浅谈结构概念设计的内容

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  摘 要:结构概念设计是工程设计的核心,是用系统的观点对宏观整体的布置进行综合考虑,从安全性的角度讲概念设计比计算机精确计算拥有更重要的作用,因此,在项目前期设计阶段设计师选用优秀的概念处理结构选型、布置、刚度分布等以达到效果最优、成本最低的结构方案。因此,该文在介绍概念设计及常用结构比值的内容及意义,详细论述整体协同工作体系所包含内容及周期比、位移比、层刚度比、刚重比、剪重比、轴压比等指标的含义、应用,为结构设计师进行结构设计提供参考。
  关键词:概念设计 核心 整体协同 控制指标
  中圖分类号:TU31 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2015)08(b)-0223-02
  1 概念设计的必要性
  结构概念设计是用系统的观点对宏观整体的布置进行综合考虑,着眼整体布局,正确处理结构总体方案、材料合理使用以及细部节点构造,以达到结构设计优化的目的[1]。对于一名合格的结构工程师来说,从安全性的角度讲概念设计比计算机精确计算拥有更重要的作用;概念分析和判断对提高结构计算的可靠性,改进设计质量有十分重要的作用[2]。
  概念设计是工程设计的核心。一个设计项目的成败绝大程度取决于概念设计的质量,是对整个阶段中最重要也最困难的内容,其体现了设计人员对总体目标的洞察、驾驭,对整体项目的目标、约束条件及各种技术方法和方案的准确把握,以及综合性、创造性思维的发挥水平及风格。在概念设计过程中,设计者需对存在的问题提出具体可行的思路,将工程科学理论及技术、实际工程积累的经验融会贯通于每一环节,将概念设计与计算设计辩证统一的联系起来,并运用二者的相互作用作出对于项目的关键性的选择。
  再者,概念设计重要性凸显在前期设计阶段,由于不能单纯依靠计算软件处理,需要设计师选用优秀的概念处理结构选型、布置、刚度分布等以达到效果最优、成本最低的结构方案,因此综合设计阶段全过程中都要不断深入、从整体宏观的角度中把握,突出解决主体的主要矛盾,深刻了解各个结构的抗震以及使用性能,在发挥主观能动性的基础上灵活运用解决实际问题,才能得到设计以及项目施工的成功[3]。
  2 结构整体协同工作体系
  结构协同工作是要求内部单元相互联系,共同参与工作,不仅要求构件在承载力达到极限状态时共同受力,受到地震或者偶发荷载情况下同时达到极限状态,并且拥有近乎相同的使用寿命。协同工作不仅表现内部的细化构件,还表现在基础与上部共同工作,处于统一的有机整体,不仅在分析设计阶段也在实际工作中都不能将二者分开处理。
  2.1 建筑结构的规则性
  在结构设计中为了较好的使构件协同性能良好,一般均宜均匀的布置受力构件,使整体具有规则性,更有利于每一构件相互传力直接,在我国规范也明确的做了详细的规定例如:《抗规》[4]3.4.1条规定:建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性;3.4.2条:建筑设计应重视其平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能及经济合理性的影响,宜择优选用规则的形体。同样在高规中也有同样的规整性要求,其目的主要是保证结构的对称及刚度的均匀分布,构件传力简单有效,便于整体性的把握及对重要构件的加强。
  2.2 合理的结构体系
  结构设计中结构体系的选取是至关重要的,对于项目的安全性、适用性及经济性有决定性的影响,因此要加以重视对待:
  结合抗震规范中的要求有以下几点。
  (1)应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。
  水平体系的梁板构件中,应尽量避免多次相互搭接,做到传力明显,主次突出,以最短的传力途径达到竖向墙、柱等构件;对于竖向体系的受压力要上下均匀,不能有刚性突变或上下差别过大,避免侧向刚度和承载力突变,从而导致变形不协调影响整体受力;其次要避免竖直方向的局部转换,保持竖向荷载可以有效传递于基础下部。
  (2)应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。
