淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計

姜久強

摘要：迄今為止，我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計一直都循規(guī)蹈矩，按部就班的進(jìn)行，所以，我們急需要對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行創(chuàng)新，采用新的設(shè)計思想，并且大力推動結(jié)構(gòu)工程師的思維創(chuàng)造，使結(jié)構(gòu)設(shè)計得到更好的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：建筑設(shè)計；概念設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震

1 概念設(shè)計的涵義

概念設(shè)計從廣義上來講就是建筑結(jié)構(gòu)從最初成立設(shè)計方案起，就必須正確的認(rèn)識到建筑結(jié)構(gòu)中的抗震因素，并且把這一重要因素融入到整個結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，像建筑物的體形，建筑物的結(jié)構(gòu)體系，建筑物的構(gòu)件延展性等一系列可能遇到的問題。概念設(shè)計一定要從宏觀的角度上進(jìn)行全方面的評估、評價、評定，在有針對性的進(jìn)行計算和構(gòu)造措施。這樣一來能更好的解決關(guān)于建筑物抗震這一不可抗力因素，增加建筑物的抗震性能，以便達(dá)到設(shè)計的最終目的。換言之，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計就是充分利用建筑工程師的豐富創(chuàng)造力和思維判斷能力，依據(jù)大量地震災(zāi)害的實例，結(jié)構(gòu)抗震收獲了許多寶貴的經(jīng)驗，并且總結(jié)出自己的原則，以宏觀的角度去觀察結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本問題。所以，建筑工程師在進(jìn)行設(shè)計的時候一定要充分了解整個建筑物的結(jié)構(gòu)特點以及抗震性，還要充分考慮到如果發(fā)生震動，建筑物相應(yīng)的承受能力，找出問題的關(guān)鍵，解決矛盾，用正確的方式方法進(jìn)行概念設(shè)計，這樣才會獲得成功。因為，概念設(shè)計所涉及的范圍非常廣泛，所以不僅要分析整個建筑物的設(shè)計總方案，還要有非主材料的使用方法以及主要部分的詳細(xì)構(gòu)造。

2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的注意要點

2.1 延性耗能

在整體建筑結(jié)構(gòu)的全面設(shè)計上要注意的是加強關(guān)于薄弱環(huán)節(jié)的處理，盡可能的做到相等的程度。與此同時，建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中應(yīng)該處于一個較為完善的地方這樣才能把能量消耗到最大，在詳細(xì)的設(shè)計過程中梁是一個不可不考慮的環(huán)節(jié)，例如：建筑物的框架梁等等。結(jié)構(gòu)延性的表示方法普遍采用延性系數(shù)，結(jié)構(gòu)延性所表示的是結(jié)構(gòu)極限變形以及屈服變形的比值，其中極限變形包括了位置移動、轉(zhuǎn)變角度和曲率，除此之外，結(jié)構(gòu)延性還可以用位移延性系數(shù)或者是轉(zhuǎn)角延性系數(shù)等來表示，系數(shù)的比值越大就代表結(jié)構(gòu)延性越好。

在進(jìn)行設(shè)計的時候為了更好的提高鋼筋混凝土梁的延性，可以采取以下五項措施：

（1）首先，應(yīng)該選擇適合的梁截面尺寸，這樣能與配筋率相吻合。所以，相對于地震高發(fā)區(qū)的建筑物梁的配筋率要在很大程度上相較于梁的最高配筋率要低很多。

（2）將梁混凝土的強度進(jìn)行提高，增強其等級，對鋼筋延性有利的是中低級鋼筋。

（3）T形梁比矩形梁延性好。

（4）要想提高鋼筋混凝土梁的延性還需注意到加密箍筋。特別是在地震高發(fā)區(qū)建筑物的鋼筋混凝土其位移延性系數(shù)的要求最小也要大于4。

2.2 多道防線設(shè)計

近幾年來，出現(xiàn)了一種新的抗震理念，每當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)受到非常強烈的地震，其震動的主脈沖在周期的作用下有兩方面因素：一是利用建筑結(jié)構(gòu)中增設(shè)的材料使其變形，來耗費和分散地震中所輸入的能量，二是利用結(jié)構(gòu)的破壞性，建筑結(jié)構(gòu)起到一個承上啟下的作用，使建筑結(jié)構(gòu)成為一個穩(wěn)定的體系，以便實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)因為周期而發(fā)生的變化，這樣一來還能避開建筑物因為震動的周期時間過長而引發(fā)的共振效應(yīng)。這種通過對建筑結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲瑥亩鴾p輕了建筑物的損壞度，主要目的就是針對高程度的地震，這樣是一種非常有效的方式方法。

2.3 妥善處理非結(jié)構(gòu)部件

非建筑結(jié)構(gòu)部件主要是指針對一般建筑結(jié)構(gòu)，像承受重力荷載、風(fēng)、地震等側(cè)力荷載的部分都是不需要考慮的因素。但是，建筑結(jié)構(gòu)在實際的地震作用當(dāng)中，關(guān)于高層的建筑中，某些部件都參與到工作中去，使得整個建筑結(jié)構(gòu)部件的剛度、承載能力、傳力路線都將受到改變。這樣一來就會導(dǎo)致建筑物在概念設(shè)計的時候沒有預(yù)估到的部分受到地震的損害。以上這些影響在鋼筋混凝土框架體系當(dāng)中，高層建筑物是最為普遍的。

