【摘 要】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為理論設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì).理論設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)根據(jù)計(jì)算理論和當(dāng)時(shí)的規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算模型的假設(shè)及受力狀態(tài)的假定的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，然后利用計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。地震是一種隨機(jī)難以掌握的振動(dòng)，有復(fù)雜性和不確定性，要準(zhǔn)確預(yù)測建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)目前尚難做到。本文從這幾個(gè)方面進(jìn)行分析探討。

【關(guān)鍵詞】概念設(shè)計(jì)；抗震設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；偶合作用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為理論設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)兩個(gè)步驟。理論設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)計(jì)算理論和當(dāng)時(shí)的規(guī)范，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算模型的假設(shè)及受力狀態(tài)的假定的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，得出數(shù)據(jù)式的結(jié)果，然后利用計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)則是指不經(jīng)數(shù)值計(jì)算，尤其在一些難以做出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的宏觀控制。在建筑設(shè)計(jì)方案階段，從總體出發(fā)，采用概念性近似計(jì)算方法，能迅速、有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較和選擇。這種方法雖有一定誤差，但概念清楚、定性準(zhǔn)確、采取經(jīng)驗(yàn)總結(jié)匯總的手算簡單快捷，能很快選擇出最佳方案，具有較好的經(jīng)濟(jì)、可靠性能，同時(shí)也是施工圖設(shè)計(jì)階段判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可與否的重要依據(jù)。

1. 概念設(shè)計(jì)的必要

概念設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍較廣泛，幾乎組成包含了所有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在不確定因素多、受力狀態(tài)變化較大的抗震設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、高層建筑設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)的應(yīng)用尤顯重要和突出。概念設(shè)計(jì)的重要性，主要體現(xiàn)在三方面：

（1）因?yàn)楝F(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論存在許多缺陷或不可計(jì)算性。為了彌補(bǔ)計(jì)算理論的缺陷，或?qū)崿F(xiàn)對(duì)世界存在的大量無法計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，都需要用概念設(shè)計(jì)來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

（2）由于在方案設(shè)計(jì)階段，初步設(shè)計(jì)過程是不可能借助于計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運(yùn)用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，選擇效果最好、造價(jià)最低的結(jié)構(gòu)方案。概念設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)人員中提得比較多，但往往被人們片面地理解，認(rèn)為其主要是用于一些大的原則，如確定結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)布置等。其實(shí)，在設(shè)計(jì)中任何地方都離不開科學(xué)的概念作指導(dǎo)。

（3）由于計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果的高精度，容易給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能出現(xiàn)的可能誤解，過分地依賴于計(jì)算機(jī)和設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行習(xí)慣性、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)計(jì)算結(jié)果明顯不合理、甚至錯(cuò)誤的地方不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，使許多的建筑結(jié)構(gòu)留下安全隱患。因此，概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有重要的地位。

2. 抗震概念設(shè)計(jì)要求

2.1 地震是一種隨機(jī)難以掌握的振動(dòng)，有復(fù)雜性和不確定性，要準(zhǔn)確預(yù)測建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)，目前尚難做到。在結(jié)構(gòu)分析方面，由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、結(jié)構(gòu)材料的非彈性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等多種因素，同時(shí)也存在著不準(zhǔn)確性。因此，工程抗震問題不能完全依賴于“計(jì)算設(shè)計(jì)” 全部解決下了問題，而必須立足于“概念設(shè)計(jì)”。結(jié)構(gòu)抗震概念時(shí)間的目標(biāo)是使主體結(jié)構(gòu)能發(fā)揮耗散地震能量的作用，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)敏感的薄弱部位。地震能量的聚散，如果僅集中在少數(shù)薄弱部位，必會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早破壞，目前各種抗震設(shè)計(jì)方法的前提之一就是假定整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)揮耗散地震能量的作用，在此前提下才能以多遇地震即小震次數(shù)作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)件截面時(shí)間并輔以相應(yīng)的構(gòu)造措施，必要時(shí)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，試圖達(dá)到罕遇地震（大震）作用下結(jié)構(gòu)不倒塌給人員逃生時(shí)間的目標(biāo)。

