论文部分内容阅读
摘要：随着社会经济、科学技术的飞速发展和人们生活质量的不断提高，对建筑结构设计也提出了更高、更新的要求。本文简单阐述了建筑结构设计的含义和一般原则，并结合作者多年的工作经验，提出了利用概念设计这一科学方法提高设计水平的途径，从而保障工程质量、保护人民生命安全。
关键词：建筑结构， 概念设计， 原则
中图分类号：TU3文献标识码： A
1 前言
从设计理念来讲，概念设计是指设计人员在工程设计过程中，不是依赖于计算机技术，而是从实际出发，由自身经验积累形成对结构的合理形式、结构变形以及内力等设计关键要素具有总体的概念和进行定性分析的能力。在结构设计中，概念设计的宗旨是在特定的建筑空间及环境条件下，用整体概念来考虑结构的总体方案，并能有意识地发挥和利用结构总体系和各基本分体系之间的力学特性与关系。
英国著名的钢筋混凝土教授雷诺说过：“准确的判断对结构的安全、经济效益和精确计算起到同样的重要作用”。自觉掌握和运用概念设计的方法．是提高设计水平的一个有效途径。
2 建筑结构概念设计的原则
2.1 结构的简单性、规则性和均匀性
应将复杂的变成简单。将结构的受力与传力途径设计成越简单、直接和明确就越好。尽可能避免出现以抗扭为主导的关键性传力构件。传力途径越复杂就越易形成内力与变形的不协调和难以预料的薄弱环节；建筑平面规则，平面内结构布置宜规则、对称、均匀、减少偏心，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。
2.2 合理选择结构方案
一个成功的设计必须选择一个切实可行的结构形势和结构体系．这样才能充分做到经济合理。结构体系应受力明确、传力简捷，同一结构单元不宜混用不同的结构体系，力求平面和竖向规则。总之，必须对工程的设计要求、地理环境、材料供应及施工条件等情况做综合分析，并与其他专业相互协调后进行结构选型．确定结构方案。
2.3 选用恰当的计算简图
结构计算是在计算简图的基础上进行分析的。选择恰当的计算简图是确保结构安全的重要条件，—个选用不当的计算简图将会导致结构事故的发生。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的刚接或铰接点，但与设计简图的误差应在允许的范围之内。
2.4 正确分析计算结果
目前市场上建筑结构设计软件种类繁多。而不同的设计软件所计算出的结构也不尽相同．这就要求設计师对程序的设计原理及技术条件有广泛的了解，对计算结果认真分析，慎重校核．做出合理判断。
2.5 结构构件设计
各种结构构件都应进行必要的抗弯、抗剪、抗扭等计算，并采取相应的构造措施。实际工程中温差、混凝土收缩、徐变，支座沉陷或结构次应力的影响在结构计算中往往未加考虑，但由于塑性铰的出现．结构自身进行了调幅，使结构得以正常使用。
2.6 选择合适的基础方案
选择合适的基础方案是确保结构安全和降低工程造价的重要因素。基础设计应有详细的地质资料，应尽量避免在无地质资料的情况下进行设计。基础设计应根据工程地质和水文地质条件、建筑体型、有无地下室、上部结构类型和荷载大小等因素做综合分析，选择经济合理的基础方案．最大限度的发挥地基的潜力。一般情况下，在同一结构单元不宜采用两种不同类型的基础。
3 抗震概念设计的基本原则
我国是一个多地震同家。据统计，我同大陆地震约占与世界大陆地震的三分之一。在抗震地区工程设计中设计者还应遵循抗震设计基本原则，根据安全经济的原则进行抗震设防，做到小震不坏，中震可修，大震不倒。抗震概念设计基本原则是：
2.1 建筑体型应力求规则
建筑体型应力求简单、规则、对称，质量和刚度变化均匀，以减少地震作用产生的变形、应力集中及扭转反应，但在实际工程中往往不能完全达到要求。这就要求结构工程师在进行抗震计算中．运用概念设计的方法，估计应力集中的部分，分析扭转影响，采取构造措施．提高抗震能力。
2.2 应具有合理传力途径
