建筑結構設計中的概念設計與結構措施

【摘 要】：結構概念設計在結構設計中占有重要的地位，是結構分析和設計的第一步。一個結構工程師的主要任務就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結構總體方案的設計，并能有意識地處理構件與結構、結構與結構的關系。概念設計不以精確的力學分析、生搬硬套的規范條文為依據，而是對工程進行概括的分析，制定設計目標，采取相應措施。

【關鍵詞】：建筑結構；概念設計；協同工作

1結構概念設計的原則

1.1結構的優化選型原則

結構概念設計總結到一點就是要確定主體的結構體系及其相互聯系。主要從以下三個方面考慮，用比較方法進行優化選擇。

1.1.1結構體系的優化

目前在我國常用的建筑結構體系有混合結構體系、框架結構體系、剪力墻結構體系、框架-剪力墻體系、筒體結構體系等。在高層建筑結構中，設計的主要任務是解決抵抗水平力的問題，因此結構設計的關鍵問題是抗側力結構體系的確定和設計。在掌握各類基本構件的特征后，根據建筑方案以及結構所在的環境和功能、受荷情況優化選擇合適的基本構件，確定它們之間的聯系，形成基本的結構單元和它的支撐做法（如框剪結構，筒體結構等）；最后將所選擇的基本結構單元通過平面、疊合、平面等集合形式構成其主要的結構體系。

1.1.2結構布置的優化

概念設計中的結構布置主要考慮建筑物的體型（平面長度尺寸及長寬比、豎向高寬比、立面形狀等）、柱網尺寸、層高以及主要抗側力構件所在位置等。在滿足功能要求和建筑方案的前提下優化布置樓屋蓋水平系統、柱墻豎向支撐系統和地下基礎系統。比如為了整體抗震性能就應該選擇平立面規則、對稱的結構布置體系，在設計的時候就有必要設置剛度較強的抗側力構件來提高結構的側向剛度等。

1.1.3合理的構造做法

預先估計和分析結構的薄弱部位、破壞形態，調整承載力以加強或削弱某些部位有意識設置構造措施。使結構的構造做法和建筑構造要求相一致，結構的理論構造要求和施工的實際構造做法保持一致。

1.2合理受力原則

在進行結構概念設計時，結構構件受力問題需要通過力學原理來進一步分析的。從結構的受力和變形的來看，要盡可能的利用結構自有的對稱性、結構剛度的相對性、變形的連續協調性；從抗力和材料看，盡可能使構件的受力狀態以軸向受力為主，盡可能提高構件的截面慣性矩和抗彎能力、抗剪能力。合理的選擇性能較好的材料和優化構件截面，做到“因材施用，材盡其用”。

1.3空間優化原則

建筑物本來就是一個空間結構。在結構概念設計時，要充分考慮建筑物內外各部分結構的空間作用，要注意加強結構構件的平面外剛度；加強平面結構與平面外結構構件的聯系； 考慮結構構件間的相互作用（如梁與柱的相互作用，板與梁的相互作用）；采用空間結構體系（如空間框架等）。

2結構概念設計中的若干問題

2.1協同工作

協同工作的原則也就是整體工作的原則。協同工作設計可以對材料充分利用。一般來講，材料利用率越高（即應力水平越高），該結構的協同工作程度也越高，經濟性也就越好。對于建筑結構，協同工作的概念即要求結構內部的各個構件相互配合，共同工作。這不僅要求結構構件在承載能力極限狀態能共同受力，協同工作，同時達到承載能力極限狀態，還要求在正常使用狀態下有共同的耐久性。

2.2結構抗震概念設計

在進行結構抗震設計時，要靈活運用抗震設計準則，既注意總體布置上的大原則，又考慮關鍵部分的細節，從而全面、合理地解決結構抗震設計中的基本問題。從經濟合理的觀點出發，在強烈的地震作用下應允許結構進入彈塑性工作狀態（即所謂延性設計）。通過結構某些構件屈服所產生的塑性變形來消耗地震能量，從而達到抗震的目的。