  结构设计中重要的一原则就是留有足够的安全储备,如遇罕见地震不至于主要受力构件破坏而导致整体倒塌,这就要求对于墙柱等竖向构件的设计有意识的适当加强,有效抵抗地震带来的冲击不至破坏,一部分构件即便因损坏退出工作也不影响结构的传力,可以有必备的承载力。
  (3)应具备必要的抗震承载力,良好的变形能力和消耗地震能量的能力。
  竖向、水平体系中能有良好的变形协调能力和足够的延性,可以在出现塑性铰后内力重分布均匀且不大于地震作用产生变形的总值。对于高层整体结构中,要首先发挥连梁和填充墙的耗能作用,保证其塑性铰出现在梁端处,并在墙柱竖向构件发挥作用前可以有效工作。
  2.3 剪力墙的布置规则
  剪力墙的布置要依据概念设计以及计算结果,在综合考虑整体性使其有足够的安全性以及经济合理性,尽量较少剪力墙的布置数量、长度,墙体边缘构件含钢量较小的布置方案,尽可能对称分布以减小扭转效应。现在总结大量经验的基础上举例说明剪力墙布置的几项主要要点。
  (1)墙肢长度有效把握,布置宜双向均匀对称。
  在建筑方案限制的条件下,全面考虑平面布局判断剪力墙受力较有利位置,一般控制间距在6~8 m左右,使建筑布置更具有方便性、随意性;由高规[5]7.1.2规定墙长不宜大于8 m,墙过长时可以采取用连梁将其均匀分段,形成多道抗震防线,并且不宜采用过多数量的短肢剪力墙。剪力墙在结构中受弯曲破坏,设计是要保证有足够的安全储备和良好的延性耗能能力,一般设计由墙肢轴压比、剪跨比来加以控制,以满足规范要求的限额。剪力墙在结构平面的布置应相互对称,双向均匀分布,墙长差别不宜过大,在发挥作用可以有效抵抗地震以及水平风荷载,共同达到极限承载力。
  (2)加强建筑四周角部,相对减小中间。   布置在建筑物四周角部的墙肢可以有效降低结构扭转效应,对结构安全性最有利,在建筑中间布置的墙体发挥的作用远小于其外围或角部。这样可以使结构的刚心与质心最大限度的相近,有利于减弱结构的扭转效应,提高整体效应。
  (3)多布置双向墙肢,少采用异性墙。
  剪力墙的截面形式种类较多,但是综合受力性能较好的多为L、T或者Z型,尽量少选取一字型和异性复杂的墙肢,这主要因为当出现较多连续转折或墙垛时,墙体的边缘构件、暗柱的受力集中造成配筋加大,很难控制其合理受力性能,为了提高结构的安全保障,规范对剪力墙转折及端头处的边缘构件做了严格的要求。XY双向墙肢连为完整的抗侧力体系可以加强整体的抗侧刚度,刚度要比较均匀,变形特性不宜太大,较好的满足规范对层间变形的限制,有较好抗震、抗风性能。
  (4)沿建筑高度方向的墙体厚度变化均匀。
  抗侧力构件的侧向刚度沿竖向一般要变化均匀,竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小[5]。对于高层建筑的底部加强区的墙厚要控制在一定合理范围,加强区的配筋及混凝土等级要在合理的区间内,不宜过大、过小。对于上部结构的墙肢由轴压比等控制墙厚,一般以200 mm较为普遍,上下部的墙体厚度变化要均匀过度,差值不宜大于50 mm,使之刚度分布均匀。轴压比以接近规范限值为宜,使墙体布置接近合理,有效利用墙体的承载力,发挥墙体材料的效率。
  3 结构性能控制指标
  我国规范对于高层建筑的整体性能指标的控制均作出了多项规定,但主要的有:周期比、位移比、层刚度比、刚重比、剪重比、轴压比等,以下简单介绍。
  3.1 周期比
  周期比是有效限制结构在地震影响下的扭转作用,实际反映整体结构的扭转刚度与侧向刚度的比例关系,也是反映抗侧力构件的合理、作用明显的指标,使结构布置合理、刚度均匀,减小出现明显的扭转破坏。高规[5]3.4.5对A级高度的建设项目作出控制周期比为0.9,其计算方法是以扭转为主的第一自振周期Tt同平动为主的第一周期T1的比值,因此也被称为扭平比;前两个周期宜为平动,第三周期宜为扭转,其目的也是为了较好控制扭转效应。当计算比值超限,说明扭转刚度较小,不满足提供足够的扭转能力,最有效的解决方式是在建筑四周加强剪力墙,提高建筑外围刚度,削弱中部竖向构件数量,增加平动周期,从而减小扭转周期比值。在地震的作用下与建筑的自振周期的动力特征关系紧密,与建筑的质量及刚度有关,结构的基本周期的计算方法一般用力学模型,对较为规则的建筑来说其周期可近似以下公式:
  框架-剪力墙结构
  T=(0.06—0.08)×N (1)
  剪力墙结构
  T=(0.05—0.06)×N (2)
  其中:N为建筑物总楼层数
  3.2 位移比