为避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力和对重力荷载的承载能力，要求建筑结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作的传递途径，应具备必要的强度、刚度和稳定性。避免因局部削弱突变形成薄弱部位，而产生过大的应力集中或塑性变形集中。此外结构构件应具有必要的强度和变形能力；结构构件连接应可靠；并考虑非结构构件对主体的影响；且对基础进行合理的设计。
3 运用概念设计方法提高设计水平
3.1 结构选型与结构布置
单从抗震角度考虑，好的结构形式应具备下列性能：延性系数高，强度僵力比值大，匀质性好，正交各向同性，构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，能发挥材料的全部强度。确定结构抗震体系时，应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；应具有多道抗震防线，避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力；应具备必要的强度、良好的变形能力和耗能能力；应具有合理的刚度和强度分布，避免因突变形成薄弱部位，对可能出现的薄弱部位采取加强措施。对一般建筑尽町能做框剪结构，避免做纯框架结构，以节约建筑材料。有足够剪力墙或有核心筒的建筑对维持整体稳定有利，并在很大程度上减弱框架的受力。对异形建筑的局部薄弱环节和容易产生工程塑性铰的部位，用局部加强的办法解决。
选择结构体系，要考虑建筑物刚度与场地条件的关系。当建筑物自振周期与地基土的卓越周期一致时，容易产生类共振而加重建筑物的震害。建筑物的自振周期与结构本身刚度有关，在设计房屋之前，应先了解场地和地基土及其卓越周期，调整结构刚度，避开共振周期。还要选择合理的基础形式，基础应有足够的埋深，对于层数较多的房屋宜设置地下室，对于软弱地基宜选用桩基础、筏板基础或箱形基础。
3.1 底层框架砖房设计
地震区的底层框架砖房设计时应注意到上下是两类性质不同的结构．极限变形能力相差悬殊。一般小震情况下是上部多层砖房起控制作用，当砖墙、框架都处在弹性阶段时，验算的重点是砖墙；当砖墙出现裂缝，它的刚度退化而底层框架结构仍处在弹性阶段时，重点验算是框架。还要注意底框房屋其侧向变形协调是靠楼板有足够的水平刚度来实现的。因此底层的顶板不仅需要现浇或装配整体式来达到其应有水平刚度，而且需要一定厚度，尤其当底层柱网较大、房屋的长宽比大时更应注意。
3.2 砌体结构房屋圈粱设置
砌体结构房屋圈梁设置应根据地震烈度、地质情况、结构对沉降的敏感程度及可能发生的变形、温度应力的影响等因素确定。如建筑可能发生正向挠曲，则应加强房屋下部圈梁，反之则应加强房屋上部圈梁，基础较差时，宜在基础顶面、一层、顶层处设置钢筋混凝土圈粱。当圈梁较长时宜设后浇带．并宜在顶层两端第一开问的纵墙顶部l—1．5米高度范围内．在灰缝中配置纵向钢筋，以防止温度应力引起墙体产生裂缝。
3.3 关于墙体局部出现裂缝的问题
在工程实践中．常见在砌体结构出现局部裂缝，虽不影响结构的整体强度．但在外观上影响美观。又给使用者带来某种不安全感。对此类问题可以通过概念设计来解决。对由于地基不均匀沉降引起的墙体裂缝可通过地基基础处理、加强上部结构的整体刚度等措施来解决；对温度应力引起的墙体裂缝，如现浇钢筋混凝土屋面或过长的顶层圈梁．由于钢筋混凝土的热涨系数约是砖墙的两倍，屋面在热膨胀变形过程巾产生较大水平推力，使墙体产生较大剪应力而导致产生斜裂缝。可考虑采用后浇带、在墙体内加筋、加强屋面隔热措施、注意施工季节等措施；对构件设计不当，如弧形粱对其扭转变形估计不足引起墙体开裂问题，应
在设计构件时予以注意。
4 结语