試驗和實踐都證明，框架結構具有良好的延性性能。但是，純框架剛度差，在地震作用下結構變形較大，為提高框架結構的剛度，常設剪力墻、支撐等加勁構件，這些加勁構件剛度大，但延性較差，一旦破壞，幾乎喪失承載力。因此，注意加勁結構剛度與延性的均衡十分重要。砌體結構剛度大，但延性差，為提高其延性，常加設鋼筋混凝土構造柱，構造柱連同圈梁，實際形成一個弱的框架。

強度均勻指結構在平面和立面上的承載力均勻。結構在立面上強度均勻，可以避免結構彈塑性反應集中。如果結構某一樓層的強度相對較小，則在地震作用下，這一層首先屈服，同時通過該層塑性變形的發展，使其他樓層不繼續屈服。這樣結構塑性變形集中在一層，很容易使該層發生破壞，從而導致整個結構的破壞。

結構多道抗震防線要求結構具有較高的靜不定次數，要求結構在延性變形階段具有良好的吸能能力，要求結構中盡量具備多重抗側力體系。一般說來，結構靜不定次數越高，對結構抗震越有利，但這不是充分條件。一些薄弱部位的塑性變形集中可能造成結構局部屈服機制的形成，從而導致整體結構的嚴重破壞甚至倒塌。因此，需要在結構的適當部位設置一系列有利的屈服區，使這些不危及整體結構安全的部位在地震時率先形成塑性鉸。同時，通過保證鉸的屈服轉動能力，使結構所吸收的地震能量耗散在整個結構平面和高度上。通過設置人工塑性鉸和阻尼耗能裝置，會更有利于結構發揮良好的抗震性能。

2.3結構整體性能控制

結構整體的科學性和合理性是概念設計的重要內容。用于控制結構整體性的主要指標有：周期比、位移比、剛度比、層間受剪承載力之比、剛重比、剪重比等。

周期比是控制結構扭轉效應的重要指標。它的目的是使抗側力構件的平面布置更有效更合理，使結構不致出現過大的扭轉。也就是說，周期比不是要求結構足夠結實，而是要求結構承載布局合理。如果周期比不滿足規范要求，說明該結構的扭轉效應明顯，需要增加結構周邊構件的剛度，降低結構中間構件的剛度，以增大結構的整體抗扭剛度。

位移比（層間位移比）是控制結構平面不規則性的重要指標。需要指出的是，規范中規定的位移比限值是按剛性板假定做出的。

剛度比是控制結構豎向不規則的重要指標。規范有三種剛度比的計算方式，分別是剪切剛度、剪彎剛度和地震力與相應的層間位移比，剪切剛度主要用于底部大空間為一層的轉換結構及對地下室嵌固條件的判定，剪彎剛度主要用于底部大空間為多層的轉換結構，地震力與層間位移比是抗震規范的相關規定，通常絕大多數工程都可以用此法計算剛度比。

層間受剪承載力之比也是控制結構豎向不規則的重要指標。

剛重比是結構剛度與重力荷載之比。它是控制結構整體穩定性的重要參數，也是影響重力二階效應的主要參數。該值如果不滿足要求，則可能引起結構失穩倒塌，應當引起足夠重視。

剪重比是抗震設計中非常重要的參數。長期作用下，地震影響系數下降較快，由此計算出來的水平地震作用下的結構效應可能太小。而對于長周期結構，地震動態作用下的地面加速度和位移可能對結構具有更大的破壞作用，但采用振型分解法時無法對此做出準確的計算。因此，出于安全考慮，規范規定了各樓層水平地震力的最小值，該值如果不滿足要求，則說明結構有可能出現比較明顯的薄弱部位，必須進行調整。

3結語

概念設計內容紛繁復雜，綜合性強，應用靈活廣泛，需要在應用規范及工程力學知識結構設計人員發揮主觀能動性和原理的基礎上.根據個人對結構及其受力狀態的理解.通過對自己積累的設計經驗的完美運用，做出經濟、合理、安全的結構設計。

參考文獻：

[1]葉強.概念設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2]葉見曙.結構設計原理[M].北京：人民交通出版社，2005.