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概念设计在结构设计中的应用
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内容提示： 概念设计就是从结构总体方案设计一开始，就运用人们对建筑结构抗震己有的正确知识去处理好结构设计中将遇到的问题，诸如房屋体形、结构体系、刚度分布、构件延性等等。本论文结合工作实践，针对框—剪结构这一应用极为广泛的结构形式，对概念设计在框—剪结构设计中的应用进行了探讨。
[摘要] 概念设计就是从结构总体方案设计一开始，就运用人们对建筑结构抗震己有的正确知识去处理好结构设计中将遇到的问题，诸如:房屋体形、结构体系、刚度分布、构件延性等等。本论文结合工作实践，针对框—剪结构这一应用极为广泛的结构形式，对概念设计在框—剪结构设计中的应用进行了探讨。
[关健词]概念设计 结构设计 框—剪结构
一、概念设计的涵义
概念设计就是从结构总体方案设计一开始，就运用人们对建筑结构抗震已有的正确知识去处理好结构设计中将遇到的问题，诸如:房屋体形、结构体系、刚度分布、构件延性等等。从宏观原则上进行评价、鉴别、选择等处理，再辅以必要的计算和构造措施。从而消除建筑物抗震的薄弱环节，以达到合理抗震设计的目的。也就是说概念设计是工程师运用思维和判断力，根据从大量震害经验得出的结构抗震原则，从宏观上确定结构设计中的基本问题。因此，工程师必须从主体上了解结构抗震特点，振动中结构的受力特征，抓住要点，突出主要矛盾，用正确的概念来指导概念设计，才会获得成功。由于概念设计包括的范围极广，因此不仅仅要分析总体方案确定的原则，还要顾及非材料的正确使用和关键部位的细部构造。但是首先和最重要的还是结构总体概念设计、材料选型和细部构造等问题，这些设计原则和结构概念中，较为重要的是结构总体设计。
二、结构总体设计的注意要点
1.延性耗能
在建筑结构的整体设计上要注意加强薄弱环节，尽量做到等强度。同时，应使建筑结构在一个恰当的部位能消耗大量的能量，在具体设计中即为各式各样的梁，如框架梁、联肢墙的连肢梁等。结构延性一般用延性系数表示，它表示的是结构极限变形(位移、转角、曲率)与屈服变形的比值，也可以分别用位移延性系数，转角延性系数等来表示，该比值越大，结构的延性越好。在设计上为提高钢筋混凝土梁的延性，一般采取以下措施:(1)首先应选取合适的梁截面尺寸，以获得合适的配筋率，避免梁受拉筋过多或出现超筋。因此，对地震区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)配置适量的受压筋。(3)提高梁混凝土强度等级，采用中低级钢筋对延性有利。(4)T形梁比矩形梁延性好。(5)注意加密箍筋。地震区钢筋混凝土梁的位移延性系数一般要求不得低于4。
2.多道防线设计
现在有一种新的抗震概念:当建筑结构受到强烈地震动主脉冲卓越周期的作用时，一方面利用结构中增设的赘余杆件的屈服和变形，来耗散地震输入能量;另一方面利用赘余杆件的破坏和退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另一种稳定体系，实现结构周期的变化，以避开地震动卓越周期长时间持续作用所引起的共振效应。这种通过对结构动力特性的适当控制，来减轻建筑物的破坏程度，是对付高烈度地震的一种经济有效的方法。
3.妥善处理非结构部件
非结构部件一般是指在通常结构分析中不考虑承受重力荷载以及风、地震等侧力荷载的部件，如内隔墙，框架填充墙，建筑处围墙板，楼梯等。实际上，在地震作用下，高层建筑中的这些部件或多或少地参与工作，从而改变了整个结构或局部构件的刚度，承载力和传力路线。造成未曾估计到的局部震害。在钢筋混凝土框架体系的高层建筑中，这些影响最为普遍。(1)砌体填充墙的抗震作用：①使结构刚度增大，自振周期缩短，水平地震力增大30%~50%。②改变了结构的地震剪力分布状况。③砌体填充墙具有较大的抗推刚度，限制了框架的变形，从而减小了整个结构的地震侧移幅值。 (2)柱端震害，在地震中，角柱上端被嵌砌于框架间的砖墙顶断。这是典型的柱端震害。在框架体系设计中必须考虑，并采取恰当的预防措施。(3)形成短柱破坏。采用钢筋混凝土框架的高层建筑，就框架柱的受力状况和破坏形态而言，一般情况下属于长柱。由于窗裙墙对框架柱的刚性约束，减短了柱的有效长度，使它变成了短柱，承担的地震力大增，发生剪切破坏。因此，采用贴砌围护方案或墙、柱柔性连接方案都是防止短柱破坏的有效手段。否则沿柱的全高，柱身箍筋的配置均应符合短柱的规定。这一点，在施工图中，应当说明清楚。 三、案例讨论
