淺談建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

【摘 要】建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)包括范圍很廣，要考慮的方面很多。本文從建筑物外荷載在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳遞，從水平和豎向兩種傳遞方式鋪開，介紹了力流的概念及結(jié)構(gòu)自身的剛度對(duì)荷載傳遞的影響；從抗震設(shè)計(jì)時(shí)的能量原理介紹其中的概念設(shè)計(jì)部分，同時(shí)還對(duì)基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】概念設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)分析；剛度；力流；能量原理

一、前言

在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)概念是工程師對(duì)結(jié)構(gòu)性狀和行為的理解和提煉；正確并深入掌握結(jié)構(gòu)概念是設(shè)計(jì)、建造優(yōu)秀結(jié)構(gòu)的前提。例如，在方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)結(jié)構(gòu)整體合理性的把握；在結(jié)構(gòu)分析階段，對(duì)計(jì)算模型合理性的計(jì)算結(jié)構(gòu)的正確性的判斷；在構(gòu)造設(shè)計(jì)階段，對(duì)各種構(gòu)造措施的恰當(dāng)處置等，都需要以結(jié)構(gòu)概念為先導(dǎo)?？梢哉f概念設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)工程設(shè)計(jì)過程，既是設(shè)計(jì)的靈魂，也是整個(gè)建設(shè)過程的靈魂。

二、概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)分析作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最精華的部分，該階段也最能體現(xiàn)概念設(shè)計(jì)的精髓。結(jié)構(gòu)分析是分析結(jié)構(gòu)在外荷載或作用下，其結(jié)構(gòu)自身的內(nèi)力、變形行為。因此，要做好結(jié)構(gòu)分析，必須得把握好兩方面的內(nèi)容：一是外荷載或作用的合理確；二是結(jié)構(gòu)自身內(nèi)力、變形行為。

外荷載及作用作用于結(jié)構(gòu)上，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部是如何傳遞分配的是看不見摸不著的，但這種分配與傳遞確實(shí)實(shí)在在地存在著。在結(jié)構(gòu)中，分散的荷載匯集到板上，通過板，荷載傳遞到梁上，再由梁匯集到墻柱上，墻柱將荷載傳遞到基礎(chǔ)上，最后基礎(chǔ)將荷載匯集到大地上。（見附圖）

結(jié)構(gòu)中的荷載在傳遞過程中，傳力途徑突然干擾或者遇到剛度突變，此時(shí)將產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，這些區(qū)域成為危險(xiǎn)區(qū)。因而，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需遵循剛度均勻的原則，不至產(chǎn)生過大的突變，引起力流傳遞的突變。遵循力流的傳遞，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖崂恚苑奖懔α鞯臅惩?。在建筑結(jié)構(gòu)中，力流主要有兩方面，水平力流和豎向力流。豎向力流沿著板梁柱墻至基礎(chǔ)地基傳遞，水平力流作用于結(jié)構(gòu)樓層及側(cè)面上，通過豎向構(gòu)件的拉壓作用傳至基礎(chǔ)地基。任何力流最后都傳至地基上。力流在傳遞過程中，主要受結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素剛度影響較大，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，可知力流是按剛度來分配傳遞的，剛度是影響力流傳遞的主要因素。如豎向力流在傳遞過程中總是先至板，再至次梁，再至主梁，通過主梁再傳至墻柱，而不是直接傳至柱。是跟各構(gòu)件的相對(duì)剛度有關(guān)的。由于次梁剛度較小于主梁剛度，（這里的剛度不是截面剛度，而是構(gòu)件剛度。與截面大小、構(gòu)件尺度及邊界條件均有關(guān)系）因而，主梁一般起支撐次梁作用。

