探討概念設(shè)計在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

摘要： 概念設(shè)計就是從結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計一開始，就運(yùn)用人們對建筑結(jié)構(gòu)抗震己有的正確知識去處理好結(jié)構(gòu)設(shè)計中將遇到的問題，諸如:房屋體形、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布、構(gòu)件延性等等。本論文結(jié)合工作實(shí)踐，針對框—剪結(jié)構(gòu)這一應(yīng)用極為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，對概念設(shè)計在框—剪結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。��

關(guān)健詞：概念設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計 框—剪結(jié)構(gòu)

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一、概念設(shè)計的涵義

概念設(shè)計就是從結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計一開始，就運(yùn)用人們對建筑結(jié)構(gòu)抗震已有的正確知識去處理好結(jié)構(gòu)設(shè)計中將遇到的問題，諸如:房屋體形、結(jié)構(gòu)體系、剛度分布、構(gòu)件延性等等。從宏觀原則上進(jìn)行評價、鑒別、選擇等處理，再輔以必要的計算和構(gòu)造措施。從而消除建筑物抗震的薄弱環(huán)節(jié)，以達(dá)到合理抗震設(shè)計的目的。也就是說概念設(shè)計是工程師運(yùn)用思維和判斷力，根據(jù)從大量震害經(jīng)驗(yàn)得出的結(jié)構(gòu)抗震原則，從宏觀上確定結(jié)構(gòu)設(shè)計中的基本問題。因此，工程師必須從主體上了解結(jié)構(gòu)抗震特點(diǎn)，振動中結(jié)構(gòu)的受力特征，抓住要點(diǎn)，突出主要矛盾，用正確的概念來指導(dǎo)概念設(shè)計，才會獲得成功。由于概念設(shè)計包括的范圍極廣，因此不僅僅要分析總體方案確定的原則，還要顧及非材料的正確使用和關(guān)鍵部位的細(xì)部構(gòu)造。但是首先和最重要的還是結(jié)構(gòu)總體概念設(shè)計、材料選型和細(xì)部構(gòu)造等問題，這些設(shè)計原則和結(jié)構(gòu)概念中，較為重要的是結(jié)構(gòu)總體設(shè)計。

二、結(jié)構(gòu)總體設(shè)計的注意要點(diǎn)

1.延性耗能

在建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計上要注意加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)，盡量做到等強(qiáng)度。同時，應(yīng)使建筑結(jié)構(gòu)在一個恰當(dāng)?shù)牟课荒芟�耗大量的能量，在具體設(shè)計中即為各式各樣的梁，如框架梁、聯(lián)肢墻的連肢梁等。結(jié)構(gòu)延性一般用延性系數(shù)表示，它表示的是結(jié)構(gòu)極限變形(位移、轉(zhuǎn)角、曲率)與屈服變形的比值，也可以分別用位移延性系數(shù)，轉(zhuǎn)角延性系數(shù)等來表示，該比值越大，結(jié)構(gòu)的延性越好。在設(shè)計上為提高鋼筋混凝土梁的延性，一般采取以下措施:(1)首先應(yīng)選取合適的梁截面尺寸，以獲得合適的配筋率，避免梁受拉筋過多或出現(xiàn)超筋。因此，對地震區(qū)梁的配筋率要大大低于一般梁的最高配筋率。(2)梁上部(跨中)和下部(端部)配置適量的受壓筋。

(3)提高梁混凝土強(qiáng)度等級，采用中低級鋼筋對延性有利。(4)T形梁比矩形梁延性好。(5)注意加密箍筋。地震區(qū)鋼筋混凝土梁的位移延性系數(shù)一般要求不得低于4。

2.多道防線設(shè)計

現(xiàn)在有一種新的抗震概念:當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)烈地震動主脈沖卓越周期的作用時，一方面利用結(jié)構(gòu)中增設(shè)的贅余桿件的屈服和變形，來耗散地震輸入能量;另一方面利用贅余桿件的破壞和退出工作，使整個結(jié)構(gòu)從一種穩(wěn)定體系過渡到另一種穩(wěn)定體系，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)周期的變化，以避開地震動卓越周期長時間持續(xù)作用所引起的共振效應(yīng)。這種通過對結(jié)構(gòu)動力特性的適當(dāng)控制，來減輕建筑物的破壞程度，是對付高烈度地震的一種經(jīng)濟(jì)有效的方法。

