肖平平 梁金福
（广西壮族自治区建筑工程质量检测中心，广西，南宁，530005）
【摘 要】在工程建设过程中，房建结构设计主要需要对建筑结构设计体系、结构抗震设计要求进行分析研究，并根据研究结果设计出具有良好施工质量和抗震效果的建筑工程。基于此，本文对房建结构设计体系选型及抗震结构的研究进行探讨。
【关键词】房建结构；设计体系选型；抗震结构
1 研究房建结构设计体系的意义
在房建工程中，建筑结构除了要承受风力产生的水平荷载和建筑自身的垂直荷载外，还需要抵御地震带来的影响。尤其对于高层建筑来说，更需要对地震影响和水平荷载进行重点考虑。高度越大的建筑，如果侧移度过大，会损坏建筑构件和非结构构件。因此，要径建筑结构的侧移控制在合理范围中，抗侧力结构的设计也就成为了建筑结构设计中的重点[1]。近年来，建筑结构的功能要求日益复杂，竖向体系和平面布置越来越复杂，建筑的高度不断增加、层数逐渐增加，以往的抗侧体系已经不能在达到使用要求。一些现代化的结构设计形式逐渐出现。
在房建工程设计中，一般使用钢筋混凝土和钢材两种施工材料，由于钢筋混凝土结构的造价不高，材料丰富，可以根据使用要求设计成不同的结构体系。并且合理的设计可以提高建筑的抗震性能。同一种结构体系虽然可以使用不同的材料实现，但是这种结构体系的经济性能一般差异性比较大，所以，需要对结构系统、结构材料、基础形式等进行优化，使建筑结构在具有良好的刚度和承载力的同时，还具有良好的抗震性。
2 建筑结构的设计重点和设计特点
2.1 水平荷载的影响
对于房建工程来说，都需要承受风力造成的水平荷载以及自身的垂直荷载，并且还要可以抵御地震的影响。对于一些比较低的房建工程来说，水平荷载的影响并不大，只是将竖向荷载作为设计重点。但是对于比较高的建筑结构来说，虽然竖向荷载对建筑的影响比较大，但是水平荷载的影响也成为了不可忽略的一个设计内容。随着建筑层数日益增加，如何抵御水平荷载的影响越来越重要。由于楼面使用荷载和房屋自重在竖向构件中产生的弯矩数值和轴力和楼房高度一次方成正比关系，而水平荷载对结构产生的倾覆力矩、竖构件中产生的轴力和楼房高度的二次方成正比，此外，地震的影响以及竖向荷载风荷载的影响，这些数值随着结构动力不断增加也会出现比较大的变化。在高层建筑中，假设结构受水平荷载q产生的倾覆力矩为M，竖向结构对竖构件产生的轴向力矩为N，和房屋高度H之间的关系如下式所示：
从图中不难看出，在建筑结构不断增加的情况下，建筑水平位移会快速增加，弯矩也会增加。
2.2 轴向变形对建筑结构的影响
（1）对构件侧移和剪力的影响。某框架结构的楼房平面如图2所示。在水平荷载的影响下，使用相同的矩阵位移法，分别使用考虑杆件轴向变形和不考虑轴向变形的方法对位移和剪力进行计算，通过对计算结果进行对比发现，相较于考虑竖向杆件轴向变形的剪力来说，各个构件水平误差会超过30%左右，结构的顶点出现的侧向位移也会降低一半左右。
图2 不考虑竖向杆件轴向变形和构件水平剪力以及结构平面产生的误差
（2）对连续梁弯矩造成的影响。在房建工程中，框架结构的轴压力一般都会大于边柱的轴压力，中柱的轴向变形压缩也明显大于边柱的轴向压缩变形。随着建筑高度的增加，差异轴的变形值会随着增加，造成连续梁中间支座的负弯矩值降低，端支座和跨中正弯矩值增加。
在分析建筑结构时，要充分考虑轴向变形对建筑的影响。由于竖向荷载对结构产生的影响不是在随着工程的进展逐渐增加的，随着工程的逐渐进行，轴向压缩变形也会分阶段完成。因此，在分析轴向变形时，要重点对施工过程中粉尘竖向荷载的影响进行考虑，不可只是按照一次加载进行分析。
2.3 结构延伸性的分析