概念设计是综合性强、应用灵活广泛的工作，这要求结构工程师综合运用结构概念，选择最好的结构方案，不断地丰富结构概念，深入了解各类结构的性能，并能有意识地、灵活地运用它们。
关键词：建筑结构， 概念设计， 原则
中图分类号：TU3文献标识码： A
1 前言
从设计理念来讲，概念设计是指设计人员在工程设计过程中，不是依赖于计算机技术，而是从实际出发，由自身经验积累形成对结构的合理形式、结构变形以及内力等设计关键要素具有总体的概念和进行定性分析的能力。在结构设计中，概念设计的宗旨是在特定的建筑空间及环境条件下，用整体概念来考虑结构的总体方案，并能有意识地发挥和利用结构总体系和各基本分体系之间的力学特性与关系。
英国著名的钢筋混凝土教授雷诺说过：“准确的判断对结构的安全、经济效益和精确计算起到同样的重要作用”。自觉掌握和运用概念设计的方法．是提高设计水平的一个有效途径。
2 建筑结构概念设计的原则
2.1 结构的简单性、规则性和均匀性
应将复杂的变成简单。将结构的受力与传力途径设计成越简单、直接和明确就越好。尽可能避免出现以抗扭为主导的关键性传力构件。传力途径越复杂就越易形成内力与变形的不协调和难以预料的薄弱环节；建筑平面规则，平面内结构布置宜规则、对称、均匀、减少偏心，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递，并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。
2.2 合理选择结构方案
一个成功的设计必须选择一个切实可行的结构形势和结构体系．这样才能充分做到经济合理。结构体系应受力明确、传力简捷，同一结构单元不宜混用不同的结构体系，力求平面和竖向规则。总之，必须对工程的设计要求、地理环境、材料供应及施工条件等情况做综合分析，并与其他专业相互协调后进行结构选型．确定结构方案。
2.3 选用恰当的计算简图
结构计算是在计算简图的基础上进行分析的。选择恰当的计算简图是确保结构安全的重要条件，—个选用不当的计算简图将会导致结构事故的发生。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的刚接或铰接点，但与设计简图的误差应在允许的范围之内。
2.4 正确分析计算结果
目前市场上建筑结构设计软件种类繁多。而不同的设计软件所计算出的结构也不尽相同．这就要求設计师对程序的设计原理及技术条件有广泛的了解，对计算结果认真分析，慎重校核．做出合理判断。
2.5 结构构件设计
各种结构构件都应进行必要的抗弯、抗剪、抗扭等计算，并采取相应的构造措施。实际工程中温差、混凝土收缩、徐变，支座沉陷或结构次应力的影响在结构计算中往往未加考虑，但由于塑性铰的出现．结构自身进行了调幅，使结构得以正常使用。
2.6 选择合适的基础方案
选择合适的基础方案是确保结构安全和降低工程造价的重要因素。基础设计应有详细的地质资料，应尽量避免在无地质资料的情况下进行设计。基础设计应根据工程地质和水文地质条件、建筑体型、有无地下室、上部结构类型和荷载大小等因素做综合分析，选择经济合理的基础方案．最大限度的发挥地基的潜力。一般情况下，在同一结构单元不宜采用两种不同类型的基础。
3 抗震概念设计的基本原则
我国是一个多地震同家。据统计，我同大陆地震约占与世界大陆地震的三分之一。在抗震地区工程设计中设计者还应遵循抗震设计基本原则，根据安全经济的原则进行抗震设防，做到小震不坏，中震可修，大震不倒。抗震概念设计基本原则是：
2.1 建筑体型应力求规则
建筑体型应力求简单、规则、对称，质量和刚度变化均匀，以减少地震作用产生的变形、应力集中及扭转反应，但在实际工程中往往不能完全达到要求。这就要求结构工程师在进行抗震计算中．运用概念设计的方法，估计应力集中的部分，分析扭转影响，采取构造措施．提高抗震能力。
2.2 应具有合理传力途径