2.2 為了保證建筑物具有足夠的抗震能力，通過概念設(shè)計(jì)從宏觀上控制結(jié)構(gòu)的抗震性能，應(yīng)充分考慮以下環(huán)節(jié)：（1）選擇對(duì)控制有利的場地及地基，避免地面變形的直接危害，采取措施保證地基的穩(wěn)定性。（2）進(jìn)行合理的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，同一結(jié)構(gòu)單元不宜設(shè)置在性質(zhì)不同的地基土上，不宜采用不同的基礎(chǔ)形式，設(shè)計(jì)時(shí)宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力。（3）建筑物的體型應(yīng)力求簡單、規(guī)則、對(duì)稱、質(zhì)量和剛度變化均勻，以減少地震作用產(chǎn)生的變形、應(yīng)力集中及扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。（4）選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，抗震構(gòu)件力求均勻?qū)ΨQ，設(shè)置多道抗震防線，避免局部出現(xiàn)薄弱部位，要求結(jié)構(gòu)布置受力明確，傳力簡捷。（5）各類構(gòu)件之間要有可靠的連接，并具有必要的強(qiáng)度和變形能力，從而獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)良好的抗震性能。（6）強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)空間整體性，平面加強(qiáng)連接，豎向確保足夠整體剛度。（7）重視對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的處理，利用其對(duì)主體結(jié)構(gòu)的有利影響，避免不合理設(shè)置導(dǎo)致對(duì)主體結(jié)構(gòu)的有利影響。同時(shí)盡量減輕結(jié)構(gòu)自重，減少地基土壓力，從而降低向建筑物傳輸?shù)牡卣鹆Α?/p>

3. 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的運(yùn)用

（1）運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的思想方法，也使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路得到了拓寬。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)似乎只關(guān)注如何提高結(jié)構(gòu)抗力R，以致使砼的強(qiáng)度等級(jí)越來越高，配筋量越來越大，造價(jià)也越來越高。結(jié)構(gòu)工程師往往只注意到不超過最大配筋率，結(jié)果是肥梁、胖柱、深基礎(chǔ)處處可見。以抗震設(shè)計(jì)為例，一般是根據(jù)初定的尺寸、砼等級(jí)算出結(jié)構(gòu)的剛度，再由結(jié)構(gòu)剛度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，結(jié)構(gòu)剛度越大，地震作用效應(yīng)也越大，配筋越多，剛度越大，地震力就越強(qiáng)。這樣為抵御地震而配的鋼筋，增加了結(jié)構(gòu)的剛度，反而使地震作用效應(yīng)增強(qiáng)。其實(shí)，為什么不考慮降低作用效應(yīng)S呢？目前在抗震設(shè)計(jì)中，隔震消能的研究就是一個(gè)很好的例子。隔震消能的一般作法是在基礎(chǔ)與主體之間設(shè)柔性隔震層；加設(shè)消能支撐（類似于阻尼器的裝置）；有的在建筑物頂部裝一個(gè)“反擺”，地震時(shí)它的位移方向與建筑物頂部的位移相反，從對(duì)建筑物的振動(dòng)加大阻尼作用，降低加速度，減少建筑物的位移，來降低地震作用效應(yīng)。合理設(shè)計(jì)可降低地震作用效應(yīng)達(dá)60%，并提高屋內(nèi)物品的安全性。這一研究在國內(nèi)外正廣泛地深入展開。在日本，研究成果已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，取得良好的經(jīng)濟(jì)、適用效果。而我國由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和人們認(rèn)識(shí)的限制，在工程界還未被廣泛地應(yīng)用。