相较于地层建筑来说，高层房建项目的结构柔性参数比较重要，在柔性参数的影响下，出现地震时，建筑会的反应也会比较并行，会产生比较严重的变形，为了提高变形参数，避免地震对房建工程造成的破坏，需要制定的具体的应对措施来保证房建工程结构的延伸性和稳固性。
3 房建工程常见的结构体系
3.1 剪力墙的结构体系
在受力结构主体主要由平面剪力墙结构构成时，就会构成剪力墙体系。在剪力墙结构系统中，单片剪力墙会会承受所有的水平力和垂直荷载，结构位移为弯曲型位移。由于剪力墙体系的刚度和强度都非常高，具有良好的延伸性，整体性能好且不宜倒塌，是高层建筑常用的一种结构体系。
3.2 框架、剪力墙结构体系
在框架体系的刚度和强度无法达到设计要求时，一般会在建筑平面的是的那个位置布置剪力墙来取代框架结构，从而构成框架、剪力墙结构。在受到水平荷载的影响时，剪力墙和框架会利用连梁和楼板构成一个整体，在这种结构体系中，剪力墙结构主要承受水平荷载、框架体系主要承受垂直荷载。通过设置剪力墙，显著提高的建筑结构的侧向刚度，降低了建筑结构的水平位移，并且框架结构的水平剪力也明显降低，并且内力可以在竖向结构中均匀分布[3]。因此，框架、剪力墙系统的结构建设高度会超出框架体系。
3.3 筒体体系的结构系统
筒体体系结构主要有框架筒体、单筒体、多束筒、筒中筒等类型。作为一种空间受力构件，筒体主要分为空腹筒和腹筒两类，其中空腹筒主要是开孔钢筋混凝土外墙或窗裙梁和密排柱组成的空间受力构件，实腹筒是由曲面墙和平面墙围城的三维竖向结构单体。筒体系统的强度和刚度都比较大，并且构件具有良好的抗震性能和抗风性能，结构的受力也相对合理，一般在超高层建筑或大空间、大跨度建筑中应用。
4 建筑结构的设计措施
4.1 建筑结构分析中的假定
（1）建筑结构小变形假设。在建设设计中，小变形假定是一种比较常用的假定，业内专家对P-△效应（几何非线性问题）进行研究后认为，在建筑物的高度H和建筑顶点水平位移△的比值△/H＞1/500时，需要考虑几何非线性问题对建筑结构的影响。
（2）弹性假设。在分析高层建筑结构时，弹性技术法是一种比较常用的分析方法，在风力和垂直荷载的影响下，建筑结构一般会处在弹性工作环节。在受到强台风和地震的影响时，高层建筑结构会出现比较大的位移，甚至产生裂缝。此时，结构就会进入到弹塑性的工作状态中，如果仍然按照弹性方法对位移和内力进行计算，无法将结构的实际工作状态反应出来，此时，需要根据弹塑性动力分析的方法设计建筑体系。
（3）计算图形的假设。在建筑结构系统中，使用的计算图形主要有以下几种：①一维协同分析。在使用一维协同进行分析时，只需要对每一个抗侧力构件在位移自由度方向上变形的协调性即可。在水平力的影响下，会将结构系统简化成由水平方向上构成的抗侧力平面结构，然后对刚性楼板进行假设，要保证相同楼板标高处各个榀坑侧力结构构件的侧移一致，并以此建立出一维协同方程。一维系统分析一般使用计算图形的方法进行计算。②二维协同的分析。在分析二维协同时，虽然将单榀抗侧力构件当做平面结构，但是考虑到同层楼板各榀的抗侧力构件会对楼面中的变形进行协同，可以使纵向和横向两个方向的抗侧力构件同时进行工作，并且可以同时及时水平力和扭矩。在将钢性楼板的假定引入后，每一层的楼板都会有三个自由度，并且可以根据三个自由度确定各个抗侧力构件的位移。使用矩阵位移的方法计算剪力楼板对应外力和楼板位移之间的平衡方程。③分析三维空间。在分析二维系统时，对抗侧力构件在公共节点上楼面的位移协调性考虑不全面，并且没有考虑抗侧力构件平面的扭转刚度和外刚度。一般三维空间分析的普通杆单元的各个节点分别有六个自由度，根据拉索夫薄壁理论在对杆端节点进行分析时，还需要对曲面的翘曲度进行考虑。因此，自由度为七个 。
