摘 要：本文從概念設(shè)計角度出發(fā)探討了在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要注意的一些基本結(jié)構(gòu)概念知識，從而保證建筑的經(jīng)濟性和可靠性。

　　關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計;概念設(shè)計

　　Abstract: This article discusses the basic structural concept knowledge which needs attention from the perspective of conceptual design in structural design process, so as to ensure to make the building economy and reliability.

　　Key words: structural design; conceptual design

　　中圖分類號：TU2文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-2104(2012)

　　1 概念設(shè)計的含義

　　建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計通常是指不經(jīng)數(shù)值計算，特別是在一些難以作出精確理性分析或在建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范沒有或者難以規(guī)定的問題中，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法，可以在建筑設(shè)計的方案階段迅速、有效地對結(jié)構(gòu)體系進行構(gòu)思、比較與選擇，易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設(shè)計階段一些不必要的繁瑣運算，具有較好的經(jīng)濟可靠性能。同時，也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

　　概念設(shè)計的取得要依據(jù)個人經(jīng)驗的積累，在實際中結(jié)合建筑功能要求、結(jié)構(gòu)安全等級、抗震設(shè)防等級、地質(zhì)資料、當(dāng)?shù)夭牧稀?dāng)?shù)刈匀画h(huán)境等來進行定性設(shè)計的過程，它的內(nèi)容可以包括：確定三縫設(shè)置、結(jié)構(gòu)體系、基礎(chǔ)形式和埋深、主要構(gòu)件的幾何尺寸等。比如，有的設(shè)計人員用多、高層結(jié)構(gòu)三維空間分析程序來計算底層框架，還人為的布置一些抗震墻，即不能滿足樓層間的合理剛度比，也不能正確地反映底層框架在地震時受力狀態(tài)。問題還是在于結(jié)構(gòu)概念不明確，沒考慮這兩種結(jié)構(gòu)體系的差異。軟件的選擇和使用不當(dāng).造成的危害是不容忽視的。美國一些著名學(xué)者和專家曾警告工業(yè)界：“誤用計算機造成結(jié)構(gòu)破壞而引起災(zāi)難只是一個時間的問題。”然而避免這種情況，概念設(shè)計的思想不妨是個好方法。

　　2 概念設(shè)計的重要性

　　概念設(shè)計是展現(xiàn)先進設(shè)計思想的關(guān)鍵。一般認(rèn)為，概念設(shè)計做的好的結(jié)構(gòu)工程師，隨著他不懈追求盡善盡美的設(shè)計思想，其結(jié)構(gòu)概念將隨他年齡的增長與實踐的積累越來越豐富，設(shè)計成果也越來越創(chuàng)新、完善。遺憾的是，隨著社會分工的越來越細(xì)，很大一部分結(jié)構(gòu)工程師還停留在只會依賴規(guī)范、設(shè)計手冊、計算機程序做習(xí)慣性傳統(tǒng)設(shè)計的階段，缺乏創(chuàng)新，有的甚至拒絕對新技術(shù)、新工藝的采納，害怕承擔(dān)創(chuàng)新的責(zé)任。這種狀況在—體化計算機結(jié)構(gòu)程序設(shè)計全面應(yīng)用的今天，已經(jīng)遠遠不能適應(yīng)設(shè)計工作的要求，亟待發(fā)展和改變。

　　強調(diào)概念設(shè)計的重要，主要還是因為現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性，比如對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)力計算是基于彈性理論的計算方法，而截面設(shè)計卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法，這一矛盾使計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)差之甚遠，為了彌補這類計算理論的缺陷，或者實現(xiàn)對實際存在的大量無法計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計，都需要良好的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。結(jié)構(gòu)工程師加強結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng)，能比較客觀、真實地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。

　　概念設(shè)計之所以重要，還在于方案設(shè)計階段，初步設(shè)計過程是不能借助于計算機來實現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，選擇效果最好、造價最低的結(jié)構(gòu)方案。

