概念設(shè)計及結(jié)構(gòu)措施在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用策略

李樹昌

【摘要】當今結(jié)構(gòu)計算有其局限性，結(jié)構(gòu)工程師在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不應(yīng)完全依賴于軟件計算結(jié)果，而忽視了對結(jié)構(gòu)整體以及細部的加強。應(yīng)用概念設(shè)計作為常規(guī)建筑工程的設(shè)計方法，輕計算精度、重結(jié)構(gòu)概念，從方案階段開始到施工圖階段，均采用概念設(shè)計的理念來指導設(shè)計，是決定結(jié)構(gòu)抗震性能的重要因素。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計;概念設(shè)計;結(jié)構(gòu)布置

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)工程師，都聽說過概念設(shè)計這個詞。概念設(shè)計，理應(yīng)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的精髓。然而很多同行并不清楚什么是概念設(shè)計、并未對概念設(shè)計予以應(yīng)有的重視，以及不清楚怎么將概念設(shè)計應(yīng)用到日常的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，導致結(jié)構(gòu)設(shè)計過于按部就班、死扣規(guī)范，嚴格按結(jié)構(gòu)模型計算結(jié)果進行配筋而未從概念上對結(jié)構(gòu)整體、細部進行把控、加強，導致設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)反而容易存在安全性不足的問題。故在此淺談結(jié)構(gòu)概念設(shè)計及從概念設(shè)計的理念出發(fā)可以采取的一些結(jié)構(gòu)措施。

1、什么是概念設(shè)計

應(yīng)當認識到，當今工程界并未對概念設(shè)計提出一個特別明確、單一的定義。一般而言，概念設(shè)計是指結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)用自己的專業(yè)知識、對規(guī)范的理解、過往的工程經(jīng)驗等能力，從宏觀上解決結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基本問題、決定結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基本措施的過程。

事實上，概念設(shè)計的內(nèi)容很廣泛，結(jié)構(gòu)工程師一般最為重視的、最能影響結(jié)構(gòu)安全以及體現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程師功力的，是建筑抗震概念設(shè)計。關(guān)于抗震概念設(shè)計，我國現(xiàn)行規(guī)范GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第2.1.9條有明確定義：抗震概念設(shè)計，是根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗等所形成的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，進行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細部構(gòu)造的過程。而細部構(gòu)造，往往指的是抗震構(gòu)造措施，即根據(jù)抗震概念設(shè)計原則，一般不需計算而對結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)各部分必須采取的各種細部要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計采取的各種抗震構(gòu)造措施，其實是抗震概念設(shè)計的精華之一。通過抗震概念設(shè)計，目的是實現(xiàn)抗震設(shè)防的三個水準目標，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”的某種具體化。

概念設(shè)計，不僅有涉及到抗震設(shè)計的基本概念，也有涉及其他設(shè)計的概念，如主樓與裙樓的抗沉降差異設(shè)計、超長結(jié)構(gòu)的抗溫度應(yīng)力設(shè)計等，均屬于概念設(shè)計的范疇。其共同的核心關(guān)鍵，都是要有相關(guān)“概念”，建立了概念，才能有概念設(shè)計能力的形成。而概念設(shè)計的對象，也不單只針對工程整體，如結(jié)構(gòu)平面布置、結(jié)構(gòu)體系的選擇等，也包括細部結(jié)構(gòu)構(gòu)件與節(jié)點，如強剪弱彎的調(diào)整、二道防線的基本構(gòu)造要求等。

概念設(shè)計的范圍如此廣泛，包羅萬有，要掌握概念設(shè)計的方法并將其熟練應(yīng)用于各工程的實際設(shè)計工作，絕非易事。故需要從主觀上重視概念設(shè)計。