（1）轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。即上部的豎向構(gòu)件在某層通過水平構(gòu)件轉(zhuǎn)換豎向力流，然后再傳至旁位豎向構(gòu)件。根據(jù)力流的分析過程可知，該種結(jié)構(gòu)傳力不通暢，在力流改變途徑處，力流集中，形成危險(xiǎn)區(qū)域，需要采取加強(qiáng)措施。對(duì)有轉(zhuǎn)換層的高層建筑，希望是低位轉(zhuǎn)換而不是高位轉(zhuǎn)換，且要求轉(zhuǎn)換層上下層的抗側(cè)剛度有一定的連續(xù)性而不是突變的，因而規(guī)范規(guī)定底部1~ 2層大空間的剪力墻結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)換層上下層的剪切剛度比宜接近1，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)的不應(yīng)大于3，抗震設(shè)計(jì)時(shí)的剪切剛度比不宜大于2。厚板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層位置上下層其變形曲線也有突變?；诖嗽?，設(shè)計(jì)時(shí)一般不常用厚板式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)。

（2）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)由框架和剪力墻兩種豎向構(gòu)件組建而成，通過樓板連接使二者協(xié)同作用。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)保證樓板能協(xié)調(diào)框架和剪力墻。樓板的協(xié)調(diào)作用是通過樓板水平放置的深梁來實(shí)現(xiàn)的。故規(guī)范規(guī)定“一、二級(jí)抗震墻的洞口連梁跨高比不宜大于5，且梁截面高度不宜小于400mm，”意即要求連梁的剛度不宜太??；在規(guī)范中，還規(guī)定了剪力墻之間距離的要求，這是樓板能起協(xié)同作用的保證。在水平力流下，由于樓板的協(xié)同，框架和剪力墻能協(xié)同工作。由于框架和剪力墻剛度的巨大差距，剪力墻對(duì)水平力流傳遞的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于框架部分。因此，常規(guī)框架剪力墻結(jié)構(gòu)一般把剪力墻作為第一道防線，而框架部分僅作為次防線。這樣剪力墻的要求需較高，而框架部分的要求則可適當(dāng)降低。這也是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中的重要思想之一，重點(diǎn)部分重點(diǎn)對(duì)待。

（3）樓板荷載的傳遞總是遵循向剛度大的部分傳遞。如果板兩方向的尺度大致相等，則力流通過板面向四面?zhèn)鬟f，隨著兩方向尺度差距的拉大，荷載逐步加大向尺度?。磩偠却螅┑囊环絺鬟f，當(dāng)相比達(dá)到2時(shí)。則力流百分之九十四都通過短向傳至邊界了。再如雙向梁體系，誰作為支撐梁的問題。在實(shí)際受力分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，總是剛度大的梁作為剛度小的梁的支座。通過以上幾個(gè)簡單的工程實(shí)例發(fā)現(xiàn)，力流在結(jié)構(gòu)中的傳遞總是喜好于向剛度大的構(gòu)件傳遞。這也是在設(shè)計(jì)過程中引導(dǎo)力流的方向的措施。如實(shí)際工程中雙向井字梁的布置，如果兩方向尺度相差較大，而我們又希望荷載均勻傳遞至四周，則可以通過斜向布置梁，來達(dá)到荷載的均勻傳遞。這也是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度來引導(dǎo)力流的措施。

三、抗震設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)剛度可以通過結(jié)構(gòu)的變形間接反映，由能量原理知道，力與變形的積分就是功。由于變形分塑性和脆性之分，即變形量是不一樣的。因而，各種變形能積累的能量是不一樣的。而在結(jié)構(gòu)抗震工程設(shè)計(jì)中，能量是一個(gè)很重要的概念。因?yàn)榈卣鹌浔举|(zhì)就是一個(gè)能量釋放的過程。僅利用結(jié)構(gòu)的彈性性能抵抗強(qiáng)烈地震是不明智的。正確的做法是同時(shí)利用結(jié)構(gòu)彈塑性階段的性能，通過結(jié)構(gòu)一定限度內(nèi)的塑性變形來消耗地震輸入結(jié)構(gòu)的能量。