郑州市郑东新区景峰国际项目情况：地上34层共120m，地下共3层，其中地下第3层为5级人防。该结构为超高层结构，框架-剪力墙结构体系。其中在地上第三层有局部框值转换。在方案设计阶段，框架的轴线尺寸己经由建筑确定，梁柱截面尺寸根据竖向荷载及粗估的水平地震作用效应确定。最后问题是剪力墙如何布置、数量多少。这是一个关系到结构安全和技术经济合理性，并体现出体系优越性的关键性环节。所以结构工程师在方案设计阶段都积极参与，并根据适宜刚度概念算出剪力墙的面积，结合建筑要求设计出经济合理的方案。
1.剪力墙的布置。一般情况下，剪力墙应在纵横两个方向同时布置，并使两个方向的自振周期比较接近。在非抗震设计的条件下，也允许只设横向剪力墙而不设纵向剪力墙，这时，纵向风力全部由纵向框架承受。剪力墙的一般布置原则是“均匀、分散、对称、周边”。均匀、分散是要求剪力墙的片数多，每片的刚度不要太大，也就是说布置很多片短的剪力墙;并且在楼层平面上均匀布开不要集中在某一局部区域。一方面，剪力墙对称布置可以避免和减少建筑物受到的扭矩。另一方面，剪力墙沿周边布置可以最大幅度地加大抗扭转的内力臂，提高整个结构的抗扭能力。经过讨论，大家一致同意剪力墙沿周边布置。
2.剪力墙的平面位置。一般情况下，剪力墙宜布置在下述的各个部位:（1）竖向荷载较大处。这样可以获得三点好处:①较大重力荷载引起的较大地震作用，可以直接传到剪力墙上;②剪力墙承受很大的弯矩和剪力，有了较大轴向压力来平衡，可以减小墙体的拉应力，并提高墙体的受剪力承载力;③可以避免使用较大截面梁、柱的框架来承担较大的竖向荷载。（2）平面形状变化处或楼盖水平刚度剧变处。这样可以消除地震时在该部位楼板中引起的应力集中效应。（3）楼梯间、电梯间以及楼板较大洞口的两侧。根据本工程特点，剪力墙的平面位置布置在竖向荷载较大处。
3.剪力墙最大间距。在框—剪体系中，剪力墙是主要抗震构件，承担着80%以上的地震力;框架是次要抗震构件，仅承担加%以下的地震力。要保持框一剪体系这一结构特性，以剪力墙为侧向支撑的各层楼盖，在地震力作用下的水平变形就需控制在很小数值范围以内，使框架的侧向变形与剪力墙大致相同。否则，就需要通过空间分析来考虑楼盖水平变形所引起的框架剪力增值。在实际工程中，剪力墙间距一般在2.5B及30m以内。有30m长的一段无剪力墙的自由布置空间，完全可以满足建筑功能的要求。
参考文献：
［1］小谷俊川.日本基于性能结构抗震设计方法的发展.建筑结构，2000，6.
［2］建筑抗震设计规范.(GBJfl一89).
混凝土结构设计规范.(GBJ10一89).
［3］钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程.(JGJ3一91). 来源: 《建筑中文网》.
[关健词]概念设计 结构设计 框—剪结构
一、概念设计的涵义
概念设计就是从结构总体方案设计一开始，就运用人们对建筑结构抗震已有的正确知识去处理好结构设计中将遇到的问题，诸如:房屋体形、结构体系、刚度分布、构件延性等等。从宏观原则上进行评价、鉴别、选择等处理，再辅以必要的计算和构造措施。从而消除建筑物抗震的薄弱环节，以达到合理抗震设计的目的。也就是说概念设计是工程师运用思维和判断力，根据从大量震害经验得出的结构抗震原则，从宏观上确定结构设计中的基本问题。因此，工程师必须从主体上了解结构抗震特点，振动中结构的受力特征，抓住要点，突出主要矛盾，用正确的概念来指导概念设计，才会获得成功。由于概念设计包括的范围极广，因此不仅仅要分析总体方案确定的原则，还要顾及非材料的正确使用和关键部位的细部构造。但是首先和最重要的还是结构总体概念设计、材料选型和细部构造等问题，这些设计原则和结构概念中，较为重要的是结构总体设计。
二、结构总体设计的注意要点
1.延性耗能
在建筑结构的整体设计上要注意加强薄弱环节，尽量做到等强度。同时，应使建筑结构在一个恰当的部位能消耗大量的能量，在具体设计中即为各式各样的梁，如框架梁、联肢墙的连肢梁等。结构延性一般用延性系数表示，它表示的是结构极限变形(位移、转角、曲率)与屈服变形的比值，也可以分别用位移延性系数，转角延性系数等来表示，该比值越大，结构的延性越好。在设计上为提高钢筋混凝土梁的延性，一般采取以下措施:(1)首先应选取合适的梁截面尺寸，以获得合适的配筋率，避免梁受拉筋过多或出现超筋。因此，对地震区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)配置适量的受压筋。(3)提高梁混凝土强度等级，采用中低级钢筋对延性有利。(4)T形梁比矩形梁延性好。(5)注意加密箍筋。地震区钢筋混凝土梁的位移延性系数一般要求不得低于4。
2.多道防线设计