2、為什么要進行概念設(shè)計

為什么要進行抗震概念設(shè)計？事實上，雖然當今科技水平日益發(fā)達，但對于地震的預(yù)測尚難以實現(xiàn)。實際的地震作用具有其不可預(yù)知性，震源深度、工程與震中的距離、地震作用的方向、傳播地震波的地質(zhì)條件、震級大小等，都會影響到建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，這些因素本身的不同加上因素之間的各種組合，所產(chǎn)生的地震作用是無法簡單通過幾條地震波、各種簡化或“精確”的地震作用方法所能計算清楚的，因而，采用抗震概念設(shè)計方法，對結(jié)構(gòu)進行整體以及關(guān)鍵構(gòu)件、關(guān)鍵節(jié)點的加強，對于確保結(jié)構(gòu)在地震中的安全，實現(xiàn)抗震設(shè)防的三個水準目標，是十分必要的。對于個別復雜的結(jié)構(gòu)，則需要通過性能化設(shè)計，來實現(xiàn)抗震設(shè)防的目標。國內(nèi)外歷次大地震的震害經(jīng)驗已經(jīng)充分說明，抗震概念設(shè)計是決定結(jié)構(gòu)抗震性能的重要因素。

與地震作用類似，溫度應(yīng)力也是難以通過計算得到準確計算結(jié)果的外部作用。除了通過計算公式進行抗溫度應(yīng)力計算，對超強結(jié)構(gòu)進行整體配筋加強外，還應(yīng)重視概念設(shè)計，注意把握結(jié)構(gòu)受溫度作用影響較大的關(guān)鍵部位，如平面的遠端、有效樓板寬度較小的部位等，以及溫度作用下受力關(guān)鍵構(gòu)件，如框架柱、剪力墻等豎向構(gòu)件，正確采取加強結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施，與計算結(jié)果結(jié)合進行結(jié)構(gòu)的抗溫度應(yīng)力設(shè)計，方能確保溫度應(yīng)力帶來的結(jié)構(gòu)開裂等問題處于可控及可以接受的范圍，確保結(jié)構(gòu)的正常使用不受影響。

3、當今概念設(shè)計應(yīng)用所存在的問題

3.1 概念設(shè)計并未引起應(yīng)有的重視，流于表面

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)的發(fā)展速度不斷加快，與之相匹配的是結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的普及以及推陳出新、迅速迭代，大到SAP2000、Midas、盈建科、PKPM等有限元軟件及整體計算軟件，小到理正結(jié)構(gòu)工具箱等局部構(gòu)件的計算工具，為當代結(jié)構(gòu)工程師的工作減輕了負擔，也提高了工作效率。然而隨之帶來的是越來越多的結(jié)構(gòu)工程師存在結(jié)構(gòu)概念的缺失、過度依賴軟件計算結(jié)果、缺乏手算能力等問題，這與當前強調(diào)概念設(shè)計的方向是相悖的。一方面，結(jié)構(gòu)計算軟件存在其局限性，無法準確模擬實際工程，尤其對于不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，其計算結(jié)果的可信程度并非絕對。另一方面，軟件的計算模型所依賴的程序假定與結(jié)構(gòu)的實際受力情況不一定完全相符，如果將軟件計算結(jié)果作為判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是否合理、結(jié)構(gòu)是否安全的唯一標準。結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果，應(yīng)當是作為對結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的量化與驗證的一個指標，利用概念設(shè)計對計算結(jié)果進行分析判斷是保證結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、安全的必要手段。

3.2 不知從何入手進行概念設(shè)計

有些結(jié)構(gòu)工程師對于概念設(shè)計的重要性有一定的了解，但是由于自身未掌握相關(guān)工程概念，專業(yè)知識不夠扎實，或者設(shè)計經(jīng)驗較少、實際處理工程問題較少，未能真正應(yīng)用概念設(shè)計來指導自身的設(shè)計工作，心有余而力不足，久而久之，也就落入了唯計算結(jié)果為準的圈子，概念設(shè)計也就無從談起。

4、概念設(shè)計的重點問題

以結(jié)構(gòu)工程師最為關(guān)注的抗震概念設(shè)計而言，應(yīng)重點把握的問題主要有：

4.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

結(jié)構(gòu)體系，是決定結(jié)構(gòu)安全的最重要因素，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)體系的合理性問題，優(yōu)先選用抗震能力強、延性好、耗能能力強、便于施工的、具有多道防線的結(jié)構(gòu)體系，如采用設(shè)置耗能連梁的抗震墻結(jié)構(gòu)、框架-抗震墻、框架-筒體結(jié)構(gòu)等。避免采用抗震能力較低的板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)、單跨框架結(jié)構(gòu)等。

