結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)布置中的應(yīng)用

摘要：結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，對結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)提出了自己的理解，并從四個(gè)方面介紹了結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)布置中的應(yīng)用：樓板的作用、結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜相近、通過分析荷載傳遞路徑優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算假定與實(shí)際受力情況相一致。了解結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)知識(shí)，可以提高結(jié)構(gòu)工程師對結(jié)構(gòu)的理解，拓寬結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)的思路。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)布置；樓板的作用；兩主軸方向的動(dòng)力特性；荷載傳遞路徑；計(jì)算假定

中圖分類號(hào)：TU318.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

在平時(shí)的校審工作中，總能發(fā)現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)工程師對于結(jié)構(gòu)布置缺乏概念，盲目迷信模型計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為只要模型計(jì)算通過，就萬事大吉了。事實(shí)上，模型能算過只能說明在基于軟件及規(guī)范的一系列假設(shè)的前提下，可以滿足規(guī)范的相關(guān)基本要求，并不代表這個(gè)結(jié)構(gòu)方案就是合理的，沒有安全隱患的，甚至于有些東西軟件考慮的也不是很完善或者根本沒有考慮。這時(shí)就需要清晰的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)思想作支撐，靈活運(yùn)用自身知識(shí)進(jìn)行分析判斷。

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)與模型計(jì)算分析二者是相互依存的關(guān)系，必須先有經(jīng)過結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案，其次再是建入模型進(jìn)行計(jì)算分析，最后根據(jù)分析結(jié)果對所布置的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

本文結(jié)合自身的工作經(jīng)驗(yàn)，將從四個(gè)方面介紹結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)布置中的應(yīng)用，希望可以起到拋磚引玉的作用。

1結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的含義

相信很多結(jié)構(gòu)工程師從入行開始就或多或少聽說過“結(jié)構(gòu)概念”這個(gè)名詞，感覺似乎深不可測的樣子，實(shí)則不然。

GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］第2.1.9條對建筑抗震概念設(shè)計(jì)給出的解釋為：“根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程。”個(gè)人理解的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)：“即不需經(jīng)過模型計(jì)算，僅通過一些結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)思想就能布置出大致合理的結(jié)構(gòu)體系?！币簿褪钦f，擁有結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)思想，就可以相對容易地布置出合理的結(jié)構(gòu)方案，并能有針對性地對結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)。

2結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)布置中的應(yīng)用

從四個(gè)方面對結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)及其在結(jié)構(gòu)布置中的應(yīng)用進(jìn)行介紹并舉例說明。

2.1樓板的作用

樓板的作用除了傳遞豎向荷載以外，更重要的是傳遞水平荷載（風(fēng)荷載、地震作用），并將單個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件拉結(jié)為一個(gè)整體聯(lián)合受力。

很多結(jié)構(gòu)工程師對樓板傳遞水平荷載的作用認(rèn)識(shí)不足，僅僅因?yàn)槟Ｐ屠锩鏄前宥际菃为?dú)進(jìn)行計(jì)算，好像并沒有參與結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算，就認(rèn)為樓板于傳遞水平荷載沒有作用，這種理解是片面的，也是極端錯(cuò)誤的。

那么，樓板為何可以傳遞水平荷載，畢竟常見的樓板厚度僅僅為100～120 mm。實(shí)際上樓板傳遞水平荷載的能力主要取決于樓板的平面內(nèi)剛度EI。對于同一個(gè)等級的混凝土，彈性模量E是常數(shù)，而慣性矩I=bh312 ，雖然b（樓板厚度）很小，但是h（即承受水平荷載方向的建筑有效樓板寬度）卻很大，h的3次方則更大。故在樓板沒有經(jīng)過大幅度削弱（比如開大洞）的樓層可以近似認(rèn)為該樓層樓板的平面內(nèi)剛度為無限大。也就是說，結(jié)構(gòu)平面有連續(xù)樓板的地方，水平荷載可以通過樓板順利傳遞并分配給與之相交的豎向構(gòu)件。而沒有樓板的地方，水平荷載只能通過諸如梁或者圍合的剪力墻筒體進(jìn)行傳遞。理解了這一點(diǎn)，可以輕易地找到結(jié)構(gòu)平面的薄弱點(diǎn)，故而進(jìn)行有針對性的加強(qiáng)。

