【摘 要】：結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有重要的地位，是結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的第一步。一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來(lái)完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計(jì)，并能有意識(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)不以精確的力學(xué)分析、生搬硬套的規(guī)范條文為依據(jù)，而是對(duì)工程進(jìn)行概括的分析，制定設(shè)計(jì)目標(biāo)，采取相應(yīng)措施。

【關(guān)鍵詞】：建筑結(jié)構(gòu)；概念設(shè)計(jì)；協(xié)同工作

1結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的原則

1.1結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選型原則

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)總結(jié)到一點(diǎn)就是要確定主體的結(jié)構(gòu)體系及其相互聯(lián)系。主要從以下三個(gè)方面考慮，用比較方法進(jìn)行優(yōu)化選擇。

1.1.1結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化

目前在我國(guó)常用的建筑結(jié)構(gòu)體系有混合結(jié)構(gòu)體系、框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架-剪力墻體系、筒體結(jié)構(gòu)體系等。在高層建筑結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是解決抵抗水平力的問(wèn)題，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的確定和設(shè)計(jì)。在掌握各類基本構(gòu)件的特征后，根據(jù)建筑方案以及結(jié)構(gòu)所在的環(huán)境和功能、受荷情況優(yōu)化選擇合適的基本構(gòu)件，確定它們之間的聯(lián)系，形成基本的結(jié)構(gòu)單元和它的支撐做法（如框剪結(jié)構(gòu)，筒體結(jié)構(gòu)等）；最后將所選擇的基本結(jié)構(gòu)單元通過(guò)平面、疊合、平面等集合形式構(gòu)成其主要的結(jié)構(gòu)體系。

1.1.2結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化

概念設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)布置主要考慮建筑物的體型（平面長(zhǎng)度尺寸及長(zhǎng)寬比、豎向高寬比、立面形狀等）、柱網(wǎng)尺寸、層高以及主要抗側(cè)力構(gòu)件所在位置等。在滿足功能要求和建筑方案的前提下優(yōu)化布置樓屋蓋水平系統(tǒng)、柱墻豎向支撐系統(tǒng)和地下基礎(chǔ)系統(tǒng)。比如為了整體抗震性能就應(yīng)該選擇平立面規(guī)則、對(duì)稱的結(jié)構(gòu)布置體系，在設(shè)計(jì)的時(shí)候就有必要設(shè)置剛度較強(qiáng)的抗側(cè)力構(gòu)件來(lái)提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度等。

1.1.3合理的構(gòu)造做法

預(yù)先估計(jì)和分析結(jié)構(gòu)的薄弱部位、破壞形態(tài)，調(diào)整承載力以加強(qiáng)或削弱某些部位有意識(shí)設(shè)置構(gòu)造措施。使結(jié)構(gòu)的構(gòu)造做法和建筑構(gòu)造要求相一致，結(jié)構(gòu)的理論構(gòu)造要求和施工的實(shí)際構(gòu)造做法保持一致。

1.2合理受力原則

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力問(wèn)題需要通過(guò)力學(xué)原理來(lái)進(jìn)一步分析的。從結(jié)構(gòu)的受力和變形的來(lái)看，要盡可能的利用結(jié)構(gòu)自有的對(duì)稱性、結(jié)構(gòu)剛度的相對(duì)性、變形的連續(xù)協(xié)調(diào)性；從抗力和材料看，盡可能使構(gòu)件的受力狀態(tài)以軸向受力為主，盡可能提高構(gòu)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(yōu)化構(gòu)件截面，做到“因材施用，材盡其用”。

1.3空間優(yōu)化原則

建筑物本來(lái)就是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮建筑物內(nèi)外各部分結(jié)構(gòu)的空間作用，要注意加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面外剛度；加強(qiáng)平面結(jié)構(gòu)與平面外結(jié)構(gòu)構(gòu)件的聯(lián)系； 考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系（如空間框架等）。

2結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題

2.1協(xié)同工作

協(xié)同工作的原則也就是整體工作的原則。協(xié)同工作設(shè)計(jì)可以對(duì)材料充分利用。一般來(lái)講，材料利用率越高（即應(yīng)力水平越高），該結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作程度也越高，經(jīng)濟(jì)性也就越好。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)，協(xié)同工作的概念即要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各個(gè)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)到承載能力極限狀態(tài)，還要求在正常使用狀態(tài)下有共同的耐久性。

2.2結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要靈活運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，既注意總體布置上的大原則，又考慮關(guān)鍵部分的細(xì)節(jié)，從而全面、合理地解決結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的基本問(wèn)題。從經(jīng)濟(jì)合理的觀點(diǎn)出發(fā)，在強(qiáng)烈的地震作用下應(yīng)允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)（即所謂延性設(shè)計(jì)）。通過(guò)結(jié)構(gòu)某些構(gòu)件屈服所產(chǎn)生的塑性變形來(lái)消耗地震能量，從而達(dá)到抗震的目的。