  位移比指标主要是反映结构的平面布局的规则性,使结构的抗侧力体系布置更明显有效,作用类似于周期比。在高规[5]3.4.5中规定考虑偶然偏心的水平地震作用下,竖向构件的最大水平位移及层间位移,A级高度同本楼层位移的平均值比值不宜大于1.2,不应大于1.5;在计算位移比时要考虑到刚性楼板假定,保证楼板面内的整体刚度,高规5.1.5节中有相应的要求。计算完成后满足规范限值的情况下,要将其楼板假定为普通楼板以准确计算配筋值。当位移比超过规范限值时,一般可以加强其楼层竖向构件的侧向刚度来解决。
  3.3 层刚度比
  侧向层刚度比主要作用是保证其可以沿高度的增加平稳变化,判断结构的竖向规则性,控制整体不出现薄弱层。在高规[5]3.5.2中规定了框剪、剪力墙结构中相邻高度的侧向刚度比值的计算为式(3),同上层的比值宜大于0.9;当层高较相邻层高度的1.5倍的情况下,其大小宜大于1.1。
  (3)
  其中:γ2为考虑层高修正的楼层侧向刚度比。
  3.4 刚重比
  其含义是建筑的楼层侧向的刚度同该层重力荷载的比值,主要为了满足整体稳定性的验算,同时也是重力P-Δ效应的影响参数,其计算公式見(4)。
  刚重比 (4)
  为第i层的弹性侧向刚度,可取层剪力与层间位移的比值;
  为第i楼层的层高;
  为第i楼层重力荷载设计值。
  计算该数值的作用最明显的是看高层侧向的刚度与重力垂直刚度的比例关系,当其计算比值过大,说明侧向刚度过大,可能竖向构件布置过多,会出现浪费经济性差的现象;相反,当其比值过小,说明结构过柔,从而在水平风、地震荷载的作用下,重力荷载会产生较大的二阶效应,较容易发生整体建筑的失稳或者倒塌破坏,因此要引以为戒。刚重比的限值在高规[5]5.4.1及5.4.4中均做了规定,当满足2.7的上限值时,可以不考虑P-Δ效应,否则应考虑其作用,并且加强侧向墙、柱构件,改变结构布置的方式提高整体性来解决。
  3.5 剪重比
  其含义是任一楼层水平地震剪力同该楼层及以上各层重力荷载代表值的比值,一般指底层水平剪力与结构总重力荷载代表值之比。实际反应抵抗地震的性能,和有效质量系数有关(规范要求满足≥90%),规定每一楼层所能承受的最小水平剪力用以提高结构的安全性。当剪重比过小时,说明结构整体性差,刚度偏柔,存在薄弱部位,需要加强竖向剪力墙、柱等结构布置的刚度或调整地震总剪力;当其比值过大时,说明有明显的浪费经济性较差,一般采取减小周期折减系数或提高全楼地震放大系数,加强地震水平作用。
  3.6 轴压比
  轴压比限值是在竖向轴力的设计值与其截面面积同混凝土轴心抗压强度乘积的比值,为了控制偏小受拉构件预先达到受拉强度,使墙柱竖向构件有较好的延性和较多的安全储备,保证墙体的变形协调、承受荷载的能力。抗震设计的目的是使剪力墙最终以弯曲变形的大偏心受压为破坏形式,使墙体有高性能的刚度及延性。设计中箍筋可以有效的联系纵向受力筋形成整体,提高整体抗压能力,并对混凝土轴心受压变形有较好的限制。当轴压比大于规范的数值时,可以加大墙肢、柱的截面或加强混凝土等级的方式解决,以下给出轴压比的计算公式:
  竖向构件的轴压比公式:
  (5)
  其中:N为竖向荷载产生的轴压力;
  fc为混凝土轴心抗压强度设计值;
  A为墙、柱截面面积。
  4 结语
  结构设计首要任务是实现建筑安全性的需求,保证其足够的刚度,满足规范及建筑各项要求。结构安全是生命攸关的大事,我国规范有明确的各项指标限制,结构设计应避免薄弱环节,确保理论计算与实际情况相吻合,并能使内部各构件具有同样的可靠度。因此应在充分运用结构概念设计的基础上,既保证结构达到安全设防水准,同时还能最大程度地满足建筑布局的要求,又节省工程造价,这才是在实际应用中的重要所在。
  参考文献
  [1]李国胜.多高层钢筋混凝土结构优化设计与合理构造[M].中国建筑工业出版社,2012.
  [2]蒋启平.工程结构优化设计的新方法[J].工业建筑,2001,31(3):23-25.
  [3]周献祥.结构设计笔记[M].北京:知识产权出版社,2013.
  [4]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范[S].中国建筑工业出版社,2010.
  [5]中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程[S].中国建筑工业出版社,2010.
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