（4）刚性楼板假设。大部分高层建筑结构分析时，都假设楼板自身的平面刚度会不断增加，但是却没有考虑平面外的刚度，这一假设导致结构的自由度降低，使计算方法简化。通常将这种假定应用于剪力墙结构和框架体系是允许的，但是，对于一些竖向刚度出现明显变化的结构，由于楼板刚度小，楼层比较少、主要抗测力构件之间的距离比较大，会对楼板的变形造成比较大的影响。由于对于建筑顶部和底部各层位移和内力的影响更加显著，可以通过适当调整楼层应力的方法来对这种影响进行分析。
4.2 不同结构体系使用的分析方法
4.2.1 剪力墙结构系统的分析
剪力墙的变形形态和受力特性主要是由剪力墙的开洞情况决定的，根据单片剪力墙的特性，可以分为小开口整体墙、单肢墙、特殊开洞墙、联肢体墙、框支墙等。剪力墙的类型不同，截面应力的分布也存在较大的差异性，在对位移和内力进行计算时，也应对应使用合理的计算方法。一般剪力墙的结构使用平面有限单元法进行计算，使用这种方法的计算结果比较准确，并且可以适用于各种类型的剪力墙。不过由于这种方法比较灵活，会消耗大量的计算机资源。当前一般只用来计算框支剪力墙转换层、特殊开洞墙的应力分布。
4.2.2 框架剪力墙的系统分析
一般计算框架剪力墙的位移和结构内力的方法比较多，多是先使用连梁连续化进行假设，然后，根据框架水平位移、剪力墙以及转角相等的位移协调条件，建立出外荷载和位移之间的关系微分方程进行计算。使用这种方法考虑因素和未知量存在差异性，对问题的解决方法也不同。在对框架、剪力墙进行计算时，一般会先将结构专变成等效壁式框架，然后利用杆系结构矩阵位移的方法进行求解。
5 抗震设计的研究
在对房屋建筑的抗震设计进行分析时，主要按照以下几个步骤进行：（1）在弹性作用力的影响下，房屋建筑结构要选择与之对应的地震动参数，可以更加精确的计算出地震效应。（2）在选择地震动参数时，要根据参数对房屋结构的各层的位移参数进行分析和研究，确保房屋建筑中的抗震标准可以达到对应参数的规定，确保房建工程在地震的影响下，具有良好的延性和变形能力。（3）使用第三水准地质动参数计算房建工程的抗震性能，特别需要计算抗震能力比较弱的位置层的位移参数，确保其抗震设计可满足规范要求，并保证房建工程的抗震设计可以达到设计的要求。
6 结论
总而言之，房建结构在设计时，要将抗震设计和结构的选型有机结合起来，将建筑设计的抗震作用充分发挥出来，对建筑的设计要求进行全面考虑，确保建筑刚度和质量可以均匀分布，避免出现扭转地质效应的情况，提升建筑物的性能和稳定性。
参考文献：
[1]高磊.高层建筑结构体系选型与建筑结构设计及施工关系研究科[J].科技创新导报,2009,8(11):89-90.
[2]陈子强.建筑结构选型的思路及其抗震设计应用[J].建筑设计管理，2010，4(20):213-214.
[3]朱小斌.当前房建结构设计与检测的主要问题与对策研究[J].工业设计，2011,10(15):176-177.
作者简介：
肖平平（1971-）男，湖北， 高级工程师，研究生，土木工程专业，从事工作：工程质量检测。
梁金福（1982-）男，壮族，广西上林县人，工程师，研究生，结构工程专业，从事工作：工程质量检测。
论文作者:肖平平,梁金福
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年7月供稿
论文发表时间:2015/11/9
标签：结构论文; 荷载论文; 位移论文; 建筑结构论文; 构件论文; 体系论文; 剪力墙论文; 《工程建设标准化》2015年7月供稿论文;