多层岭南新建筑的结构设计常见问题的探讨

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　　 摘要：通过对多层岭南新建筑这一类具有鲜明特点的建筑结构设计进行分析，寻找该类框架结构体系设计中存在并容易被忽略的一些问题，通过查阅相关的规范、规程及设计资料，对问题的解决进行了阐述和分析。
　　关键词：多层岭南新建筑、框架结构、问题解决方法
　　Abstract: based on the new building this kind of multilayer lingnan have distinctive features of structure design analysis, looking for the frame structure existing in the design and are easy to overlook some questions, by consulting related specifications, procedures and design material, to solve the problems is discussed and analyzed.
　　Keywords: multilayer lingnan new buildings, the frame structure, problem solving methods
　　
　　
　　中图分类号：G267文献标识码：A 文章编号：
　　
　　随着经济的发展和社会的进步，广东地区的建筑越来越多样化，高层现代建筑越来越多，同时，独具岭南特色的多层酒店、办公等建筑也越来越多，该类建筑的特点必然会对结构的设计造成较大的影响，在同一建筑里常常会出现大空间、夹层、错层、越层柱、短柱、斜柱、大悬挑等等不利的结构形式及组合。经过笔者多年的设计实践，发现在该类建筑的结构设计过程中容易出现一些遗漏及错误，为了避免及减少这些遗漏及错误对日后的工程设计造成不必要的损失及影响，现将其总结如下：
　　
　　1 结构选型
　　多层岭南新建筑具有“开敞通透的平面与空间布局、轻巧的外观造型、明朗淡雅的色彩、建筑与大自然及庭院的结合”的特点，必然导致其体型复杂、平面布置不规则、相邻层平面变化大、竖向空间灵活多变，相应会造成结构体系的平面凹凸不规则、楼板的尺寸和平面刚度急剧变化（楼板局部不连续）等问题。综合考虑建筑的层数、体型、布局，再结合框架结构的布置灵话、抗震性、整体性及经济性好的优点，多层岭南新建筑基本上都是采用钢筋混凝土框架结构体系，如因建筑外型尺寸控制的需要，局部可采用钢结构。框架结构应遵从刚度布置均匀和传力途径短、简单明确的原则进行布置，采用符合实际的计算模型进行分析，判明受力大的易损部位，相应进行结构布置的调整及采用相应的加强措施。对于体型庞大、复杂、平面不规则的建筑，应根据《建筑抗震设计规范》[2] 的相关规定，并结合建筑本身的功能使用要求及立面效果等因素，在适当部位设置抗震缝，形成多个较规则的框架抗侧力结构单元。
　　
　　2 结构计算
　　目前,建筑结构分析都是采用三维空间结构分析计算程序进行计算，目前比较通用的计算软件有：SATWE、TAT、TBSA 或ETABS、SAP 等，考虑到计算软件的普及通用性及楼板局部不连续假定计算的需要，本文以SATWE计算软件作为分析。
　　2.1计算简图的处理
　　结构计算中，计算简图选取的正确与否，直接影响到计算结果的准确性。相应多层岭南新建筑平面设计特点，事前必须仔细对建筑的平面、标高等变化等进行透彻研究，再选定结构体系及是否需要设置抗震缝来划分单元体块，然后遵从刚度布置均匀和传力途径短、简单明确的原则来构筑计算简图模型。在满足建筑设计需要的前提下，计算简图的确立应尽量减少短柱、大悬挑等不利构件的布置。计算简图模型的构筑除按规范要求设计外，应同时要注意以下的问题：
　　2.1.1多层建筑无地下室情况
　　一般情况下，基础梁设置在基础高度范围内，作为基础的一部分，此时结构的底层计算高度应取基础顶面至一层楼板顶面的高度；基础梁仅考虑承担上部墙体荷载，且宜按基础拉梁设计，纵向受力钢筋取所连接的柱子的最大轴力设计值的10％作为拉力来计算。
　　现实中也常常存在基础埋深过大的情况，为了减少底层的计算高度和底层的位移，通常在±0.000 以下的某个适当位置设置基础拉梁；这种情况下，基础拉梁应作为一层平面输入，底层计算高度应取基础顶面至基础拉梁顶面的高度，二层计算高度应取基础拉梁顶面至一层楼板顶面的高度。基础拉梁截面及配筋按实际计算结果采用。若因此造成底层框架柱形成短柱，应采取构造措施予以加强。
　　2.1.2越层柱问题
　　越层柱需要注意柱计算长度的确定，这关系到柱的结构安全控制问题，必须引起注意。虽然，SATWE计算软件程序会自动搜索越层柱及单边越层柱的信息并越层判断出完整柱来进行计算处理，但会存在一种特例。由于程序设计将地下室强制采用刚性楼板假定，穿越地下室的越层柱不能被正确搜索，程序将按层逐段计算其长度系数来核算柱的安全问题，这一不注意就往往会导致结构的设计偏于不安全。对于穿越地下室的越层柱，设计人员可通过按实际情况来修改SATWE计算软件前处理中有关杆件的“修改构件长度系数”项的相关数据，或自行进行核算。