（2）同時(shí)，在目前建筑結(jié)構(gòu)抗震鑒定及加固中，概念設(shè)計(jì)的思想也應(yīng)得到延伸。在1976年唐山地震中，天津市加固的2萬間民房無一倒塌，但天津第二毛紡廠3層的框架廠房，卻因偏重于傳統(tǒng)構(gòu)部件的加固，忽視結(jié)構(gòu)總體抗震性能的判斷，造成不合理的加固，使抗震薄弱層轉(zhuǎn)移，最終倒塌?？拐痱?yàn)算時(shí)不同的樓蓋及布置（整體性）決定了采用剛性、剛?cè)帷⑷嵝岳碚撚?jì)算。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理地確定建筑物的剛度是非常重要的。建筑物的剛度不宜太大，剛度大則結(jié)構(gòu)自振周期就短，在地震時(shí)結(jié)構(gòu)所承受的地震作用就大，相對(duì)后果較重，且造成材料的浪費(fèi)；剛度也不宜過柔，過柔的建筑結(jié)構(gòu)在地震時(shí)就會(huì)產(chǎn)生過大的變形，影響其強(qiáng)度、穩(wěn)定性和正常使用。

（3）抗震驗(yàn)算時(shí)應(yīng)特別注意場地土類別。8度設(shè)防建筑物超過5層有條件時(shí)，盡量采用剪力墻，可大大改善結(jié)構(gòu)的抗震性能?？蚣芙Y(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成雙向梁柱剛接體系，但也允許部分的框架梁搭在另一框架梁上。應(yīng)加強(qiáng)垂直地震作用的設(shè)計(jì)，從震害分析，規(guī)范給出的垂直地震作用明顯不足。

（4）雨蓬不允許從填充墻內(nèi)挑出。采用的大跨度雨蓬、陽臺(tái)等處梁應(yīng)考慮抗扭。考慮抗扭時(shí)，扭矩為梁中心線處板的負(fù)彎矩乘以跨度的一半?？蚣芰?、柱的混凝土等級(jí)宜相差一級(jí)。由于某些原因造成梁或過梁等截面較大時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算構(gòu)件的最小配筋率。出屋面的樓梯間不得采用磚混結(jié)構(gòu)?？紤]地震作用時(shí)必須充分領(lǐng)會(huì)和靈活運(yùn)用抗震概念設(shè)計(jì)的優(yōu)化準(zhǔn)則和采取相應(yīng)的構(gòu)造措施。優(yōu)化準(zhǔn)則“強(qiáng)節(jié)弱桿”——防止節(jié)點(diǎn)破壞先于構(gòu)件；“強(qiáng)柱弱梁”——防止桿系發(fā)生樓層傾移破壞機(jī)制，要求柱的抗彎能力高于梁的抗彎能力；“強(qiáng)剪弱彎”——防止構(gòu)件剪力破壞，要求桿件的受剪承載力高于受彎承載力；“強(qiáng)壓弱拉”——對(duì)桿件截面而言，為避免桿件在彎曲時(shí)發(fā)生受壓區(qū)砼破裂的脆性破壞，使受拉區(qū)鋼筋承載力低于受拉區(qū)砼受壓承載力。

（5）保證措施有兩個(gè)方面：一是調(diào)整或限制構(gòu)件的荷載效應(yīng)；二是強(qiáng)制規(guī)定必要的構(gòu)造措施。這連個(gè)方面在《高層建筑物混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）有詳細(xì)的規(guī)定，有的則是以強(qiáng)制性條文提出嚴(yán)格要求。如《高層建筑物混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中第6.3.2條的第1點(diǎn)限制梁端截面砼受壓區(qū)高度與有效高度之比，就是保證梁的變形能力，而它又決定于梁端塑性轉(zhuǎn)動(dòng)量，而塑性轉(zhuǎn)動(dòng)量又與截面混凝土受壓區(qū)的相對(duì)高度密切相關(guān)；試驗(yàn)研究結(jié)果表明，要使鋼筋混凝土梁的位移延性系數(shù)達(dá)到3～4，混凝土受壓區(qū)相對(duì)高度必須控制在0.25～0.35。又如：對(duì)鋼筋混凝土桿件而言，桿件截面的平均剪應(yīng)力過高，都會(huì)降低箍筋的抗剪效果，平均剪應(yīng)力較小時(shí)，可以避免出現(xiàn)剪切破壞。

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還應(yīng)充分考慮地震的偶合作用；堅(jiān)持“小震不壞，大震不倒”；多道設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)原則，這也是從許多教訓(xùn)中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)。

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