3.妥善處理非結(jié)構(gòu)部件

非結(jié)構(gòu)部件一般是指在通常結(jié)構(gòu)分析中不考慮承受重力荷載以及風(fēng)、地震等側(cè)力荷載的部件，如內(nèi)隔墻，框架填充墻，建筑處圍墻板，樓梯等。實(shí)際上，在地震作用下，高層建筑中的這些部件或多或少地參與工作，從而改變了整個結(jié)構(gòu)或局部構(gòu)件的剛度，承載力和傳力路線。造成未曾估計到的局部震害。在鋼筋混凝土框架體系的高層建筑中，這些影響最為普遍。(1)砌體填充墻的抗震作用：①使結(jié)構(gòu)剛度增大，自振周期縮短，水平地震力增大30%~50%。②改變了結(jié)構(gòu)的地震剪力分布狀況。③砌體填充墻具有較大的抗推剛度，限制了框架的變形，從而減小了整個結(jié)構(gòu)的地震側(cè)移幅值。 (2)柱端震害，在地震中，角柱上端被嵌砌于框架間的磚墻頂斷。這是典型的柱端震害。在框架體系設(shè)計中必須考慮，并采取恰當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。(3)形成短柱破壞。采用鋼筋混凝土框架的高層建筑，就框架柱的受力狀況和破壞形態(tài)而言，一般情況下屬于長柱。由于窗裙墻對框架柱的剛性約束，減短了柱的有效長度，使它變成了短柱，承擔(dān)的地震力大增，發(fā)生剪切破壞。因此，采用貼砌圍護(hù)方案或墻、柱柔性連接方案都是防止短柱破壞的有效手段。否則沿柱的全高，柱身箍筋的配置均應(yīng)符合短柱的規(guī)定。這一點(diǎn)，在施工圖中，應(yīng)當(dāng)說明清楚。

三、案例討論

某項(xiàng)目情況：地上34層共120m，地下共3層，其中地下第3層為5級人防。該結(jié)構(gòu)為超高層結(jié)構(gòu)，框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系。其中在地上第三層有局部框值轉(zhuǎn)換。在方案設(shè)計階段，框架的軸線尺寸己經(jīng)由建筑確定，梁柱截面尺寸根據(jù)豎向荷載及粗估的水平地震作用效應(yīng)確定。最后問題是剪力墻如何布置、數(shù)量多少。這是一個關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全和技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性，并體現(xiàn)出體系優(yōu)越性的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。所以結(jié)構(gòu)工程師在方案設(shè)計階段都積極參與，并根據(jù)適宜剛度概念算出剪力墻的面積，結(jié)合建筑要求設(shè)計出經(jīng)濟(jì)合理的方案。

1.剪力墻的布置。一般情況下，剪力墻應(yīng)在縱橫兩個方向同時布置，并使兩個方向的自振周期比較接近。在非抗震設(shè)計的條件下，也允許只設(shè)橫向剪力墻而不設(shè)縱向剪力墻，這時，縱向風(fēng)力全部由縱向框架承受。剪力墻的一般布置原則是“均勻、分散、對稱、周邊”。均勻、分散是要求剪力墻的片數(shù)多，每片的剛度不要太大，也就是說布置很多片短的剪力墻;并且在樓層平面上均勻布開不要集中在某一局部區(qū)域。一方面，剪力墻對稱布置可以避免和減少建筑物受到的扭矩。另一方面，剪力墻沿周邊布置可以最大幅度地加大抗扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力臂，提高整個結(jié)構(gòu)的抗扭能力。經(jīng)過討論，大家一致同意剪力墻沿周邊布置。

2.剪力墻的平面位置。一般情況下，剪力墻宜布置在下述的各個部位:（1）豎向荷載較大處。這樣可以獲得三點(diǎn)好處:①較大重力荷載引起的較大地震作用，可以直接傳到剪力墻上;②剪力墻承受很大的彎矩和剪力，有了較大軸向壓力來平衡，可以減小墻體的拉應(yīng)力，并提高墻體的受剪力承載力;③可以避免使用較大截面梁、柱的框架來承擔(dān)較大的豎向荷載。（2）平面形狀變化處或樓蓋水平剛度劇變處。這樣可以消除地震時在該部位樓板中引起的應(yīng)力集中效應(yīng)。（3）樓梯間、電梯間以及樓板較大洞口的兩側(cè)。根據(jù)本工程特點(diǎn)，剪力墻的平面位置布置在豎向荷載較大處。

3.剪力墻最大間距。在框—剪體系中，剪力墻是主要抗震構(gòu)件，承擔(dān)著80%以上的地震力;框架是次要抗震構(gòu)件，僅承擔(dān)加%以下的地震力。要保持框一剪體系這一結(jié)構(gòu)特性，以剪力墻為側(cè)向支撐的各層樓蓋，在地震力作用下的水平變形就需控制在很小數(shù)值范圍以內(nèi)，使框架的側(cè)向變形與剪力墻大致相同。否則，就需要通過空間分析來考慮樓蓋水平變形所引起的框架剪力增值。在實(shí)際工程中，剪力墻間距一般在2.5B及30m以內(nèi)。有30m長的一段無剪力墻的自由布置空間，完全可以滿足建筑功能的要求。��

參考文獻(xiàn)：��

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