浅析建筑结构设计中的概念设计与技术措施

刘慧芝 李福来

摘要：在概念设计日益重要的今天，要求结构工程师应有深厚的基本理论基础，并能不断吸取先进设计思想。对自己的设计，应经常进行反思，要都精益求精。

关键词：结构设计概念设计措施

0引言

在建筑设计中，概念设计至关重要。它反映了结构工程师的水平，下面就这个问题谈谈本人的看法。

1概念设计的重要性

概念设计是设计的关键，结构师任务是在特定的建筑空间中用整体概念来完成结构方案设计，并有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。概念设计做得好的结构师，其结构概念将随他实践的增长而越来越丰富，设计成果也越来越创新、完善。但是，随着社会发展大部分结构工程师只依赖规范、设计手册、计算机做设计，缺乏创新，甚至拒绝对新技术采纳。

概念设计重要，主要因为结构设计理论与计算理论存在许多缺陷，比如对混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件设计，都需要概念设计与结构措施来满足结构设计。同时计算机结果的高精度，往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解，结构工程师只有加强结构概念，才能比较客观、真实地理解结构性能。

概念设计重要，还在于方案设计阶段，初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构师综合运用其掌握概念，选择效果最好、造价最低的方案，为此，需要工程师不断地丰富自己的结构概念，了解各类结构的性能，并能有意识地运用它们。

2协同工作与结构体系

协同工作的概念广泛存在于设计中，我们均不希望其在未达设计寿命时，某些部件出现破坏。对于建筑结构，协同工作的概念是要求结构内部各构件相互配合，共同工作。这不仅要求结构构件在承载能力极限状态能共同受力，协同工作，同时达到极限状态，还要有相同的耐久性。结构协同工作表现在基础与上部结构的关系上，必须视基础与上部结构为～个有机整体，不能把两者分开处理。如砖混结构，必须依靠圈梁和构造柱将上部结构与基础连成整体，而不能单纯依靠基础刚度来抵御不均匀沉降，所有圈梁和构造柱设置，必须围绕这个中心。

协同工作还在于当结构受力时，结构中各构件能同时达到较高的应力水平。在多高层结构设计时，应尽量避免短柱，其目的是使同层各柱在相同水平位移时，能同时达到最大承载能力，但随着建筑物高度不断增大，巨大的竖向和水平荷载使底层柱截面越来越大，从而造成高层建筑底部数层出现大量短柱，为了避免这种现象，对大截面柱，可以通过对柱截面开竖槽，使矩形柱成为田形柱，来增大长细比，避免短柱出现，这样就使同层抗侧力结构在相近的水平位移下，达到最大水平承载力：而对于梁的跨高比，长、短梁在同一榀框架中并存，也是不利的，短跨梁在水平力作用下，剪力很大，梁端正、负弯矩也很大，萁配筋由水平力决定，竖向荷载基本不起作用，甚至梁端正弯矩钢筋会出现超筋现象，同时梁剪力增大，使柱的轴力增大，这是不符合协同工作原。多高层结构设计目的是抵抗水平力作用，防止扭转，为有效的抵抗水平力作用，平面上两个正交方向的尺寸宜尽量接近，保证这两个方向上惯性矩相等，防止一个方向强度太大，另一方向较弱，因此，抗侧力结构(柱、剪力墙)宜设置在四周，以增大整体抗侧刚度及抗扭惯性矩，并加大梁或楼层的刚度，使柱或剪力墙能承担较大整体弯矩。防止扭转是因在扭转发生时，各柱节点水平位移不等，距扭转中心较远的角柱剪力很大，中柱剪力较小，破坏由外向里。为防止扭转，抗侧力结构应对称布置，宜设在结构两端，紧靠四周设置，以增大抗扭惯性矩。因此，高层建筑中，尽管角柱轴压比较小，但其在抗扭过程中作用很大；在水平力作用下，角柱轴力变化幅度很大，这样势必要求角柱有较大变形能力。由于角柱上述作用，角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑，如加大配箍，采用密排箍筋柱等。

