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

　　關鍵詞：建筑結構設計;概念設計

　　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文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104(2012)

　　1 概念設計的含義

　　建筑結構的概念設計通常是指不經(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構規(guī)范沒有或者難以規(guī)定的問題中，依據(jù)整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度來確定建筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法，可以在建筑設計的方案階段迅速、有效地對結構體系進行構思、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，也是判斷計算機內力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。

　　概念設計的取得要依據(jù)個人經(jīng)驗的積累，在實際中結合建筑功能要求、結構安全等級、抗震設防等級、地質資料、當?shù)夭牧?、當?shù)刈匀画h(huán)境等來進行定性設計的過程，它的內容可以包括：確定三縫設置、結構體系、基礎形式和埋深、主要構件的幾何尺寸等。比如，有的設計人員用多、高層結構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)。問題還是在于結構概念不明確，沒考慮這兩種結構體系的差異。軟件的選擇和使用不當.造成的危害是不容忽視的。美國一些著名學者和專家曾警告工業(yè)界：“誤用計算機造成結構破壞而引起災難只是一個時間的問題。”然而避免這種情況，概念設計的思想不妨是個好方法。

　　2 概念設計的重要性

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

　　強調概念設計的重要，主要還是因為現(xiàn)行的結構設計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性，比如對混凝土結構設計，內力計算是基于彈性理論的計算方法，而截面設計卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設計方法，這一矛盾使計算結果與結構的實際受力狀態(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構構件的設計，都需要良好的概念設計與結構措施來滿足結構設計的要求。結構工程師加強結構概念的培養(yǎng)，能比較客觀、真實地理解結構的工作性能。

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

　　3 結構體系設計

　　3.1 結構平面設計原則

　　眾所周知，在水平荷載作用下結構側移已成為高層建筑設計中的關鍵控制因素，如何在滿足相關要求的前提下選擇更好的抗側力體系成了結構工程師追求的重大目標。建筑平面的形狀宜選用風壓較小的形式，并應考慮鄰近高層建筑對其風壓分布的影響，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，風荷載作用下則可適當放寬。因為結構整體彎曲變形所引起的側移與結構體系抵抗傾覆力矩的有效寬度的三次方成反比例關系，所以不宜建造寬度很小的建筑物。一般應將結構的高寬比I-WB控制在5—6以下，當設防烈度在8度以上時，H/B限制應更嚴格一些。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)生扭轉等復雜的振動，而使結構受到損害。在規(guī)則平面中，如果結構平面剛度不對稱，仍然會產(chǎn)生扭轉。所以，對任何平面形式的高層建筑來說，其抗側力結構的布置原則都是盡量使平面的質量中心接近于抗側力結構的剛度中心。因此，簡潔、規(guī)整、均勻對稱的平面設計，對于合理布置抗側力結構是有利的。由于質量分布很難做到均勻對稱，在結構布置時，除要求各向對稱外，還最好能具有較大的抗扭剛度，在滿足建筑功能的條件下，把抗側力構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，就大大提高結構的抗扭能力。

　　3.2 結構形式與特點

　　高層建筑對內部空間的要求，因其使用性質和功能不同，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，又要求內部為無柱大空間。隨著結構技術的發(fā)展，一些較新穎結構體系的運用，如懸掛、巨型、懸挑等結構，為滿足各種使用功能要求創(chuàng)造了有利的條件。

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

　　矩型結構：一般有矩形框架結構和矩形桁架結構。矩形框架結構由樓、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構;上下層矩形框架梁之間的樓層梁柱組成二級結構，其荷載直接傳遞到一級結構上，其自身承受的荷載較小，構件截面較小，增加了建筑結構布置的靈活性和有效使用面積。緊靠上層矩形梁的樓層，甚至可以不設柱，形成較大空間，以滿足建筑需要。矩形桁架結構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，矩形結構亦被稱為“超級框架結構”。

　　懸挑結構：體型獨特，外觀新穎，在建筑藝術上有特色，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，這使室內空間的使用更加方便、靈活。但這種結構類型建筑體型上大下小，形成了上層質量大、剛度大，而下層質量小、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 選擇合理結構布置，協(xié)調建筑與結構的關系

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

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

　　3.3.2高層建筑控制位移是主要矛盾，除應從平面體型和立面變化等方面考慮提高結構的總體剛度以減少結構的位移。在結構布置時，應加強結構的整體性及剛度，加強構件的連接，使結構各部分以最有效的方式共同作用;加強基礎的整體性，以減少由于基礎平移或扭轉對結構的側移影響，同時應注意加強結構的薄弱部位和應力復雜部位的強度。此外增強結構整體寬度也可減少側向位移，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構的要求有機地結合起來，又可形成側向穩(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構的整體和局部的不利影響，如扭轉和應力集中效應，建筑平面形狀宜規(guī)正，避免過大的外伸或內收，沿高度的層間剛度和層間屈服強度的分布要均勻，主要抗側力豎向構件，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，應糾正“增加構件強度總是有利無害” 的非抗震設計概念，在設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。簡單地說就是使結構各部分剛度對稱均勻，各結構單元的平面形狀應力求簡單規(guī)則，立面體型應避免伸出和收進，避免結構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，應使荷載合力作用線通過結構剛度中心，以減少扭轉的影響。尤其是布置樓電梯間時不宜設在平面凹角部位或端部角區(qū)，它對結構剛度的對稱性有顯著的影響。

　　4 提高結構的抗震性能

　　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)進行高層建筑結構設計時，除應保證結構具有足夠的強度和剛度外，還應具有良好的抗震性能。通過合理的抗震設計，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，結構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。

　　對于框架結構，梁柱節(jié)點是保證框架有效地抗御地震作用的關鍵部件，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，且柱的破壞直接導致本層結構的失效。因此框架結構設計應使節(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)揮整體結構的抗震能力。為了保證鋼筋砼結構在地震作用下具有足夠的延性和承載力，應按照“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節(jié)點弱構件” 的原則進行設計，合理地選擇柱截面尺寸，控制柱的軸壓比，注意構造配筋要求，

　　特別是要加強節(jié)點的構造措施。

　　對于框架一剪力墻結構和剪力墻結構中各段剪力墻(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。

　　參考文獻：

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