調整；另外對構件剪力和側移產生影響，與考慮構件豎向變形比較，會得出偏于不安全的結果。

1．3側移成為控制指標

與較低樓房不同，結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。 隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

1．4 結構延性是重要設計指標

相對于較低樓房而言，高樓結構更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力， 避免倒塌， 特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性。

2、高層結構選型

對于高層結構而言，在工程設計的結構選型階段，結構工程師應該注意以下幾點：

1結構的規則性問題

新舊規范在這方面的內容出現了較大的變動，新規范在這方面增添了相當多的限制條件，例如：平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等，而且，新規范采用強制性條文明確規定“建筑不應采用嚴重不規則的設計方案。”因此，結構工程師在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。

2．2結構的超高問題。

在抗震規范與高規中，對結構的總高度都有嚴格的限制，尤其是新規范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為A 級高度的建筑外，增加了B 級高度的建筑 ，因此，必須對結構的該項控制因素嚴格注意，一旦結構為B 級高度建筑甚或超過了B 級高 度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設計中，出現過由于結類型的變更而忽略該問題，導致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規劃的影響相當巨大。

2．3嵌固端的設置問題

由于高層建筑一般都帶有二層或二層以上的地下室和人防，嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置，因此，在這個問題上，結構設計工程師往往忽視了 由嵌 固端的設置帶來的一系列需要注意的方面，如：嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌 固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置、結構抗震縫設置與嵌 固端位置的協調等等問題，而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患 。

2．4短肢剪力墻的設置問題

在新規范中，對墻肢截面高厚比為 5～8的墻定義為短肢剪力墻，且根據 實驗數據和實際經驗，對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制，因此，在高層建筑設計中，結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻，以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。

3、地基與基礎設計問題

地基與基礎設計一直是結構工程師比較重視的方面，不僅僅由于該階段設計過程的好與壞將直接影響后期設計工作的進行同時，也是因為地基基礎也是整個工程造價的決定性因素，因此，在這一階段所出現的問題也有可能更加嚴重甚至造成無法估量的損失。

在地基基礎設計中要注意地方性規范的重要性問題。由于我國占地面積較廣，地質條件相當復雜，作為國家標準僅僅一本《地基基礎設計規范》無法對全國各地的地基基礎都進行詳細的描述和規定因此，作為建立在國家標準之下的地方標準。地方性的“地基基礎設計規范”能夠將各地方的地基基礎類型和設計處理方法等一些成熟的經驗描述和規定得更為詳細和準確，所以，在進行地基基礎設計時，一定要對地方規范進行深入地學習，以避免對整個結構設計或后期設計工作造成較大的影響。

4、結構計算與分析

在結構計算與分析階段，如何準確，高效地對工程進行內力分析并按照規范要求進行設計和處理，是決定工程設計質量好壞的關鍵。由于新規范的推出對結構整體計算和分析部分相當多的內容進行了調整和改進，因此，結構工程師也應該相當地對這一階段比較常見的問題有一個清晰的認識。

4．1結構整體計算的軟件選擇

目前，由于軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異，因此導致了各軟件的計算結果有或大或小的不同。所以，在進行工程整體結構計算和分析時必須依據結構類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件，并從不同軟件相差較大的計算結果中，判斷哪個是合理的、 哪個是可以作為參考的，哪個又是意義不大的，這將是結構工程師在設計工作中首要的工作。 否則，如果選擇了不合適的計算軟件，不但會浪費大量的時問和精力，而且有可能使結構有不安全的隱患存在。

4．2是否需要地震力放大，考慮建筑隔墻等對自振周期的影響

該部分內容實際上在新老規范中都有提及，只是，在新規范中根據大量工程的實測周期明確提出了各種結構體系下高層

建筑結構計算自振周期折減系數。

4．3振型數目是否足夠

在新規范中增加一個振型參與系數的概念，并明確提出了該參數的限值。由于在舊規范設計中，并未提出振型參與系數的概念，或即使有該概念，該參數的限值也未必一定符合新規范的要求，因此，在計算分析階段必須對計算結果中該參數的結果進行判斷，并決定是否要調整振型數目的取值。

4．4多塔之間各地震周期的互相干擾，是否需要分開計算

一段時間以來，大底盤，多塔樓的高層建筑類型大量涌現，而在計算分析該類型高層建筑時，是將結構作為一個整體并按多塔類型進行計算，還是將結構人為地分開進行計算，是結構工程師必須注意的問題。如果多塔問剛度相差較大，就有可能出現即使振型參與系數滿足要求，但是對某一座塔樓的地震力計算誤差仍然有可能較大，從而便結構出現不安全的隱患。

4．5非結構構件的計算與設計

在高層建筑中，往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內的非結構構件。對這部分內容，尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構件進行設計時，由于高層建筑的地震作用和風荷載均較大，因此，必須嚴格按照新規范中增加的非結構構件的計算處理措施進行設計。

4．6高層結構設計中需要控制的七個比值

高層設計的難點在于豎向承重構件(柱、剪力墻等)的合理布置，設計過程中控制的目標參數主要有如下七個：

(1)軸壓比：主要為控制結構的延性，規范對墻肢和柱均有相應限值要求。

(2)剪重比： 主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結構安全性。

(3)剛度比：主要為控制結構豎向規則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層。

(4)位移比：主要為控制結構平面規則性，以免形成扭轉，對結構產生不利影響。

(5)周期比：主要為控制結構扭轉效應，減小扭轉對結構產生的不利影響。

(6)剛重比：主要為控制結構的穩定性，以免結構產生滑移和傾覆。

(7)層問受剪承載力比：控制豎向不規則性。