建筑结构设计的应用探讨

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摘要：随着建筑规模的不断发展,大型建筑愈来愈多,形式越来越多样化、结构设计越做越复杂,建筑结构设计也越来越成为工程师设计的难点之所在。本文结合某工程实际，就建筑结构设计中的原则、特点做一介绍，阐述了设计技术具体措施，最后介绍了在设计中的注意事项。

关键词：建筑结构；结构设计；设计特点；

Abstract: With the continuous development of the scale of construction, large-scale construction is more and more, more diverse forms, structure design is more complex, building structure design is also more and more become the engineer to design the difficult point. This paper combining with the practical engineering, architectural structure design principle, characteristic to make one introduction, elaborated the design technical measures, at last it introduces the design matters needing attention.

Key words: building structure; structure design; design features;

中图分类号；TU3 文献标识码：A 文章编号：

引言

随着我国城市化进程不断发展和加快，及国民经济的高速发展，我国建筑的需求也日益增多，这也给建筑设计带来了诸多挑战。在这样的情况下，如何设计出较为舒适、安全经济的建筑，现在已经成为施工人员要面对的问题。本文结构实际案例，进行分析探讨。

一、建筑结构设计的基本要求

1.1结构的规则性。

（1）不应采用严重不规则的结构体系。建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。建筑不应采用严重不规则的结构体系，应符合下列要求：

1）应具有必要的承载能力、刚度和变形能力；

2）应避免因部分结构或构件的破坏而导致整个结构丧失承受重力荷载、风荷载和地震作用的能力；

3）对可能出现的薄弱部位，应采取有效措施予以加强。

（2）建筑的结构体系尚宜符合下列要求：

1）结构的竖向和水平布置宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部突变和扭转效应而形成薄弱部位；

2）宜具有多道抗震防线。

1.2规则结构的主要特征。建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。

规则结构一般指：体型（平面和立面）规则，结构平面布置均匀、对称并具有较好的抗扭刚度；结构竖向布置均匀，结构的刚度、承载力和质量分布均匀，无突变。

1.3规则平面布置需满足的要求。结构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，力争均匀对称，减少扭转的影响。在地震作用下，建筑平面要力求简单规则，风力作用下则可适当放宽。抗震设防的建筑，平面形状宜简单、对称、规则，以减少震害。

在建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的平面布置。

抗震设计的B级高度钢筋混凝土建筑、混合结构建筑，其平面布置应简单、规则，减少偏心。

二、某工程案例概况

某体育中心体育场建筑面积为32353m2,看台35062 座,下部结构采用现浇钢筋混凝土框架结构,抗震设防烈度为7度,设计地震分组为一组,框架结构抗震等级为二级。体育场看台顶篷造型像一朵含苞待放的白玉兰,如图1 所示。看台顶棚采用沿径向布置的相贯节点平面桁架结构、沿环向布置的三角形空间管桁架以及水平支撑系统共同组成的钢结构体系,体育场典型结构剖面如图2 所示。

图1 体育场鸟瞰图

图2 典型结构剖面图

考虑结构抗震要求、建筑功能要求和结构屋盖支撑整体性,体育场下部钢筋混凝土主体结构设置两条防震缝,将结构分成三个结构单元。图3 为标高101950m 的结构平面布置图,中部结构单元外侧长度大于260m,两侧较小单元外侧长度大于140m,都大大超过了混凝土规范规定的55m 内可以不设伸缩缝的要求。对于这种超长结构,在混凝土收缩或温度作用下,楼板及体育场看台板很有可能开裂并形成有害的贯通裂缝,影响建筑的外观和功能要求,并对建筑防水和结构的耐久性不利,甚至可能影响建筑的正常使用。

2结构应力分析

在进行超长混凝土结构设计时,对楼板施加预压应力来抵抗混凝土收缩和温度下降所产生的拉应力,控制结构在正常使用条件下楼板不出现有害的贯通裂缝, 是一种方便可行的技术措施。设计时需要知道楼板中产生的拉应力的大小,才能确定施加预应力的大小和预应力钢筋的多少。

图3 结构平面布置图

2.1 混凝土收缩应力

影响混凝土收缩应力的因素有水泥品种、骨料级配、水灰比、养护条件等。混凝土的收缩量及速率随时间变化,结硬初期发展较快, 混凝土浇筑后10～30d 内可完成全部收缩量的15%~25%,3 个月一般完成60%~80%,以后增长缓慢,在1 年后可完成最终收缩量的95%左右。混凝土的收缩是相当分散的,其最终收缩Es 约为(2~5)×10-4,工程取4×10-4。

工程设置了多条后浇带, 各后浇带之间相隔最长约65m,框架结构柱距7~9m,约束混凝土收缩变形的作用较小,后浇带浇筑之前,竖向构件对超长混凝土收缩的约束作用很大一部分属于自由收缩,不产生拉应力,结构可视为一种接近于自由变形的构件。后浇带在两侧混凝土浇筑完成3个月后浇筑,这时可以认为混凝土收缩已经完成了60%的最终收缩量,即E1=60%Es=2.4×10-4,而剩下的E2=40%Es=1.6×10-4 才会在结构中产生拉应力。混凝土的徐变特性有利于结构的内力重分布,使混凝土应力产生松弛,从而减小混凝土收缩变形产生的拉应力。徐变最终应变值约为初始瞬时应变的1~4倍。这种变形相当于混凝土弹性变形模量的折减,从而引起混凝土内应力下降。设混凝土的弹性应变为Ee,取混凝土收缩徐变Esh=2.5Ee,由于徐变而引起的应力折减系数为:W=1/(1+2.5)=0.2857。

弹性模量Ec=3.25×104N/mm2(C40 混凝土),混凝土中由应变E2 产生的拉应力:Rt1=WE2Ec=1.486N/mm2。