4.2 結(jié)構(gòu)布置的合理性

結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的平面布置，結(jié)構(gòu)的平面、豎向規(guī)則性問題。概念清晰、傳力路徑明確的結(jié)構(gòu)布置，應(yīng)使質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)剛度均勻，減少質(zhì)量與剛度之間的偏心，有利于防止個別薄弱位置在地震中過早破壞與倒塌，視地震作用能在各子結(jié)構(gòu)之間重分布，整個結(jié)構(gòu)能很好地協(xié)同工作，發(fā)揮結(jié)構(gòu)的耗能作用，避免結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。

4.3 把握結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件、關(guān)鍵節(jié)點

應(yīng)對結(jié)構(gòu)在地震作用中的薄弱位置、關(guān)鍵構(gòu)件、重要節(jié)點等做到概念清晰，并對于其加強設(shè)計的方法靈活應(yīng)用。如對于長懸臂梁，應(yīng)重視豎向地震作用的計算，并考慮其未有多余約束，應(yīng)對計算結(jié)果進行一定程度的放大。為實現(xiàn)“強剪弱彎、強柱弱梁、強節(jié)點弱桿件及強柱根”的設(shè)計理念，抗震規(guī)范中的各種內(nèi)力系數(shù)調(diào)整均能有所體現(xiàn)。

5、概念設(shè)計及結(jié)構(gòu)措施在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用策略

對于概念設(shè)計有了一定認識、并了解其重點問題后，如何將其落到實處，應(yīng)用到工程中具體的方方面面？對此，筆者根據(jù)自身的設(shè)計經(jīng)驗，對于實際工程中應(yīng)用概念設(shè)計來具體處理問題的方法、采取的結(jié)構(gòu)措施進行舉例說明，也作為多年設(shè)計工作的個別總結(jié)。

5.1 變形縫的設(shè)置

對于常規(guī)的建筑平面，為滿足建筑使用要求、減少分縫處理難度等，通常建議不設(shè)置變形縫。此外，對一些建筑進行設(shè)縫，則能讓結(jié)構(gòu)變得更加合理。

如對于一些L形平面的建筑，邊角部位的扭轉(zhuǎn)位移比、層間位移角可能較大，結(jié)構(gòu)計算指標的調(diào)整困難時，可通過設(shè)置變形縫，將之分成兩個矩形部分，從而降低結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度，同時減少一項平面不規(guī)則（凹凸不規(guī)則項），使結(jié)構(gòu)更加規(guī)則、合理。

而對于一些超長建筑，在合理的間距設(shè)置伸縮縫，將建筑物分為若干尺度較小的結(jié)構(gòu)單元，使建筑物或構(gòu)筑物可在長度方向上做水平伸縮，可以減小由于溫差（早期水化熱或使用期季節(jié)溫差）和體積變化（施工期或使用早期的混凝土收縮）等間接作用效應(yīng)積累的影響，從而避免引起較大的約束應(yīng)力和開裂。由于基礎(chǔ)部分一般埋在地表以下，受溫度變化引起的間接效應(yīng)影響較小，伸縮縫在基礎(chǔ)部分可不分開，也是抗溫度應(yīng)力概念設(shè)計的一種體現(xiàn)。

對于建筑可能存在沉降差過大的位置，設(shè)置沉降縫，將建筑分為沉降均勻的單元，可以避免由于沉降差異帶來的結(jié)構(gòu)開裂、傾斜等影響結(jié)構(gòu)安全的問題。沉降縫應(yīng)設(shè)置在怎樣的位置？此處對于建筑可能存在較大沉降差異的部位需有相關(guān)概念，方能進行抗沉降差異的概念設(shè)計。通常，設(shè)置沉降縫的位置可考慮于建筑物的結(jié)構(gòu)類型不同處、基礎(chǔ)類型不同處、高度差異或荷載差異明顯不同處、地基土壓縮性有顯著差異處等。