試驗(yàn)和實(shí)踐都證明，框架結(jié)構(gòu)具有良好的延性性能。但是，純框架剛度差，在地震作用下結(jié)構(gòu)變形較大，為提高框架結(jié)構(gòu)的剛度，常設(shè)剪力墻、支撐等加勁構(gòu)件，這些加勁構(gòu)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(jié)構(gòu)剛度與延性的均衡十分重要。砌體結(jié)構(gòu)剛度大，但延性差，為提高其延性，常加設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱，構(gòu)造柱連同圈梁，實(shí)際形成一個(gè)弱的框架。

強(qiáng)度均勻指結(jié)構(gòu)在平面和立面上的承載力均勻。結(jié)構(gòu)在立面上強(qiáng)度均勻，可以避免結(jié)構(gòu)彈塑性反應(yīng)集中。如果結(jié)構(gòu)某一樓層的強(qiáng)度相對(duì)較小，則在地震作用下，這一層首先屈服，同時(shí)通過(guò)該層塑性變形的發(fā)展，使其他樓層不繼續(xù)屈服。這樣結(jié)構(gòu)塑性變形集中在一層，很容易使該層發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。

結(jié)構(gòu)多道抗震防線要求結(jié)構(gòu)具有較高的靜不定次數(shù)，要求結(jié)構(gòu)在延性變形階段具有良好的吸能能力，要求結(jié)構(gòu)中盡量具備多重抗側(cè)力體系。一般說(shuō)來(lái)，結(jié)構(gòu)靜不定次數(shù)越高，對(duì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)局部屈服機(jī)制的形成，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞甚至倒塌。因此，需要在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位設(shè)置一系列有利的屈服區(qū)，使這些不危及整體結(jié)構(gòu)安全的部位在地震時(shí)率先形成塑性鉸。同時(shí)，通過(guò)保證鉸的屈服轉(zhuǎn)動(dòng)能力，使結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量耗散在整個(gè)結(jié)構(gòu)平面和高度上。通過(guò)設(shè)置人工塑性鉸和阻尼耗能裝置，會(huì)更有利于結(jié)構(gòu)發(fā)揮良好的抗震性能。

2.3結(jié)構(gòu)整體性能控制

結(jié)構(gòu)整體的科學(xué)性和合理性是概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。用于控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標(biāo)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(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)。它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效更合理，使結(jié)構(gòu)不致出現(xiàn)過(guò)大的扭轉(zhuǎn)。也就是說(shuō)，周期比不是要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實(shí)，而是要求結(jié)構(gòu)承載布局合理。如果周期比不滿足規(guī)范要求，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，需要增加結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件的剛度，降低結(jié)構(gòu)中間構(gòu)件的剛度，以增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。

位移比（層間位移比）是控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性的重要指標(biāo)。需要指出的是，規(guī)范中規(guī)定的位移比限值是按剛性板假定做出的。

剛度比是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)。規(guī)范有三種剛度比的計(jì)算方式，分別是剪切剛度、剪彎剛度和地震力與相應(yīng)的層間位移比，剪切剛度主要用于底部大空間為一層的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及對(duì)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，地震力與層間位移比是抗震規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，通常絕大多數(shù)工程都可以用此法計(jì)算剛度比。

層間受剪承載力之比也是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標(biāo)。

剛重比是結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之比。它是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的重要參數(shù)，也是影響重力二階效應(yīng)的主要參數(shù)。該值如果不滿足要求，則可能引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌，應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。

剪重比是抗震設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)。長(zhǎng)期作用下，地震影響系數(shù)下降較快，由此計(jì)算出來(lái)的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能太小。而對(duì)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，地震動(dòng)態(tài)作用下的地面加速度和位移可能對(duì)結(jié)構(gòu)具有更大的破壞作用，但采用振型分解法時(shí)無(wú)法對(duì)此做出準(zhǔn)確的計(jì)算。因此，出于安全考慮，規(guī)范規(guī)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(shuō)明結(jié)構(gòu)有可能出現(xiàn)比較明顯的薄弱部位，必須進(jìn)行調(diào)整。

3結(jié)語(yǔ)

概念設(shè)計(jì)內(nèi)容紛繁復(fù)雜，綜合性強(qiáng)，應(yīng)用靈活廣泛，需要在應(yīng)用規(guī)范及工程力學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員發(fā)揮主觀能動(dòng)性和原理的基礎(chǔ)上.根據(jù)個(gè)人對(duì)結(jié)構(gòu)及其受力狀態(tài)的理解.通過(guò)對(duì)自己積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的完美運(yùn)用，做出經(jīng)濟(jì)、合理、安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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