现在有一种新的抗震概念:当建筑结构受到强烈地震动主脉冲卓越周期的作用时，一方面利用结构中增设的赘余杆件的屈服和变形，来耗散地震输入能量;另一方面利用赘余杆件的破坏和退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另一种稳定体系，实现结构周期的变化，以避开地震动卓越周期长时间持续作用所引起的共振效应。这种通过对结构动力特性的适当控制，来减轻建筑物的破坏程度，是对付高烈度地震的一种经济有效的方法。
3.妥善处理非结构部件
非结构部件一般是指在通常结构分析中不考虑承受重力荷载以及风、地震等侧力荷载的部件，如内隔墙，框架填充墙，建筑处围墙板，楼梯等。实际上，在地震作用下，高层建筑中的这些部件或多或少地参与工作，从而改变了整个结构或局部构件的刚度，承载力和传力路线。造成未曾估计到的局部震害。在钢筋混凝土框架体系的高层建筑中，这些影响最为普遍。(1)砌体填充墙的抗震作用：①使结构刚度增大，自振周期缩短，水平地震力增大30%~50%。②改变了结构的地震剪力分布状况。③砌体填充墙具有较大的抗推刚度，限制了框架的变形，从而减小了整个结构的地震侧移幅值。 (2)柱端震害，在地震中，角柱上端被嵌砌于框架间的砖墙顶断。这是典型的柱端震害。在框架体系设计中必须考虑，并采取恰当的预防措施。(3)形成短柱破坏。采用钢筋混凝土框架的高层建筑，就框架柱的受力状况和破坏形态而言，一般情况下属于长柱。由于窗裙墙对框架柱的刚性约束，减短了柱的有效长度，使它变成了短柱，承担的地震力大增，发生剪切破坏。因此，采用贴砌围护方案或墙、柱柔性连接方案都是防止短柱破坏的有效手段。否则沿柱的全高，柱身箍筋的配置均应符合短柱的规定。这一点，在施工图中，应当说明清楚。 三、案例讨论
郑州市郑东新区景峰国际项目情况：地上34层共120m，地下共3层，其中地下第3层为5级人防。该结构为超高层结构，框架-剪力墙结构体系。其中在地上第三层有局部框值转换。在方案设计阶段，框架的轴线尺寸己经由建筑确定，梁柱截面尺寸根据竖向荷载及粗估的水平地震作用效应确定。最后问题是剪力墙如何布置、数量多少。这是一个关系到结构安全和技术经济合理性，并体现出体系优越性的关键性环节。所以结构工程师在方案设计阶段都积极参与，并根据适宜刚度概念算出剪力墙的面积，结合建筑要求设计出经济合理的方案。
1.剪力墙的布置。一般情况下，剪力墙应在纵横两个方向同时布置，并使两个方向的自振周期比较接近。在非抗震设计的条件下，也允许只设横向剪力墙而不设纵向剪力墙，这时，纵向风力全部由纵向框架承受。剪力墙的一般布置原则是“均匀、分散、对称、周边”。均匀、分散是要求剪力墙的片数多，每片的刚度不要太大，也就是说布置很多片短的剪力墙;并且在楼层平面上均匀布开不要集中在某一局部区域。一方面，剪力墙对称布置可以避免和减少建筑物受到的扭矩。另一方面，剪力墙沿周边布置可以最大幅度地加大抗扭转的内力臂，提高整个结构的抗扭能力。经过讨论，大家一致同意剪力墙沿周边布置。
2.剪力墙的平面位置。一般情况下，剪力墙宜布置在下述的各个部位:（1）竖向荷载较大处。这样可以获得三点好处:①较大重力荷载引起的较大地震作用，可以直接传到剪力墙上;②剪力墙承受很大的弯矩和剪力，有了较大轴向压力来平衡，可以减小墙体的拉应力，并提高墙体的受剪力承载力;③可以避免使用较大截面梁、柱的框架来承担较大的竖向荷载。（2）平面形状变化处或楼盖水平刚度剧变处。这样可以消除地震时在该部位楼板中引起的应力集中效应。（3）楼梯间、电梯间以及楼板较大洞口的两侧。根据本工程特点，剪力墙的平面位置布置在竖向荷载较大处。
3.剪力墙最大间距。在框—剪体系中，剪力墙是主要抗震构件，承担着80%以上的地震力;框架是次要抗震构件，仅承担加%以下的地震力。要保持框一剪体系这一结构特性，以剪力墙为侧向支撑的各层楼盖，在地震力作用下的水平变形就需控制在很小数值范围以内，使框架的侧向变形与剪力墙大致相同。否则，就需要通过空间分析来考虑楼盖水平变形所引起的框架剪力增值。在实际工程中，剪力墙间距一般在2.5B及30m以内。有30m长的一段无剪力墙的自由布置空间，完全可以满足建筑功能的要求。
参考文献：
［1］小谷俊川.日本基于性能结构抗震设计方法的发展.建筑结构，2000，6.
［2］建筑抗震设计规范.(GBJfl一89).
混凝土结构设计规范.(GBJ10一89).
［3］钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程.(JGJ3一91). 来源: 《建筑中文网》.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200909/14150.htm
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