摘要：建筑施工是一项非常复杂的系统工程，它关系到人民生命财产安全，由于建筑施工的工程量大，而建筑结构设计是建筑施工里最为重要的环节，所以建筑结构设计对建筑楼盘投产后的完善功能体现至关重要。因此,我们首先讨论了建筑结构的控制设计, 接着分析了高层建筑结构设计中的结构刚度, 最后研究了建筑结构工程的特点与设计重用目标。具有深刻的理论意义和广泛的实际应用。
关键字：建筑结构; 控制设计; 高层建筑结构; 建筑结构设计; 结构设计
随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快，现在的城市中心寸土寸金，为了满足城市居民的居住刚性需求，各地高层以及超高层建筑如雨后春笋般不断涌现。这些高层建筑在不断改善人们居住和办公条件，美化城市 面貌的同时，也高效地利用了土地资源。但是，从北京、上海、南京等一、二线城市及国外高层建筑引发的安全事故来看，一些潜在的安全隐患亟待引起各地有关部 门的高度重视，归纳起来主要有以下几个方面：大面积玻璃幕墙成为城市上空的隐形炸弹，特别是通过胶粘结的隐框幕墙有效使用期仅为十年，九十年 代就已开始使用，现在有的已超过安全使用期，一些省市已发生多起玻璃碎裂从高空坠落的险情；另外老旧建筑室外分体式空调外机安装不规范，不放在建筑设计的 混凝土隔板上，铁架锈蚀后极易高空坠落；由于用地容积率的提高，建筑高度拔高，超出目前消防云梯所能达到的救援和灭火高度，一旦发生火灾可望而不可 及。为此，建议由各地政府牵头，召集城管、建设、规划、消防等部门成立城市安全防范小组，对城市重要人流集中区域（商业区、学校、居住小区等）的高层建筑定期进行综合治理等等。
建筑结构的几个控制指标
为了能更好的理解建筑结构设计的三个问题，我们必须介绍一下建筑结构的控制指标：
1.1周期比
周期比是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期的比值。周期比控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关 系，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应，而不是在要求结构具有足够大的刚 度。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002（以下简称《高规》）第4.3.5条规定：结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。 调整结构周期比的措施主要有两种：1）提高结构的抗扭刚度。这样可以改善结构的抗扭性能，是解决结构抗扭薄弱的根本方法。提高抗扭刚度一般需要调整结构布 置，增加结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度；有时要改变结构类型，如增加剪力墙、异形柱等等。这种改变一般是整体性的，局部的小调整往往收效甚 微。调整原则是要加强结构外圈刚度（例如在建筑周边加剪力墙或者柱间支撑），或者削弱内筒降低结构中间的刚度，以增大结构的整体抗扭刚度。2）降低平动刚 度，使平移周期加长。此法仅适用于原来结构刚度较大，层间位移远小于规范限值的情况。
1.2位移比
位移比是控制结构平面规则性的重要指标，是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值。结构是否规则、对称，平面内刚度分布是否均匀是 结构本身的性能，可以用结构刚心与质心的相对位置表示，二者相距较远的结构在地震作用下扭转可能较大。由于刚心与质心位置都无法直接定量计算，规范采用了 校核结构位移比的要求。在楼板平面内无限刚性的假定下，增加了附加偏心距5%L计算校核位移比。《高规》第4.3.5条规定，在考虑质量偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不 应大于该楼层平均值的1.4倍。位移比是一个相对值，在相同的位移比下，当结构刚度较小、平均侧向位移较大时，扭矩产生的最大位移也大，对结构的危害也较大；相反，如果是同样的位移比，当结构侧向位移较小时，最大位移也相对较小； 此时可以将位移比与位移最大值进行综合考虑，适当放宽位移比的限制值。例如最大层间位移小于规范规定值的50%时，位移比限值可以放松10%，当最大层间位移更小时，放松的幅度还可加大，但不宜超过20%[2]。 