为避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力和对重力荷载的承载能力，要求建筑结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作的传递途径，应具备必要的强度、刚度和稳定性。避免因局部削弱突变形成薄弱部位，而产生过大的应力集中或塑性变形集中。此外结构构件应具有必要的强度和变形能力；结构构件连接应可靠；并考虑非结构构件对主体的影响；且对基础进行合理的设计。
3 运用概念设计方法提高设计水平
3.1 结构选型与结构布置
单从抗震角度考虑，好的结构形式应具备下列性能：延性系数高，强度僵力比值大，匀质性好，正交各向同性，构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，能发挥材料的全部强度。确定结构抗震体系时，应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；应具有多道抗震防线，避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力；应具备必要的强度、良好的变形能力和耗能能力；应具有合理的刚度和强度分布，避免因突变形成薄弱部位，对可能出现的薄弱部位采取加强措施。对一般建筑尽町能做框剪结构，避免做纯框架结构，以节约建筑材料。有足够剪力墙或有核心筒的建筑对维持整体稳定有利，并在很大程度上减弱框架的受力。对异形建筑的局部薄弱环节和容易产生工程塑性铰的部位，用局部加强的办法解决。
选择结构体系，要考虑建筑物刚度与场地条件的关系。当建筑物自振周期与地基土的卓越周期一致时，容易产生类共振而加重建筑物的震害。建筑物的自振周期与结构本身刚度有关，在设计房屋之前，应先了解场地和地基土及其卓越周期，调整结构刚度，避开共振周期。还要选择合理的基础形式，基础应有足够的埋深，对于层数较多的房屋宜设置地下室，对于软弱地基宜选用桩基础、筏板基础或箱形基础。
3.1 底层框架砖房设计
地震区的底层框架砖房设计时应注意到上下是两类性质不同的结构．极限变形能力相差悬殊。一般小震情况下是上部多层砖房起控制作用，当砖墙、框架都处在弹性阶段时，验算的重点是砖墙；当砖墙出现裂缝，它的刚度退化而底层框架结构仍处在弹性阶段时，重点验算是框架。还要注意底框房屋其侧向变形协调是靠楼板有足够的水平刚度来实现的。因此底层的顶板不仅需要现浇或装配整体式来达到其应有水平刚度，而且需要一定厚度，尤其当底层柱网较大、房屋的长宽比大时更应注意。
3.2 砌体结构房屋圈粱设置
砌体结构房屋圈梁设置应根据地震烈度、地质情况、结构对沉降的敏感程度及可能发生的变形、温度应力的影响等因素确定。如建筑可能发生正向挠曲，则应加强房屋下部圈梁，反之则应加强房屋上部圈梁，基础较差时，宜在基础顶面、一层、顶层处设置钢筋混凝土圈粱。当圈梁较长时宜设后浇带．并宜在顶层两端第一开问的纵墙顶部l—1．5米高度范围内．在灰缝中配置纵向钢筋，以防止温度应力引起墙体产生裂缝。
3.3 关于墙体局部出现裂缝的问题
在工程实践中．常见在砌体结构出现局部裂缝，虽不影响结构的整体强度．但在外观上影响美观。又给使用者带来某种不安全感。对此类问题可以通过概念设计来解决。对由于地基不均匀沉降引起的墙体裂缝可通过地基基础处理、加强上部结构的整体刚度等措施来解决；对温度应力引起的墙体裂缝，如现浇钢筋混凝土屋面或过长的顶层圈梁．由于钢筋混凝土的热涨系数约是砖墙的两倍，屋面在热膨胀变形过程巾产生较大水平推力，使墙体产生较大剪应力而导致产生斜裂缝。可考虑采用后浇带、在墙体内加筋、加强屋面隔热措施、注意施工季节等措施；对构件设计不当，如弧形粱对其扭转变形估计不足引起墙体开裂问题，应
在设计构件时予以注意。
4 结语
概念设计是综合性强、应用灵活广泛的工作，这要求结构工程师综合运用结构概念，选择最好的结构方案，不断地丰富结构概念，深入了解各类结构的性能，并能有意识地、灵活地运用它们。