浅论结构概念设计中的若干方面摘要:一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计,并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。

现在随着社会分工的细化,大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计,缺乏创新,有的甚至拒绝采纳新技术、新工艺,使得大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天,对计算机结果明显不合理,甚至错误则不能及时发现。

文中就概念设计在结构设计中的应用提出了若干建议。

关键词:概念设计,协同工作,结构设计,刚度
1 概念设计的重要性
强调概念设计的重要性,是因为现行的结构设计理论与计算理论中存在许多缺陷或不可计算性,为了弥补这类计算理论的缺陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。

同时计算机结果的高精度特点,往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解,结构工程师只有加强对结构概念的培养,才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。

概念设计之所以重要,还在于在方案设计阶段,初步设计过程是不能借助于计算机来实现的,这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念,选择效果最好、造价最低的结构方案,为此,需要工程师不断地丰富自己的结构概念,深入、深刻地了解各类结构的性能,并能有意识地、灵活地运用它们。

2 结构概念设计中的若干方面
2.1 协同工作
协同工作的原则也就是整体工作的原则。

协同工作设计可以对材料充分利用。

一般来讲,材料利用率越高(即应力水平越高),该结构的协同工作程度也越高,尤其对我国这样一个发展中国家,结构设计的目的即花最少的钱,做最好的建筑,这就要求设计时对结构材料充分利用。

在结构设计中,构件材料的利用率越高,经济性也就越好。

对于建筑结构,协同工作的概念即要求结构内部的各个构件相互配合,共同工作。

这不仅要求结构构件在承载能力极限状态能共同受力,协同工作,同时达到承载能力极限状态,还要求在正常使用状态下有共同的耐久性。

协同工作的概念还包括当结构受力时,结构中的各个构件能同时达到较高的应力水平。

2.2 结构抗震概念设计
在进行结构抗震设计时,着眼于结构的总体地震反应,灵活运用抗震设计准则,既注意总体布置上的大原则,又考虑关键部分的细节,从而全面、合理地解决结构抗震设计中的基本问题。

从经济合理的观点出发,在强烈的地震作用下应允许结构进入弹塑性工作状态(即所谓延性设计)。

通过结构某些构件屈服所产生的塑性变形来消耗地震能量,从而达到抗震的目的。

试验和实践都证明,框架结构具有良好的延性性能。

但是,纯框架刚度差,在地震作用下结构变形较大,为提高框架结构的刚度,常设剪力墙、支撑等加劲构件,这些加劲构件刚度大,但延性较差,一旦破坏,几乎丧失
承载力。

因此,注意加劲结构刚度与延性的均衡十分重要。

砌体结构刚度大,但延性差,为提高其延性,常加设钢筋混凝土构造柱,构造柱连同圈梁,实际形成一个弱的框架。

强度均匀指结构在平面和立面上的承载力均匀。

结构在立面上强度均匀,可以避免结构弹塑性反应集中。

如果结构某一楼层的强度相对较小,则在地震作用下,这一层首先屈服,同时通过该层塑性变形的发展,使其他楼层不继续屈服。

这样结构塑性变形集中在一层,很容易使该层发生破坏,从而导致整个结构的破坏。

结构多道抗震防线的概念:要求结构具有较高的静不定次数;要求结构在延性变形阶段具有良好的吸能能力;要求结构中尽量具备多重抗侧力体系。

一般说来,结构静不定次数越高,对结构抗震越有利,但这不是充分条件。

一些薄弱部位的塑性变形集中可能造成结构局部屈服机制的形成,从而导致整体结构的严重破坏甚至倒塌。

因此,需要在结构的适当部位设置一系列有利的屈服区,使这些不危及整体结构安全的部位在地震时率先形成塑性铰;同时,通过保证铰的屈服转动能力,使结构所吸收的地震能量耗散在整个结构平面和高度上。

通过设置人工塑性铰和阻尼耗能装置,会更有利于结构发挥良好的抗震性能。

在日本的一次地震中,钢结构建筑的破坏,绝大多数是由连接破坏造成的。

钢筋混凝土结构节点过早破坏,也会使结构不能充分发挥作用,使结构达不到原定抗震能力。

提高节点的抗震设计强度,加
强节点的抗震构造措施,对各类建筑结构都有十分重要的意义。

结构对于不规则地震波的反应是类共振反应而不会发生共振反应。

即使如此,当地震的卓越周期与结构物的周期相接近时,也会使结构发生严重破坏。

由于地震受发震机制、震级、距离、场地等多种因素的复杂影响,具有较强的不确定性,试图在设计阶段就使结构自振周期完全避开地震的卓越周期是不太现实的。

但是,如果注意到场地的卓越周期对地震卓越周期有强烈影响,还是可以在一定程度上防止结构在地震时发生强烈的共振反应。

2.3 结构整体性能控制
结构整体的科学性和合理性是概念设计的重要内容。

用于控制结构整体性的主要指标有:周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、刚重比、剪重比等。

周期比是控制结构扭转效应的重要指标。

它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效更合理,使结构不致出现过大的扭转。

也就是说,周期比不是要求结构足够结实,而是要求结构承载布局合理。

如果周期比不满足规范要求,说明该结构的扭转效应明显,需要增加结构周边构件的刚度,降低结构中间构件的刚度,以增大结构的整体抗扭刚度。

位移比(层间位移比)是控制结构平面不规则性的重要指标。

需要指出的是,规范中规定的位移比限值是按刚性板假定做出的。

刚度比是控制结构竖向不规则的重要指标。

规范有三种刚度比的计算方式,分别是剪切刚度、剪弯刚度和地震力与相应的层间位
移比,剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定,剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构,地震力与层间位移比是抗震规范的相关规定,通常绝大多数工程都可以用此法计算刚度比。

层间受剪承载力之比也是控制结构竖向不规则的重要指标。

刚重比是结构刚度与重力荷载之比。

它是控制结构整体稳定性的重要参数,也是影响重力二阶效应的主要参数。

该值如果不满足要求,则可能引起结构失稳倒塌,应当引起足够重视。

剪重比是抗震设计中非常重要的参数。

长期作用下,地震影响系数下降较快,由此计算出来的水平地震作用下的结构效应可能太小。

而对于长周期结构,地震动态作用下的地面加速度和位移可能对结构具有更大的破坏作用,但采用振型分解法时无法对此做出准确的计算。

因此,出于安全考虑,规范规定了各楼层水平地震力的最小值,该值如果不满足要求,则说明结构有可能出现比较明显的薄
弱部位,必须进行调整。

3 结语
要做好结构的概念设计需要具备的知识和经验是多方面的,要
获得这方面的技能,就得不断地总结设计经验,在工作中勤于思考,广泛阅读科技成果和技术资料。

深入施工现场,理论联系实际,以探索结构的真实工作情况,这样就会在概念设计上逐步有所前进。

[1]林同炎,s.d.斯多台斯伯利.结构概念和体系(第二版)[m].
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