调整位移比的措施主要有三种：1）提高结构的抗扭刚度。主要通过调整结构布置来实现，与周期比的控制措施相同。2）提高结构的抗扭承载力。当结构布置的调 整较困难时，可以在设计中考虑“双向地震组合”以提高结构的承载能力，或增大计算扭矩，将附加扭矩加大，增大构件设计内力，提高结构的抗扭承载力[2]。同时也应增加抗震构造措施和延性措施，提高结构变形的延性，加强局部薄弱部位。3）设置防震缝。当结构平面复杂、不对称或各部分刚度、高度和重量相差悬殊时，调整抗扭刚度难以满足规范要求，可以设置防震缝，把整个结构分成几个相互独立的规则结构。
1.3 刚度比
层刚度比是控制结构竖向规则的重要指标，体现了结构整体的竖向匀称度。楼层侧向刚度可取该楼层剪力和该楼层层间位移的比值。在判断楼层是否为薄弱层、地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求时，都是用层刚度比作为依据。规范提供了三种层刚度的计算方法：楼层剪切刚度、剪弯刚度和楼层平均剪力与平均层间位移比值的层刚度。《高规》第4.4.2条规定，抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80% 。楼层层刚度比的变化主要由于竖向构件不连续、楼板大开洞、层高有较大变化等造成的。由于层刚度产生的薄弱层，可以通过调整结构布置和材料强度等级以避免薄弱层的出现。对于不能避免出现的结构薄弱层，规范要求其地震剪力乘以1.15的增大系数，同时应加强抗震延性构造措施，提高结构的抗震等级、楼板加强、弱连接结构的加强等，从而加强薄弱部位。
1.4 层间受剪承载力之比
层间受剪承载力之比也是用来控制结构竖向不规则的重要指标。层间受剪承载力是指在所考虑的水平地震作用方向上，该层全部柱及剪力墙的受剪承载力之和。《高规》第4.4.3条规定，A级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不宜小于其上一层受剪承载力的80%，不应小于其上一层受剪承载力的65%；B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其上一层受剪承载力的75%。楼层抗剪承载力的简化计算，只与竖向构件尺寸、配筋有关，与它们的连接关系无关。由于楼层承载力产生的薄弱层，只能通过调整配筋提高结构的承载能力来解决，如提高“超配系数”等。
1.5剪重比
剪重比是反映地震作用大小的重要指标，是对应于水平地震作用标准值的剪力与重力荷载代表值的比值。由于在长周期作用下，地震影响系数下降较快，计算出来的 水平地震作用下的结构效应可能偏小。而对于长周期结构，地震地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大的破坏作用，但采用振型分解法时无法对此做出较准 确的计算。因此出于安全的考虑，规范规定了最小剪重比。
2、建筑结构设计三个重要问题
2.1 建筑结构的控制设计
理论和试验研究均表明, 并经震害实践证明, 如果要求建筑结构在遭受地震作用时不破坏或不倒塌, 至少应具备下列两个条件之一: 结构的主要部位有足够的强度储备; 结构的主要部位对地震作用下的强追变形有充分的适应能力。如单纯满足前者, 往往需要耗用过多的材料, 且若遭受强烈地震作用, 结构仍可能破坏或倒塌。从而提出抗震结构按两阶段设计, 即在弹性阶段按强度控制, 在弹塑性阶段按变形控制, 这样设计的结构, 既有一定的强度, 又具有较大的延性和耗能能力, 能一定程度地适应强烈地震使结构产生的强迫变形。
包括机构控制：在分析框架和抗震墙结构的倒塌模式的基础上, 提出对破坏机构进行控制, 使之发生期望的破坏机构形式, 达到既具有足够强度又具有足够延性的目的。实现途径是在结构的特定位置设置一定数量的人工塑性铰, 对塑性程度及区域进行控制, 使得结构在强震时能形成最佳耗能机构。对于一个实际的多层、高层建筑结构, 如何实现机构控制。即人工铰的构造、布置和出现顺序的确定, 是一个尚待深入研究的课题, 且是此方案能否真正实现的关键。梁的延性设计：在梁的端部设置特殊腹筋(直腰筋或交叉斜筋), 可以增强梁端的抗震性能, 特别是对于剪跨比小的梁, 延性和耗能均有大幅度的提高。用作抗震墙墙肢间的普通连梁和刚性连梁的延性和耗能特赶对整个抗震墙结构的工作影响极大。