淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)與技術(shù)措施

摘要：在概念設(shè)計(jì)日益重要的今天，要求結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)有深厚的基本理論基礎(chǔ)，并能不斷吸取先進(jìn)設(shè)計(jì)思想。對(duì)自己的設(shè)計(jì)，應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行反思，要都精益求精。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 概念設(shè)計(jì) 措施

0 引言

在建筑設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)至關(guān)重要。它反映了結(jié)構(gòu)工程師的水平，下面就這個(gè)問(wèn)題談?wù)劚救说目捶ā?/p>

1 概念設(shè)計(jì)的重要性

概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)師任務(wù)是在特定的建筑空間中用整體概念來(lái)完成結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，并有意識(shí)地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。概念設(shè)計(jì)做得好的結(jié)構(gòu)師，其結(jié)構(gòu)概念將隨他實(shí)踐的增長(zhǎng)而越來(lái)越豐富，設(shè)計(jì)成果也越來(lái)越創(chuàng)新、完善。但是，隨著社會(huì)發(fā)展大部分結(jié)構(gòu)工程師只依賴規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)、計(jì)算機(jī)做設(shè)計(jì)，缺乏創(chuàng)新，甚至拒絕對(duì)新技術(shù)采納。

概念設(shè)計(jì)重要，主要因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論存在許多缺陷，比如對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)力計(jì)算是基于彈性理論計(jì)算方法，而截面設(shè)計(jì)卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，這使計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)差之甚遠(yuǎn)，為了彌補(bǔ)這類缺陷，或者實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際存在的大量無(wú)法計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)，都需要概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來(lái)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)計(jì)算機(jī)結(jié)果的高精度，往往給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的誤解，結(jié)構(gòu)工程師只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念，才能比較客觀、真實(shí)地理解結(jié)構(gòu)性能。

概念設(shè)計(jì)重要，還在于方案設(shè)計(jì)階段，初步設(shè)計(jì)過(guò)程是不能借助于計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)師綜合運(yùn)用其掌握概念，選擇效果最好、造價(jià)最低的方案，為此，需要工程師不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念，了解各類結(jié)構(gòu)的性能，并能有意識(shí)地運(yùn)用它們。

2 協(xié)同工作與結(jié)構(gòu)體系

協(xié)同工作的概念廣泛存在于設(shè)計(jì)中，我們均不希望其在未達(dá)設(shè)計(jì)壽命時(shí)，某些部件出現(xiàn)破壞。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)，協(xié)同工作的概念是要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件相互配合，共同工作。這不僅要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承載能力極限狀態(tài)能共同受力，協(xié)同工作，同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)，還要有相同的耐久性。結(jié)構(gòu)協(xié)同工作表現(xiàn)在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的關(guān)系上，必須視基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)為～個(gè)有機(jī)整體，不能把兩者分開(kāi)處理。如磚混結(jié)構(gòu)，必須依靠圈梁和構(gòu)造柱將上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連成整體，而不能單純依靠基礎(chǔ)剛度來(lái)抵御不均勻沉降，所有圈梁和構(gòu)造柱設(shè)置，必須圍繞這個(gè)中心。

協(xié)同工作還在于當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時(shí)，結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件能同時(shí)達(dá)到較高的應(yīng)力水平。在多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免短柱，其目的是使同層各柱在相同水平位移時(shí)，能同時(shí)達(dá)到最大承載能力，但隨著建筑物高度不斷增大，巨大的豎向和水平荷載使底層柱截面越來(lái)越大，從而造成高層建筑底部數(shù)層出現(xiàn)大量短柱，為了避免這種現(xiàn)象，對(duì)大截面柱，可以通過(guò)對(duì)柱截面開(kāi)豎槽，使矩形柱成為田形柱，來(lái)增大長(zhǎng)細(xì)比，避免短柱出現(xiàn)，這樣就使同層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在相近的水平位移下，達(dá)到最大水平承載力：而對(duì)于梁的跨高比，長(zhǎng)、短梁在同一榀框架中并存，也是不利的，短跨梁在水平力作用下，剪力很大，梁端正、負(fù)彎矩也很大，萁配筋由水平力決定，豎向荷載基本不起作用，甚至梁端正彎矩鋼筋會(huì)出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，同時(shí)梁剪力增大，使柱的軸力增大，這是不符合協(xié)同工作原。多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目的是抵抗水平力作用，防止扭轉(zhuǎn)，為有效的抵抗水平力作用，平面上兩個(gè)正交方向的尺寸宜盡量接近，保證這兩個(gè)方向上慣性矩相等，防止一個(gè)方向強(qiáng)度太大，另一方向較弱，因此，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)(柱、剪力墻)宜設(shè)置在四周，以增大整體抗側(cè)剛度及抗扭慣性矩，并加大梁或樓層的剛度，使柱或剪力墻能承擔(dān)較大整體彎矩。防止扭轉(zhuǎn)是因在扭轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，各柱節(jié)點(diǎn)水平位移不等，距扭轉(zhuǎn)中心較遠(yuǎn)的角柱剪力很大，中柱剪力較小，破壞由外向里。為防止扭轉(zhuǎn)，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)稱布置，宜設(shè)在結(jié)構(gòu)兩端，緊靠四周設(shè)置，以增大抗扭慣性矩。因此，高層建筑中，盡管角柱軸壓比較小，但其在抗扭過(guò)程中作用很大；在水平力作用下，角柱軸力變化幅度很大，這樣勢(shì)必要求角柱有較大變形能力。由于角柱上述作用，角柱設(shè)計(jì)時(shí)在承載力和變形能力上都應(yīng)有較多考慮，如加大配箍，采用密排箍筋柱等。