　　3 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計

　　3.1 結(jié)構(gòu)平面設(shè)計原則

　　眾所周知，在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑設(shè)計中的關(guān)鍵控制因素，如何在滿足相關(guān)要求的前提下選擇更好的抗側(cè)力體系成了結(jié)構(gòu)工程師追求的重大目標(biāo)。建筑平面的形狀宜選用風(fēng)壓較小的形式，并應(yīng)考慮鄰近高層建筑對其風(fēng)壓分布的影響，還必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載。在地震作用下，建筑平面要力求簡單規(guī)則，風(fēng)荷載作用下則可適當(dāng)放寬。因為結(jié)構(gòu)整體彎曲變形所引起的側(cè)移與結(jié)構(gòu)體系抵抗傾覆力矩的有效寬度的三次方成反比例關(guān)系，所以不宜建造寬度很小的建筑物。一般應(yīng)將結(jié)構(gòu)的高寬比I-WB控制在5—6以下，當(dāng)設(shè)防烈度在8度以上時，H/B限制應(yīng)更嚴(yán)格一些。另外，建筑平面的長寬比也不宜過大，一般宜小于6，以避免兩端相距太遠，振動不同步，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜的振動，而使結(jié)構(gòu)受到損害。在規(guī)則平面中，如果結(jié)構(gòu)平面剛度不對稱，仍然會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。所以，對任何平面形式的高層建筑來說，其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的布置原則都是盡量使平面的質(zhì)量中心接近于抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度中心。因此，簡潔、規(guī)整、均勻?qū)ΨQ的平面設(shè)計，對于合理布置抗側(cè)力結(jié)構(gòu)是有利的。由于質(zhì)量分布很難做到均勻?qū)ΨQ，在結(jié)構(gòu)布置時，除要求各向?qū)ΨQ外，還最好能具有較大的抗扭剛度，在滿足建筑功能的條件下，把抗側(cè)力構(gòu)件從中心布置和分散布置，改為沿建筑周邊或四個角上布置，就大大提高結(jié)構(gòu)的抗扭能力。

　　3.2 結(jié)構(gòu)形式與特點

　　高層建筑對內(nèi)部空間的要求，因其使用性質(zhì)和功能不同，建筑平面布置也就隨之變化。小空間平面布置方案僅適用于住宅及旅館;辦公室要求大小空間兼有;餐廳、商場、展覽廳等，則要求有能靈活分隔的大空間;舞廳，宴會廳和報告廳等，又要求內(nèi)部為無柱大空間。隨著結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，一些較新穎結(jié)構(gòu)體系的運用，如懸掛、巨型、懸挑等結(jié)構(gòu)，為滿足各種使用功能要求創(chuàng)造了有利的條件。

　　懸掛結(jié)構(gòu)：是指采用吊桿將高樓各層樓蓋分段懸掛在主構(gòu)架上所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系。主框架與矩形框架相類似，承擔(dān)全部側(cè)向和豎向荷載，并將它直接傳至基礎(chǔ)。除主框架落地外，其余部分均從上面吊掛，可以不落地。

　　矩型結(jié)構(gòu)：一般有矩形框架結(jié)構(gòu)和矩形桁架結(jié)構(gòu)。矩形框架結(jié)構(gòu)由樓、電梯井組成大尺寸箱形截面矩形柱，有時也可以是大截面實體柱，每隔若干層設(shè)置一道1層～2層樓高的矩形梁。它們組成剛度極大的矩形框架，是承受主要的水平力和豎向荷載的一級結(jié)構(gòu);上下層矩形框架梁之間的樓層梁柱組成二級結(jié)構(gòu)，其荷載直接傳遞到一級結(jié)構(gòu)上，其自身承受的荷載較小，構(gòu)件截面較小，增加了建筑結(jié)構(gòu)布置的靈活性和有效使用面積。緊靠上層矩形梁的樓層，甚至可以不設(shè)柱，形成較大空間，以滿足建筑需要。矩形桁架結(jié)構(gòu)以大截面的豎桿和斜桿組成懸臂桁架，主要承受水平和豎向荷載。樓層豎向荷載通過樓蓋、梁和柱傳遞到桁架的主要桿件上。因此，矩形結(jié)構(gòu)亦被稱為“超級框架結(jié)構(gòu)”。

　　懸挑結(jié)構(gòu)：體型獨特，外觀新穎，在建筑藝術(shù)上有特色，加之外柱截面很小、四周開敞，很受建筑師的歡迎。其特點是圍繞核心筒在各個方面作出懸挑，由核心承受所有的荷載，圍繞核心筒可以創(chuàng)造出沒有任何垂直支撐的平面形式，這使室內(nèi)空間的使用更加方便、靈活。但這種結(jié)構(gòu)類型建筑體型上大下小，形成了上層質(zhì)量大、剛度大，而下層質(zhì)量小、剛度小的不合理分布，因而上部樓層產(chǎn)生很大的水平作用使底部中央筒體受力很大，使用時要慎重對待。

　　3.3 選擇合理結(jié)構(gòu)布置，協(xié)調(diào)建筑與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

　　高層建筑結(jié)構(gòu)體系確定之后，結(jié)構(gòu)布置的合理與否很大程度影響著建筑的使用，結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性和施工的合理性，特別是地震區(qū)會影響結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)構(gòu)布置不當(dāng)，常常造成薄弱環(huán)節(jié)，引起震害。在高層建筑的設(shè)計中，結(jié)構(gòu)布置一般應(yīng)考慮以下幾點：