比如常見的“凹”形結(jié)構(gòu)平面，見圖1。水平荷載Fx通過樓板A傳遞給急劇收截面后的樓板C再傳遞給樓板B。通過上面的結(jié)構(gòu)概念，可以很容易地得出結(jié)論，即僅僅依靠樓板C來傳遞水平荷載可能是不夠的，如果增加拉結(jié)板D或者E，將更有利于水平荷載的傳遞，見圖2。

需要注意的是，這里需要增加拉結(jié)板是概念分析的結(jié)果，因?yàn)槿绻辉鲈O(shè)拉結(jié)板，A或者B上半部分的樓板就不能直接傳遞水平荷載。當(dāng)然，規(guī)范中也有相關(guān)的說明，如DB51T 5058-2020《四川省抗震設(shè)防超限高層民用建筑工程界定標(biāo)準(zhǔn)》［2］第4.1.2條條文說明中指出：“凹進(jìn)平面在凹口設(shè)置連梁或者拉板，當(dāng)滿足拉板寬度不小于2 m、厚度不小于150 mm，且凹口寬度與拉板寬度之比不大于4時(shí)，可視為無凹口?！奔串?dāng)增設(shè)的拉板能夠有效協(xié)調(diào)兩側(cè)的變形時(shí)，可以不算凹凸不規(guī)則。由此可以看出，雖然結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)不能像規(guī)范規(guī)定那樣給出具體的數(shù)值，但通過分析，至少可以判斷出凹口處需要進(jìn)行加強(qiáng)，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期已經(jīng)足夠了。

2.2結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜相近

對于某建筑結(jié)構(gòu)來說，通常可以確定兩個(gè)主軸方向，分別設(shè)為X軸和Y軸。當(dāng)結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的抗側(cè)剛度不一樣時(shí)，在同樣大小的水平荷載作用下，勢必出現(xiàn)兩種不同的變形，當(dāng)變形大于一定范圍，結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)破壞。試想，如果結(jié)構(gòu)X軸與Y軸的抗側(cè)剛度差異很大，比如Y軸的剛度比X軸小很多的情況下，在水平荷載作用下，不管X軸的剛度有多大，結(jié)構(gòu)如果要破壞則始終會(huì)先出現(xiàn)在Y軸。

因此，結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載的能力就像水桶裝水的能力一樣，裝水的多少不取決于最高的那塊木頭，而僅取決于最低的木頭。故結(jié)構(gòu)布置時(shí)，應(yīng)使結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向擁有相近的動(dòng)力特性，才能保證結(jié)構(gòu)無明顯的短板。GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］第3.5.3條3款也進(jìn)行了相關(guān)的說明：“結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜相近。”

假設(shè)一個(gè)長矩形平面的結(jié)構(gòu)，X方向3跨，Y方向1跨，每跨長度均為8 m，見圖3。如果均采用正方形的柱子截面且框架梁截面相同，則無論該結(jié)構(gòu)X方向的剛度有多大，最終破壞都將取決于Y方向的剛度。故正確的做法是加大Y方向的梁柱截面尺寸或減小X方向的梁柱截面尺寸，讓X、Y方向的動(dòng)力特性相近，見圖4。這樣不僅充分利用了結(jié)構(gòu)材料（柱子面積相同，只是調(diào)整了長寬比），而且結(jié)構(gòu)兩主軸方向側(cè)向剛度亦無明顯的短板。

需要注意的是，并沒有在模型計(jì)算后才發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)X軸和Y軸的剛度差異較大，而是在建模型之前就已經(jīng)通過概念設(shè)計(jì)大致明確了梁柱截面的相對大小。

2.3通過分析荷載傳遞路徑優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置

需要始終明確一個(gè)概念，即結(jié)構(gòu)分析的目的是為了讓結(jié)構(gòu)能夠更好地傳遞荷載，而結(jié)構(gòu)可以傳遞荷載與結(jié)構(gòu)能合理傳遞荷載之間可能差著十萬八千里。