抗震設(shè)計(jì)就是要設(shè)計(jì)出能接受地震所賦予其能量而不至倒塌的結(jié)構(gòu)。這就要求結(jié)構(gòu)要具備一定的延性。規(guī)范中，用延性指標(biāo)來表達(dá)。根據(jù)能量的原理知道，變形性能好（即延性好）的材料積累同樣的能量需要的結(jié)構(gòu)抗力就小，這也是規(guī)范規(guī)定各種材料的可靠度指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。為了達(dá)到同樣的安全度。延性差的材料其抗力承載力要求就高。這也是中外規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)延性構(gòu)造要求不一致的原因之一，由于我國建筑結(jié)構(gòu)的抗力設(shè)計(jì)值較國外發(fā)達(dá)國家低，為滿足一定的地震安全要求，在設(shè)計(jì)中，可以通過各種各樣的構(gòu)造措施和耗能手段來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的延性。

四、概念設(shè)計(jì)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

基礎(chǔ)是建筑物和地基之間的連接體。基礎(chǔ)把建筑物豎向體系傳來的荷載傳給地基。豎向結(jié)構(gòu)體系(柱、墻、井筒）將荷載集中于點(diǎn)，或分布成線形，但是作為最終職稱結(jié)構(gòu)的地基，提供的是一種分布的承載能力。如果地基的承載能力足夠，則基礎(chǔ)的分布方式可與豎向結(jié)構(gòu)的分布方式相同。但有時(shí)由于土或荷載的條件，需要采用滿鋪的筏形基礎(chǔ)。筏形基礎(chǔ)有擴(kuò)大地基接觸面的優(yōu)點(diǎn)，但與獨(dú)立基礎(chǔ)相比，它的造價(jià)通常要高的多，因此只在必要時(shí)才使用。不論哪一種情況，基礎(chǔ)的概念都是把集中荷載分散到地基上，使荷載不超過地基的長期承載能力。因此，分散的程度與地基的承載力成反比。

在有些情況下，柱子可以直接職稱在下面的方形基礎(chǔ)上，墻則職稱在沿墻長度方向布置的條形基礎(chǔ)上。當(dāng)建筑物只有幾層高時(shí)，只需要把墻下的條形基礎(chǔ)和柱下的方形基礎(chǔ)結(jié)合使用，就常常足以把荷載傳遞給地基。這些單獨(dú)的基礎(chǔ)可用基礎(chǔ)梁連接起來，以加強(qiáng)基礎(chǔ)抵抗地震的能力。只是在地基非常軟弱，或者建筑物比較高（如在10層或20層以上，并產(chǎn)生很大的傾覆力）的情況下，才需要采用筏形基礎(chǔ)。多數(shù)建筑物的豎向結(jié)構(gòu)，墻、柱及井筒都可以用各自的基礎(chǔ)分別支撐在地基上。中等地基調(diào)教可以要求增設(shè)拱式或預(yù)應(yīng)力梁式的基礎(chǔ)鏈結(jié)構(gòu)件。這樣可以比獨(dú)立基礎(chǔ)更均勻的分布荷載。因?yàn)樗鼈儾恍枰ㄟ^受彎偏斜來傳播荷載。

結(jié)束語

把握概念設(shè)計(jì)是做好工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文從建筑物承受外荷載著手，分析了荷載的傳遞，剛度的影響到能量理論的運(yùn)用做了簡單的探究。通過分析可知，荷載是外部因素，剛度是內(nèi)部因素，而能量原理是本質(zhì)。抓住影響結(jié)構(gòu)的主要因素，正確恰當(dāng)運(yùn)用概念設(shè)計(jì)，才能成為一名合格的設(shè)計(jì)師。參考文獻(xiàn)

[1]張?jiān)?，李盛?剛度理論在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用和體現(xiàn)[J].建筑結(jié)構(gòu).2003，33(02)；6-10.

[2] 林同炎，S?D?斯多臺(tái)斯伯利.混結(jié)構(gòu)概念和體系[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]程懋堃.一些結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的建議[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(01);3-5．

[4]季天建，Adrian Bell.感知結(jié)構(gòu)概念[M].北京:高等教育出版社，2009.