5.2 二道防線的設(shè)計要求

布置有抗震剪力墻的結(jié)構(gòu)的抗震性能要好于純框架結(jié)構(gòu)，當結(jié)構(gòu)高度接近規(guī)范中框架結(jié)構(gòu)的適用高度限值時，如有條件設(shè)置部分剪力墻，應(yīng)選用框架-剪力墻結(jié)構(gòu);框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是框架和剪力墻共同承擔豎向和水平作用的結(jié)構(gòu)體系，布置適量的剪力墻是其基本特點，應(yīng)使剪力墻承擔大部分水平作用產(chǎn)生的剪力。若剪力墻設(shè)置過多，使結(jié)構(gòu)剛度過大，從而加大地震效應(yīng)，對于結(jié)構(gòu)而言也是不合理的?？砂丛谝?guī)定的水平力作用下結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值介于10%～80%來控制剪力墻的數(shù)量。為了發(fā)揮框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，應(yīng)設(shè)計成雙向抗側(cè)力體系，且結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的剛度和承載力不宜相差過大;抗震設(shè)計時，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)兩個主軸方向均應(yīng)布置剪力墻，以體現(xiàn)多道防線的要求。在水平地震作用下，由于剪力墻的剛度遠遠大于框架柱的剛度，由力矩分配法的力學概念可得，剛度越大所受到的力越大，所以剪力墻承擔更多的力，框架部分計算所得的剪力一般都較小。按多道防線的概念設(shè)計要求，墻體是第一道防線，在設(shè)防地震、罕遇地震下先于框架破壞，由于塑性內(nèi)力重分布，框架部分按側(cè)向剛度分配的剪力會比多遇地震下加大，為保證作為第二道防線的框架具有一定的抗側(cè)力能力，規(guī)范對框架所能承擔的總剪力提出了最小要求，當計算得到的總剪力小于對應(yīng)地震作用標準值的結(jié)構(gòu)底層總剪力的0.2倍時，需要對框架承擔的剪力予以適當?shù)恼{(diào)整，使框架部分滿足受力要求，以確保第二道防線能在中、大震時能起到預(yù)期的作用。

5.3 錯層構(gòu)件的加強措施

公建設(shè)計時，時常會存在樓層標高變化導致錯層的情況。當錯層的樓層數(shù)較少時，可不按錯層結(jié)構(gòu)考慮，但從概念設(shè)計的角度而言，錯層構(gòu)件仍應(yīng)按要求進行加強設(shè)計。

錯層附近的抗側(cè)力構(gòu)件受力復雜，往往形成眾多應(yīng)力集中的部位。錯層柱存在的主要問題，一是往往形成短柱，剪跨比過小，延性較差;而是柱高減小，其剛度較大，在水平作用下承受的剪力較大。純框架結(jié)構(gòu)錯層更為不利，容易形成許多短柱與長柱混合的不規(guī)則體系，故錯層結(jié)構(gòu)宜采用剪力墻或框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。錯層柱的加強措施，除對于其截面、混凝土等級、箍筋間距提出要求外，還應(yīng)提高其抗震等級。在設(shè)防烈度地震作用下按性能設(shè)計時，錯層柱的截面承載力應(yīng)能滿足第2性能水準的要求。

錯層處的剪力墻，應(yīng)優(yōu)先采用墻長與錯層水平傳力路徑同方向的剪力墻，避免將錯層處平面外受力的剪力墻作為主要水平受力構(gòu)件。對于剪力墻的加強措施，主要是對其最小厚度提出較高要求，按不小于250mm控制;提高其抗震等級、降低其軸壓比限值，對于邊緣構(gòu)件均按約束邊緣構(gòu)件考慮，并對豎向及水平方向的分布筋配筋率進行加強，按不小于0.5%考慮。

總結(jié)：

概念設(shè)計，尤其是抗震概念設(shè)計，依托結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本理論、清晰的力學概念而存在，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在學習和實踐中建立起正確的概念，運用正確的思考和判斷力，正確和全面地把握結(jié)構(gòu)的整體性能，并依據(jù)對結(jié)構(gòu)特性的正確把握，合理確定結(jié)構(gòu)的總體布置與細部構(gòu)造，確保結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。最后，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當認識到，雖然我們重視抗震概念設(shè)計，但并不意味著要拒絕進行復雜結(jié)構(gòu)設(shè)計，而是要求在處理復雜結(jié)構(gòu)設(shè)計時思考：什么是結(jié)構(gòu)設(shè)計的最佳選擇？為實現(xiàn)最佳選擇，還需要采取怎樣的措施？這樣，就能明確和展開概念設(shè)計實實在在的豐富內(nèi)涵。

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