比如說結(jié)構(gòu)局部錯(cuò)層部位，見圖5。通過簡單受力分析可知，在水平荷載F作用下，梁將產(chǎn)生扭矩，而當(dāng)水平荷載足夠大時(shí)，梁將發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。值得注意的是，對于梁類構(gòu)件，相對于受扭，我們更希望它在面內(nèi)受彎。為避免梁受扭，讓梁的受力趨于合理，可以通過樓板加腋的方式，讓水平荷載順暢傳遞，見圖6。由于低板處加腋將影響建筑功能，而僅靠單側(cè)加腋板并不能完全消除錯(cuò)層處水平荷載對梁的扭轉(zhuǎn)作用，故尚應(yīng)加強(qiáng)該梁配筋，如增設(shè)抗扭腰筋。

再比如梁上柱，見圖7。LZ柱底沿著Y方向的彎矩可以通過KL平面內(nèi)受彎抵抗，但是LZ柱底沿著X方向的彎矩卻只能通過KL受扭傳遞，當(dāng)X方向彎矩過大時(shí)，KL將會(huì)出現(xiàn)受扭破壞。根據(jù)應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件受扭的概念，應(yīng)該在X方向增設(shè)專門抵抗彎矩的次梁，見圖8。

上述兩個(gè)例子可知，如果沒有結(jié)構(gòu)概念而僅靠模型計(jì)算，顯然模型是不會(huì)告訴你這里不合理的，最多就是受扭計(jì)算結(jié)果大一些罷了。

2.4計(jì)算假定與實(shí)際受力情況相一致

2008年汶川地震以前，很多結(jié)構(gòu)工程師都忽略了框架結(jié)構(gòu)中樓梯的斜撐作用，導(dǎo)致大地震發(fā)生時(shí)大量的框架結(jié)構(gòu)在樓梯處首先出現(xiàn)破壞，造成生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失。

歸根到底，這就是結(jié)構(gòu)概念不清晰，導(dǎo)致計(jì)算假定與實(shí)際受力情況不符，樓梯剖面及傳力見圖9。從圖9中可以看出，在水平荷載H作用下，如果TB下端均采用剛性連接，則水平荷載H一部分通過上面樓層的水平構(gòu)件傳遞給側(cè)邊柱子，一部分通過TB1和PTB傳遞給側(cè)邊的KZ，還有一部分則通過TB2傳遞給下面樓層的水平構(gòu)件。而模型中框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖卻只有兩側(cè)的KZ及中間的水平構(gòu)件，這顯然是不合理的。

樓梯間所在開間由于梯板的斜撐作用，勢必導(dǎo)致該開間的側(cè)向剛度大于其它跨，故而該跨實(shí)際的地震剪力偏大，容易造成樓梯處結(jié)構(gòu)首先破壞。

通過概念分析可以知道，要解決這個(gè)問題，要么在模型計(jì)算中就考慮樓梯的斜撐作用，要么就采取一定措施釋放斜撐的力，讓其不對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。釋放斜撐的力可以在TB下部采用滑動(dòng)支座來解決，見圖10。當(dāng)樓梯下端均采用滑動(dòng)支座時(shí)，在水平力H作用下，TB1將無法傳遞水平荷載給PTB，TB2也無法傳遞水平荷載給下面樓層水平構(gòu)件，這樣就能最大限度地保證結(jié)構(gòu)計(jì)算假定與實(shí)際受力情況相一而這些僅僅靠模型計(jì)算是無法得知的，因?yàn)榻⒛Ｐ蜁r(shí)，就只考慮了樓梯相應(yīng)的荷載，而忽略了其作用，自然而然是得不出結(jié)果的。

3結(jié)束語

本文主要從四個(gè)方面介紹了結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)布置

中的應(yīng)用：樓板的作用、結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜相近、通過分析荷載傳遞路徑優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、計(jì)算假定與實(shí)際受力情況相一致，并說明了模型計(jì)算的局限性。

了解結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)知識(shí)可以提高結(jié)構(gòu)工程師對結(jié)構(gòu)的理解，并拓寬結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)的思路。

參考文獻(xiàn)

［1］建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范： GB 50011-2010［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2016.

［2］四川省抗震設(shè)防超限高層民用建筑工程界定標(biāo)準(zhǔn)： DB51T 5058-2020 ［S］.成都：西南交通大學(xué)出版社， 2020.

［作者簡介］趙純陽（1992—），男，本科，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。