結構概念設計在結構布置中的應用

摘要：結合工作經驗，對結構概念設計提出了自己的理解，并從四個方面介紹了結構概念設計在結構布置中的應用：樓板的作用、結構兩個主軸方向的動力特性宜相近、通過分析荷載傳遞路徑優化結構布置、計算假定與實際受力情況相一致。了解結構概念設計知識，可以提高結構工程師對結構的理解，拓寬結構工程師在進行結構布置時的思路。

關鍵詞：結構概念設計；結構布置；樓板的作用；兩主軸方向的動力特性；荷載傳遞路徑；計算假定

中圖分類號：TU318.2文獻標志碼：A

0引言

在平時的校審工作中，總能發現一些結構工程師對于結構布置缺乏概念，盲目迷信模型計算結果，認為只要模型計算通過，就萬事大吉了。事實上，模型能算過只能說明在基于軟件及規范的一系列假設的前提下，可以滿足規范的相關基本要求，并不代表這個結構方案就是合理的，沒有安全隱患的，甚至于有些東西軟件考慮的也不是很完善或者根本沒有考慮。這時就需要清晰的結構概念設計思想作支撐，靈活運用自身知識進行分析判斷。

結構概念設計與模型計算分析二者是相互依存的關系，必須先有經過結構概念設計的結構方案，其次再是建入模型進行計算分析，最后根據分析結果對所布置的結構方案進行優化調整。

本文結合自身的工作經驗，將從四個方面介紹結構概念設計在結構布置中的應用，希望可以起到拋磚引玉的作用。

1結構概念設計的含義

相信很多結構工程師從入行開始就或多或少聽說過“結構概念”這個名詞，感覺似乎深不可測的樣子，實則不然。

GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》［1］第2.1.9條對建筑抗震概念設計給出的解釋為：“根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程?！眰€人理解的結構概念設計：“即不需經過模型計算，僅通過一些結構概念設計思想就能布置出大致合理的結構體系?！币簿褪钦f，擁有結構概念設計思想，就可以相對容易地布置出合理的結構方案，并能有針對性地對結構薄弱部位進行加強。

2結構概念設計在結構布置中的應用

從四個方面對結構概念設計及其在結構布置中的應用進行介紹并舉例說明。

2.1樓板的作用

樓板的作用除了傳遞豎向荷載以外，更重要的是傳遞水平荷載（風荷載、地震作用），并將單個結構構件拉結為一個整體聯合受力。

很多結構工程師對樓板傳遞水平荷載的作用認識不足，僅僅因為模型里面樓板都是單獨進行計算，好像并沒有參與結構的整體計算，就認為樓板于傳遞水平荷載沒有作用，這種理解是片面的，也是極端錯誤的。

那么，樓板為何可以傳遞水平荷載，畢竟常見的樓板厚度僅僅為100～120 mm。實際上樓板傳遞水平荷載的能力主要取決于樓板的平面內剛度EI。對于同一個等級的混凝土，彈性模量E是常數，而慣性矩I=bh312 ，雖然b（樓板厚度）很小，但是h（即承受水平荷載方向的建筑有效樓板寬度）卻很大，h的3次方則更大。故在樓板沒有經過大幅度削弱（比如開大洞）的樓層可以近似認為該樓層樓板的平面內剛度為無限大。也就是說，結構平面有連續樓板的地方，水平荷載可以通過樓板順利傳遞并分配給與之相交的豎向構件。而沒有樓板的地方，水平荷載只能通過諸如梁或者圍合的剪力墻筒體進行傳遞。理解了這一點，可以輕易地找到結構平面的薄弱點，故而進行有針對性的加強。

比如常見的“凹”形結構平面，見圖1。水平荷載Fx通過樓板A傳遞給急劇收截面后的樓板C再傳遞給樓板B。通過上面的結構概念，可以很容易地得出結論，即僅僅依靠樓板C來傳遞水平荷載可能是不夠的，如果增加拉結板D或者E，將更有利于水平荷載的傳遞，見圖2。

需要注意的是，這里需要增加拉結板是概念分析的結果，因為如果不增設拉結板，A或者B上半部分的樓板就不能直接傳遞水平荷載。當然，規范中也有相關的說明，如DB51T 5058-2020《四川省抗震設防超限高層民用建筑工程界定標準》［2］第4.1.2條條文說明中指出：“凹進平面在凹口設置連梁或者拉板，當滿足拉板寬度不小于2 m、厚度不小于150 mm，且凹口寬度與拉板寬度之比不大于4時，可視為無凹口。”即當增設的拉板能夠有效協調兩側的變形時，可以不算凹凸不規則。由此可以看出，雖然結構概念設計不能像規范規定那樣給出具體的數值，但通過分析，至少可以判斷出凹口處需要進行加強，這在結構設計前期已經足夠了。

2.2結構兩個主軸方向的動力特性宜相近

對于某建筑結構來說，通常可以確定兩個主軸方向，分別設為X軸和Y軸。當結構兩個方向的抗側剛度不一樣時，在同樣大小的水平荷載作用下，勢必出現兩種不同的變形，當變形大于一定范圍，結構將出現破壞。試想，如果結構X軸與Y軸的抗側剛度差異很大，比如Y軸的剛度比X軸小很多的情況下，在水平荷載作用下，不管X軸的剛度有多大，結構如果要破壞則始終會先出現在Y軸。