　　2.1.3电梯井问题
　　在地震作用下，因高层框架结构的位移较难控制而常常采用剪力墙筒体结构设计, 而多层框架结构的位移相对较小、容易控制，故对于多层的框架结构电梯井，完全可以采用框架加填充墙形式设计。在实际设计中, 应适当加强电梯井周边相关联的梁、柱刚度，并在电梯井四角位设置构造柱连接上、下层，并根据电梯管井预埋件需要增设连系梁将构造柱进行拉结，再填充墙体；通过有效的构造措施来保证电梯井垂直度及安全性能。若要将电梯井做成钢筋混凝土剪力墙筒体形式，由于筒体刚度大，会吸收较大地震力，相应减少框架部分吸收的地震力，则框架部分偏于不安全，容易导致整体结构不稳定。
　　2.2 结构计算参数的选定
　　考虑到多层岭南新建筑常常存在结构体系的平面凹凸不规则、楼板的尺寸和平面刚度急剧变化等问题，对于结构计算参数的选定，除了根据《建筑抗震设计规范》[2] 的相关规定正常进行选取外，亦需考虑工程的特点来进行考量：
　　2.2.1周期折减系数
　　框架结构由于填充墙的存在，使结构的实际刚度大于计算刚度（只算梁、柱等构件刚度），实际周期比计算周期小。因此，计算出的地震作用效应偏小，使结构偏于不安全，因而对结构的计算周期进行折减是必要的。折减系数可根据填充墙的材料及数量选取0.7～0.9，若结构体系存在较多的越层柱，则更应往小中取值。
　　2.2.2计算振型个数
　　一般来说，多层框架结构取3个振型数作计算就足够了。如因结构层刚度突变较大导致达不到《建筑抗震设计规范》[2] 的条文说明中第5.2.2条“振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数”的规定，则需按3的倍数增加振型数，但总振型数不得超过整个结构体系的有效动力自由度3n（n为楼层数），否则会造成地震力计算异常。
　　2.2.3薄弱层地震作用效果调整
　　如因多层岭南新建筑平面设计变化过大的原因，往往容易形成结构体系的侧向刚度不规则，产生结构薄弱层。设计人员应留意试算时的有关信息，有薄弱层出现则应按程序要求输入薄弱层楼层号，程序将自动对薄弱层构件的地震力按规范要求放大1.15倍来进行计算。同时，还应对薄弱层按《建筑抗震设计规范》[2] 有关规定进行弹塑性变形分析，并应采取措施提高其抗震性能。
　　2.3 楼板计算问题
　　对于多层岭南新建筑常常存在结构体系的平面凹凸不规则、楼板的尺寸和平面刚度急剧变化的特点，平面必然存在薄弱部位。在结构计算分析中，应对楼板采用分块刚性模型加弹性楼板连接的计算模型，将薄弱部位的楼板设为弹性楼板，反映该处楼板平面内和平面外刚度。但在进行平面扭转分析，即验算扭转比时仍应采用刚性楼板假定，以使分析结果具有明确的物理意义。对楼板薄弱部位的板厚适当加大，并相应提高配筋率。
　　
　　3 其它应注意问题
　　3.1短柱问题
　　短柱破坏形式一般为剪切破坏或纵筋的粘结滑移破坏，均属脆性破坏，危害大，所以在设计中应尽量避免短柱的出现。对于多层岭南新建筑，常常采用错层设计，容易导致一些短柱的出现，这就需要设计人员予以充分的重视。短柱的判定应以柱的剪跨比λ为准,只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱。应在图纸中以醒目的标志对短柱进行表示，并采用复合矩形螺旋箍筋和高强复式螺旋箍筋对短柱进行处理，加强对混凝土的约束，有效地提高柱子的抗剪、抗压承载力，改善短柱的抗震性能。
　　3.2无地下室的斜柱基础设计问题
　　因外观造型的需要，多层岭南新建筑常常会采用斜柱支撑屋面遮阳板的手法进行立面设计。设计人员往往只重视对斜柱本身的性能设计分析，而忽略斜柱柱脚弯矩对基础设计造成的影响。斜柱的倾角对柱脚弯矩影响较大，此时，在基础设计应同时取柱脚最大弯矩组合工况对其进行验算，群桩基础要考虑可能出现的抗拔桩处理问题。
　　
　　4 结语
　　多层框架体系的结构设计虽然较为成熟、简单，但随着建筑设计的多样化，其亦会具有不同特性，设计中仍会存在一些需关注的问题，设计人员必须具备良好的结构概念和熟练掌握规范，才能避免及减少一些遗漏及错误，设计出既安全又经济的作品。
　　
　　参考文献：
　　[1] 混凝土结构设计规范（GB 50010-2010）
　　[2] 建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）
　　[3] 建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)
　　[4] SATWE用户手册及技术条件
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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