试验表明, 当连梁的跨高比为 5 时, 延性和耗能很好, 连梁两端相对竖向位移的延性系数都在 8 以上, 滞回曲线也相当饱满。当连梁的跨高比降至 1 时, 延性系数则降至 3 左右, 滞回曲线严重捏扰, 耗能很小, 最后弯剪破坏。抗震墙的刚性连梁, 其跨高比往往仅为 1左右, 若要使其工作在弹塑性阶段作耗能构件, 则需要对它的组成和构造采取一定措施, 以适应延性和耗能的要求。措施之一是在 1/2 梁高的中性面上留一水平通缝。在缝的上、下两侧各埋置钢板, 钢板上开有椭圆形螺栓孔, 用高强螺栓把两钢板连结。在竖载、风载和小震下, 高强螺栓把水平通缝分开的两部分连梁连结成整体工作, 使刚性连梁整体刚度不变, 以保证其工作在弹性阶段; 在强烈地震作用下, 两钢板发生相对滑动, 原来跨高比为 1 的刚性连梁将被分成两根跨高比为 2 的小梁协同工作。这样, 不仅延性系数由原来的 3 提高为 10 左右, 而且由于钢板间的滑动摩擦, 使其耗能能力也得到了一定改善。措施之二是在刚性连梁内埋设一根工字型钢, 以提高其延性和耗能能力。柱的延性设计：虽然不希望塑性铰发生在柱上, 但是它们仍需具有一定的延性和耗能能力, 才能保证大震时不倒。试验表明, 采用螺旋箍筋能较大程度地提高柱的延性和后期抗轴压能力。螺旋箍筋分为矩形箍和圆形箍, 单旋箍和复台箍。其中复合螺族旋箍效果最好, 圆形箍比矩形箍要好。 新型复合材料节点：节点的合理设计是提高结构抗震性能的关键之一。而提高其强度和延性仅靠增加箍筋效果不显著, 而且太多箍筋给施工带来较大的困难。因而不少学者致力于一些新型节点的研究, 其中以钢纤维砼和劲性砼梁柱节点效果较好。这种节点由于劲性钢材或钢纤维与砼的共同工作, 使得节点区砼的受力性能, 特别是剪切变形大大改善, 延性和耗能能力显著提高。折曲撑和偏心连结支撑：一般的交叉支撑框架剪切变形能力低、刚度降低幅度大、耗能差, 采用折曲撑或偏心连结支撑抗侧力单元, 可以改善这些缺点, 其中折曲撑由钢纤维砼杆制造, 偏心连结支撑可用钢杆或劲性钢筋砼杆组成。设计原则是在强震时让折曲撑先弯折破坏, 然后梁才破坏, 即形成撑一梁一柱的理想破坏机制。由于曲撑的存在和钢纤维砼的良好变形能力。整个框架单元的延性和耗能性能好, 而且在正常使用荷载下, 曲撑又能保证一定的抗凹刚度
2.2 高层建筑结构设计中的结构刚度
在高层建筑结构设计中, 现行的规范是《高层建筑混凝土结构技术规程》高层建筑层数多、高度大, 为保证高层建筑结构具有必要的刚度, 应对其层间位移加以控制。这个控制实际上是对构件截面大小、刚度大小的一个相对指标。高层建筑的抗侧刚度对结构的抗震性有很大的影响, 应设计的刚些, 还是柔些, 不同的设计人员有不同的看法，目前大多数建筑都设计的比较刚。
2.3 建筑结构工程的特点与设计重用目标
设计重用的本质是通过充分利用已有的设计成果提高新设计的设计效率。只要不同的设计中存在相同或相似的部分, 理论上就可以采用设计重用的方法减少重复工作量。在一个建筑工程内存在很多重复内容。由于建筑物必须自下而上逐层建造, 各个楼层的平面布局逐层渐变,相邻和相近楼层存在相当数量的重复内容。设计过程中, 工程师通常把相同布局的楼层归并为标准层, 并将标准层作为相对独立的设计单元进行设计, 每个标准层逐一设计, 并具有单独成套的图纸。研究的目标除了从已经完成的标准层设计中提取可重用的设计信息、减少新标准层的设计工作量外, 另一个重要目标是提高维护设计的效率。这是因为建筑工程作为一种复杂的定制型工程, 设计变更和修改占据了设计过程的大部分时间, 如果采用设计重用, 就可用一个可重用单元替代重复设计部分,这样, 修改可重用单元就可将修改自动作用于相关标准层, 避免了逐一修改各标准层。
3、结 论
只有很好的贯彻和解决这三个问题，我们才能真正在建筑结构设计有所突破，才能够设计更安全，更有美感的建筑。所以我们必须要了解、领悟这三个常见问题比加以注意和解决。
参考文献
[1]谢芝馨.实现建筑材料、建筑结构、建筑施工共同发展的相关问题[J].福州大学学报( 自然科学版) , 1996(S1) .
[2] 李艳丽.高层住宅小区地下室车库结构设计[J].土木建筑学术文库，http://www.cnkikbs.com 2011，15(1).
[3] 梅洪元，付本臣.中国高层建筑创作理论发展研究[A].高层建筑与智能建筑国际学术研讨会[C].2010. |