　　3.3.1應(yīng)滿足建筑功能要求，做到經(jīng)濟合理，便于施工。建筑物的開間、進深、層高、層數(shù)等平面關(guān)系和體型除滿足使用要求外，還應(yīng)盡量減少類型，盡可能統(tǒng)一柱網(wǎng)布置和層高，重復(fù)使用標(biāo)準(zhǔn)層。

　　3.3.2高層建筑控制位移是主要矛盾，除應(yīng)從平面體型和立面變化等方面考慮提高結(jié)構(gòu)的總體剛度以減少結(jié)構(gòu)的位移。在結(jié)構(gòu)布置時，應(yīng)加強結(jié)構(gòu)的整體性及剛度，加強構(gòu)件的連接，使結(jié)構(gòu)各部分以最有效的方式共同作用;加強基礎(chǔ)的整體性，以減少由于基礎(chǔ)平移或扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)的側(cè)移影響，同時應(yīng)注意加強結(jié)構(gòu)的薄弱部位和應(yīng)力復(fù)雜部位的強度。此外增強結(jié)構(gòu)整體寬度也可減少側(cè)向位移，在其它條件不變時，變形與寬度的三次方成正比。因此宜對建筑物的高寬比加以限制，體型扁而重的建筑是不合適的，宜采用剛度較大的平面形狀，如方形、接近方形的矩形、圓形、Y形和蝴鄉(xiāng)等塔式建筑，即把使用要求及建筑體型多樣化和結(jié)構(gòu)的要求有機地結(jié)合起來，又可形成側(cè)向穩(wěn)定的體系。

　　3.3.3在地震區(qū)為了減少地震作用對建筑結(jié)構(gòu)的整體和局部的不利影響，如扭轉(zhuǎn)和應(yīng)力集中效應(yīng)，建筑平面形狀宜規(guī)正，避免過大的外伸或內(nèi)收，沿高度的層間剛度和層間屈服強度的分布要均勻，主要抗側(cè)力豎向構(gòu)件，其截面尺寸、砼強度等級和配筋量的改變不宜集中在同一樓層內(nèi)，應(yīng)糾正“增加構(gòu)件強度總是有利無害” 的非抗震設(shè)計概念，在設(shè)計和施工中不宜盲目改變砼強度等級和鋼筋等級以及配筋量。簡單地說就是使結(jié)構(gòu)各部分剛度對稱均勻，各結(jié)構(gòu)單元的平面形狀應(yīng)力求簡單規(guī)則，立面體型應(yīng)避免伸出和收進，避免結(jié)構(gòu)垂直方向剛度突變等。平面的長寬比不宜過大。以避免兩端相距太遠，振動不同步，應(yīng)使荷載合力作用線通過結(jié)構(gòu)剛度中心，以減少扭轉(zhuǎn)的影響。尤其是布置樓電梯間時不宜設(shè)在平面凹角部位或端部角區(qū)，它對結(jié)構(gòu)剛度的對稱性有顯著的影響。

　　4 提高結(jié)構(gòu)的抗震性能

　　由于高層建筑的受力特點不同于低層建筑，因此在地震區(qū)進行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除應(yīng)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和剛度外，還應(yīng)具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設(shè)計，使建筑物達到小震不壞，中震可修，大震不倒。為了達到這一要求，結(jié)構(gòu)必須具有一定的塑性變形能力來吸收地震所產(chǎn)生的能量，減弱地震破壞的影響。

　　對于框架結(jié)構(gòu)，梁柱節(jié)點是保證框架有效地抗御地震作用的關(guān)鍵部件，它的破壞是剪切脆性破壞，變形能力差，且同時使交于節(jié)點的梁、柱失效，所以應(yīng)保證其不發(fā)生太重的剪切裂縫。彎壓剪作用的柱變形能力一般遠比彎剪作用的梁差，且柱的破壞直接導(dǎo)致本層結(jié)構(gòu)的失效。因此框架結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使節(jié)點基本不破壞，梁比柱的屈服易早發(fā)生，同一層中各柱兩端的屈服歷程越長越好，底層柱底的塑性鉸宜晚形成，應(yīng)使梁、柱端的塑性鉸出現(xiàn)得盡可能分散，充分發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)的抗震能力。為了保證鋼筋砼結(jié)構(gòu)在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應(yīng)按照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點弱構(gòu)件” 的原則進行設(shè)計，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構(gòu)造配筋要求，

　　特別是要加強節(jié)點的構(gòu)造措施。

　　對于框架一剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)中各段剪力墻(包括小開洞墻和聯(lián)肢墻)高寬比不宜小于2，使其在地震作用下呈彎剪破壞，且塑性屈服盡量產(chǎn)生在墻的底部。連梁宜在梁端塑性屈服，且有足夠的變形能力，在墻段充分發(fā)揮抗震作用前不失效，按照“強墻弱梁” 的原則加強墻肢的承載力，避免墻肢的剪切破壞，提高其抗震能力。

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