因此，結構抵抗水平荷載的能力就像水桶裝水的能力一樣，裝水的多少不取決于最高的那塊木頭，而僅取決于最低的木頭。故結構布置時，應使結構兩個主軸方向擁有相近的動力特性，才能保證結構無明顯的短板。GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》［1］第3.5.3條3款也進行了相關的說明：“結構在兩個主軸方向的動力特性宜相近。”

假設一個長矩形平面的結構，X方向3跨，Y方向1跨，每跨長度均為8 m，見圖3。如果均采用正方形的柱子截面且框架梁截面相同，則無論該結構X方向的剛度有多大，最終破壞都將取決于Y方向的剛度。故正確的做法是加大Y方向的梁柱截面尺寸或減小X方向的梁柱截面尺寸，讓X、Y方向的動力特性相近，見圖4。這樣不僅充分利用了結構材料（柱子面積相同，只是調整了長寬比），而且結構兩主軸方向側向剛度亦無明顯的短板。

需要注意的是，并沒有在模型計算后才發現結構X軸和Y軸的剛度差異較大，而是在建模型之前就已經通過概念設計大致明確了梁柱截面的相對大小。

2.3通過分析荷載傳遞路徑優化結構布置

需要始終明確一個概念，即結構分析的目的是為了讓結構能夠更好地傳遞荷載，而結構可以傳遞荷載與結構能合理傳遞荷載之間可能差著十萬八千里。

比如說結構局部錯層部位，見圖5。通過簡單受力分析可知，在水平荷載F作用下，梁將產生扭矩，而當水平荷載足夠大時，梁將發生扭轉破壞。值得注意的是，對于梁類構件，相對于受扭，我們更希望它在面內受彎。為避免梁受扭，讓梁的受力趨于合理，可以通過樓板加腋的方式，讓水平荷載順暢傳遞，見圖6。由于低板處加腋將影響建筑功能，而僅靠單側加腋板并不能完全消除錯層處水平荷載對梁的扭轉作用，故尚應加強該梁配筋，如增設抗扭腰筋。

再比如梁上柱，見圖7。LZ柱底沿著Y方向的彎矩可以通過KL平面內受彎抵抗，但是LZ柱底沿著X方向的彎矩卻只能通過KL受扭傳遞，當X方向彎矩過大時，KL將會出現受扭破壞。根據應盡量避免結構構件受扭的概念，應該在X方向增設專門抵抗彎矩的次梁，見圖8。

上述兩個例子可知，如果沒有結構概念而僅靠模型計算，顯然模型是不會告訴你這里不合理的，最多就是受扭計算結果大一些罷了。

2.4計算假定與實際受力情況相一致

2008年汶川地震以前，很多結構工程師都忽略了框架結構中樓梯的斜撐作用，導致大地震發生時大量的框架結構在樓梯處首先出現破壞，造成生命和財產的重大損失。

歸根到底，這就是結構概念不清晰，導致計算假定與實際受力情況不符，樓梯剖面及傳力見圖9。從圖9中可以看出，在水平荷載H作用下，如果TB下端均采用剛性連接，則水平荷載H一部分通過上面樓層的水平構件傳遞給側邊柱子，一部分通過TB1和PTB傳遞給側邊的KZ，還有一部分則通過TB2傳遞給下面樓層的水平構件。而模型中框架結構的計算簡圖卻只有兩側的KZ及中間的水平構件，這顯然是不合理的。

樓梯間所在開間由于梯板的斜撐作用，勢必導致該開間的側向剛度大于其它跨，故而該跨實際的地震剪力偏大，容易造成樓梯處結構首先破壞。

通過概念分析可以知道，要解決這個問題，要么在模型計算中就考慮樓梯的斜撐作用，要么就采取一定措施釋放斜撐的力，讓其不對主體結構產生影響。釋放斜撐的力可以在TB下部采用滑動支座來解決，見圖10。當樓梯下端均采用滑動支座時，在水平力H作用下，TB1將無法傳遞水平荷載給PTB，TB2也無法傳遞水平荷載給下面樓層水平構件，這樣就能最大限度地保證結構計算假定與實際受力情況相一而這些僅僅靠模型計算是無法得知的，因為建立模型時，就只考慮了樓梯相應的荷載，而忽略了其作用，自然而然是得不出結果的。

3結束語

本文主要從四個方面介紹了結構概念設計在結構布置

中的應用：樓板的作用、結構兩個主軸方向的動力特性宜相近、通過分析荷載傳遞路徑優化結構布置、計算假定與實際受力情況相一致，并說明了模型計算的局限性。

了解結構概念設計知識可以提高結構工程師對結構的理解，并拓寬結構工程師在進行結構布置時的思路。

參考文獻

［1］建筑抗震設計規范： GB 50011-2010［S］.北京：中國建筑工業出版社， 2016.

［2］四川省抗震設防超限高層民用建筑工程界定標準： DB51T 5058-2020 ［S］.成都：西南交通大學出版社， 2020.

［作者簡介］趙純陽（1992—），男，本科，一級注冊結構工程師，從事結構設計工作。