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，柱軸壓比的限值結(jié)構(gòu)師面臨的實(shí)際問(wèn)題，隨著建筑高度增加，結(jié)構(gòu)下部柱截面增大，而柱縱向鋼筋卻為構(gòu)造配筋，即使用高強(qiáng)混凝土柱截面也不會(huì)明顯降低。實(shí)際上，柱的軸壓比大小，反映柱的塑性變形能力，而柱變形能力影響結(jié)構(gòu)的延性。混凝土基本理論指出：混凝土構(gòu)件的彎曲變形能力主要取決于截面相對(duì)受壓區(qū)高度和受壓區(qū)邊緣混凝土的極限變形能力。相對(duì)受壓區(qū)高度取決于軸壓比、配筋等，混凝土極限變形能力取決于箍筋的約束程度。為了增大柱在地震作用下的變形能力，控制柱的軸壓比和改善配箍有同樣的意義。

3 協(xié)同工作與材料利用率

協(xié)同工作設(shè)計(jì)，還在于對(duì)材料的充分利用。一般來(lái)講，材料利用率越高，該結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作程度也越高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)是花最少的錢，做最好的建筑，這要求設(shè)計(jì)時(shí)材料要充分利用。矩形截面梁是最普通的受彎構(gòu)件，其材料利用率很低，一是靠近中和軸材料應(yīng)力水平低，另二是梁的彎矩沿梁長(zhǎng)是變化的，這對(duì)等截面梁來(lái)說(shuō)，大部分區(qū)段，即使是拉、壓邊緣，其應(yīng)力水平均較低。針對(duì)梁的受力特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)概念分析，是因梁截面存在應(yīng)變梯度，只有構(gòu)件是軸心受力時(shí)，材料利用率才可能增大，于是就出現(xiàn)了平面桁架，桁架上弦相應(yīng)于梁的受壓邊，下弦相應(yīng)于受拉鋼筋。規(guī)則桁架中腹桿受力(拉、壓)與梁中主拉、壓應(yīng)力方向～致，根據(jù)上述分析，還可以將桁架設(shè)計(jì)為與彎矩圖相似的形狀，從而使桁架的弦桿受力均勻。

單純?cè)龃蠼孛媸窍虏撸貏e是上弦桿，應(yīng)努力增加其平面外的剛度，提供平面外約束，如果平面外支撐再連接成桁架，就使平面桁架變?yōu)槠矫娼徊骅旒埽詈蟪蔀榭臻g網(wǎng)架。空間網(wǎng)架材料利用率高，應(yīng)力水平高，故在大跨度、大空間結(jié)構(gòu)中廣泛使用，但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中仍然存在壓桿，壓桿應(yīng)力水平不可能太高，這樣高強(qiáng)材料就不能使用。因此，努力減少結(jié)構(gòu)中的壓桿，我們找到懸索結(jié)構(gòu)，懸索結(jié)構(gòu)中所有“桿件”均為拉桿，這樣使懸索結(jié)構(gòu)中桿件的應(yīng)力水平極高，材料利用率極大，高強(qiáng)材料得以充分利用。因而在超大跨度結(jié)構(gòu)中，懸索結(jié)構(gòu)是首選結(jié)構(gòu)類型。

目前廣泛使用的鋼一混凝土結(jié)構(gòu)，是將鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相互取長(zhǎng)補(bǔ)短形成的一種新型結(jié)構(gòu)形成。尤其是鋼管混凝土，更將這兩種材料有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的又一次革命。鋼管混凝土的原理有二：①借助鋼管對(duì)核心混凝土的約束，使核心混凝土有更高強(qiáng)度和變形能力；②核心混凝土又對(duì)鋼管壁的穩(wěn)定提供了有效可靠支撐。鋼管混凝土的極限承載力遠(yuǎn)大于鋼管和核心混凝土兩者的承載力之和，這是鋼材與混凝土的又一次理想結(jié)合。它的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)意義上的受壓破壞特征由脆性變?yōu)檠有裕瑢?duì)結(jié)構(gòu)抗震的延性設(shè)計(jì)意義巨大。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，只有當(dāng)構(gòu)件越多處于軸心受力狀態(tài)，其材料利用率才高，經(jīng)濟(jì)性越好。對(duì)框架結(jié)構(gòu)，豎向荷載作用下，框架柱宜處于小偏心受壓，若大量柱處于大偏心受壓，則該結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性一般不好，故對(duì)非地震區(qū)的框架結(jié)構(gòu)，其框架柱應(yīng)優(yōu)先設(shè)計(jì)為小偏心受壓：在地震作用下，大部分柱可能處于大偏心受壓狀態(tài)，截面設(shè)計(jì)時(shí)，大量柱配筋僅僅是為萬(wàn)一發(fā)生地震，這些鋼材在不發(fā)生地震時(shí)，將不起作用。為避免這樣，應(yīng)設(shè)法加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性；另對(duì)柱設(shè)計(jì)，可將整個(gè)樓層面柱設(shè)計(jì)為多肢柱，使多肢柱的桿件都能處于軸心受力狀態(tài)。

在概念設(shè)計(jì)日益重要的今天，要求結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)有深厚的基本理論基礎(chǔ)，并能不斷吸取先進(jìn)設(shè)計(jì)思想。對(duì)自己的設(shè)計(jì)，應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行反思，要都精益求精。