2.4 砌體填充墻的抗震作用

2.4.1可以將建筑結(jié)構(gòu)的強度增加，從而使自震的周期減短，這樣就會使水平地震的力量擴大到30%～50%之間。

2.4.2 改變了建筑結(jié)構(gòu)的地震剪力分布情況。

2.4.3 一般情況下砌體填充墻的抗推剛度都是較大的，這樣在很大程度上限制了建筑物框架的變形，使得建筑物結(jié)構(gòu)的地震幅值整體的減小了。

2.5 建筑物的柱端受到地震的損害

在地震發(fā)生過程中，建筑物角柱上端被嵌砌在建筑物框架間的磚墻頂斷，這種情況是非常典型的柱端地震損害。在建筑物框架體系進(jìn)行設(shè)計的時候，要把這些因素考慮其中，并且采取有效恰當(dāng)?shù)姆烙胧?/p>

2.6 形成短柱破壞

采用鋼筋混凝土框架的高層建筑，根據(jù)建筑物框架和柱的承載能力以及破壞性來講，這種情況下就屬于長柱。但是，窗裙墻對建筑物框架和柱有著約束性而且是剛性的，這樣一來就減短了建筑物柱的有效長度，從而使建筑物柱變成短柱，其承擔(dān)的地震力增加，就會出現(xiàn)剪切破壞的現(xiàn)象。

以上情況說明，采用合理有效的維護(hù)方案是防止短柱破壞的最有利方法。在進(jìn)行概念設(shè)計或者是施工圖中應(yīng)該明確的進(jìn)行說明。

3 在具體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計實例

X市X區(qū)X項目情況如下：在土地上樓高30多層共有120米，地下高3層，而地下3層是5級人防。此建筑物結(jié)構(gòu)屬于超高層建筑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系為框架剪力墻。在建筑方案的概念設(shè)計階段，建筑物框架的軸線尺寸已經(jīng)由建筑物來確定，建筑物的梁和建筑物柱的截面尺寸應(yīng)該根據(jù)建筑物豎向的荷載能力以及震害程度來最終確認(rèn)。最后面臨的問題是關(guān)于剪力墻怎么樣進(jìn)行布置，剪力墻的數(shù)量是多少。這兩方面對于建筑物結(jié)構(gòu)的安全性以及技術(shù)經(jīng)濟的合理性起到非常關(guān)鍵的作用，這也能體現(xiàn)出建筑物結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)越性。所以，建筑物結(jié)構(gòu)工程師在最初對方案進(jìn)行設(shè)計的時候應(yīng)該積極思考，預(yù)算處剪力墻的面積大小，并結(jié)合建筑要求將方案做到經(jīng)濟、合理、有效、實用。

3.1 概念設(shè)計中剪力墻的布置

正常情況下，剪力墻應(yīng)該在建筑物的橫向和縱向同時進(jìn)行布置工作，并且使橫向和縱向的自震周期相接近。在不是抗震設(shè)計的情況下，通常只允許設(shè)立橫向的剪力墻，一般這個時候，縱向的風(fēng)力將會由縱向的框架進(jìn)行承受。剪力墻的片數(shù)一旦增多，就需要剪力墻均勻和分散，剪力墻的片數(shù)剛度應(yīng)該較小，換言之，就是說剪力墻中會有很多短的剪力墻，在建筑物中應(yīng)該在每層當(dāng)中均勻分布，而不是集中在一個區(qū)域。一方面來講，剪力墻的對稱性可以很大程度上避免或者是減少扭矩。另一方面來講，剪力墻只要沿著墻周邊進(jìn)行布置工作就可以加大抗扭轉(zhuǎn)性。

3.2 概念設(shè)計中剪力墻的平面位置

豎向荷載較大有以下優(yōu)點：一是，荷載的重力越大所引發(fā)的地震作用就隨之增大，這樣就可以直接傳到剪力墻之上。二是，剪力墻所承受的彎矩和剪力都是非常大的，這樣一來就會有非常大的軸向壓力進(jìn)行平衡能力，這樣做的原因是可以將墻體的拉應(yīng)力減到最小，將墻體的剪力和承載能力提升。

3.3 概念設(shè)計中的剪力墻最大間距

在建筑物框架和建筑物剪體系當(dāng)中，剪力墻主要用途是抗震構(gòu)件，并且承擔(dān)著八成以上的抗地震能力，而建筑物框架是緊隨其后的抗震體系，承擔(dān)著很小一部分的抗震能力。要想把建筑物框架在建筑物的建筑體系凸顯出來，就要把剪力墻作為側(cè)向支撐在建筑物中，這樣在地震力的作用下建筑物水平變形就控制在很小的范圍之內(nèi)。概念設(shè)計在實際建筑工程中，剪力墻的墻間距普遍都是在固定范圍值內(nèi)。

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