在高层建筑结构设计中，柱轴压比的限值结构师面临的实际问题，随着建筑高度增加，结构下部柱截面增大，而柱纵向钢筋却为构造配筋，即使用高强混凝土柱截面也不会明显降低。实际上，柱的轴压比大小，反映柱的塑性变形能力，而柱变形能力影响结构的延性。混凝土基本理论指出：混凝土构件的弯曲变形能力主要取决于截面相对受压区高度和受压区边缘混凝土的极限变形能力。相对受压区高度取决于轴压比、配筋等，混凝土极限变形能力取决于箍筋的约束程度。为了增大柱在地震作用下的变形能力，控制柱的轴压比和改善配箍有同样的意义。

3协同工作与材料利用率

协同工作设计，还在于对材料的充分利用。一般来讲，材料利用率越高，该结构的协同工作程度也越高，结构设计应是花最少的钱，做最好的建筑，这要求设计时材料要充分利用。矩形截面梁是最普通的受弯构件，其材料利用率很低，一是靠近中和轴材料应力水平低，另二是梁的弯矩沿梁长是变化的，这对等截面梁来说，大部分区段，即使是拉、压边缘，其应力水平均较低。针对梁的受力特点，结构概念分析，是因梁截面存在应变梯度，只有构件是轴心受力时，材料利用率才可能增大，于是就出现了平面桁架，桁架上弦相应于梁的受压边，下弦相应于受拉钢筋。规则桁架中腹杆受力(拉、压)与梁中主拉、压应力方向～致，根据上述分析，还可以将桁架设计为与弯矩图相似的形状，从而使桁架的弦杆受力均匀。

单纯增大截面是下策，特别是上弦杆，应努力增加其平面外的刚度，提供平面外约束，如果平面外支撑再连接成桁架，就使平面桁架变为平面交叉桁架，最后成为空间网架。空间网架材料利用率高，应力水平高，故在大跨度、大空间结构中广泛使用，但网架结构中仍然存在压杆，压杆应力水平不可能太高，这样高强材料就不能使用。因此，努力减少结构中的压杆，我们找到悬索结构，悬索结构中所有“杆件”均为拉杆，这样使悬索结构中杆件的应力水平极高，材料利用率极大，高强材料得以充分利用。因而在超大跨度结构中，悬索结构是首选结构类型。

目前广泛使用的钢一混凝土结构，是将钢结构与混凝土结构相互取长补短形成的一种新型结构形成。尤其是钢管混凝土，更将这两种材料有机地结合起来，实现了结构材料的又一次革命。钢管混凝土的原理有二：①借助钢管对核心混凝土的约束，使核心混凝土有更高强度和变形能力；②核心混凝土又对钢管壁的稳定提供了有效可靠支撑。钢管混凝土的极限承载力远大于钢管和核心混凝土两者的承载力之和，这是钢材与混凝土的又一次理想结合。它的出现，使传统意义上的受压破坏特征由脆性变为延性，对结构抗震的延性设计意义巨大。

在结构设计中，只有当构件越多处于轴心受力状态，其材料利用率才高，经济性越好。对框架结构，竖向荷载作用下，框架柱宜处于小偏心受压，若大量柱处于大偏心受压，则该结构方案的经济性一般不好，故对非地震区的框架结构，其框架柱应优先设计为小偏心受压：在地震作用下，大部分柱可能处于大偏心受压状态，截面设计时，大量柱配筋仅仅是为万一发生地震，这些钢材在不发生地震时，将不起作用。为避免这样，应设法加强结构整体性；另对柱设计，可将整个楼层面柱设计为多肢柱，使多肢柱的杆件都能处于轴心受力状态。

在概念设计日益重要的今天，要求结构工程师应有深厚的基本理论基础，并能不断吸取先进设计思想。对自己的设计，应经常进行反思，要都精益求精。