建筑結構概念設計

1、群在住自崖fE組嗣跚露西it核工業(yè)第五研究設計院李江濤張文靜馬勇輝[摘要]本文論述了建筑結構概念設計的重要性，闡述了概念設計需要掌握的知識和概念設計的若干原則以及結構工程師在設計中應該如何掌握概念設計的具體要求并運用到具體設計中。[關鍵詞]概念設計重要性地震若干原則1概念設計的提出及其重要性我國處于歐亞板塊和太平洋板塊邊緣，是個多地震國家，我國《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定，在國家地震局頒發(fā)的《中國地震烈度區(qū)劃閣》上規(guī)定的基本烈度為6度和6度

2、以上地區(qū)內(nèi)的建筑結構，應當進行抗震設計。我國建造高層建筑的大城市幾乎都在抗震設防區(qū)，因此，高層建筑結構的抗震設計就成為高層建筑設計的重要內(nèi)容。地震作用是地面運動通過基礎影響上部結構的，地面水平振動使結構產(chǎn)生位移和搖擺，扭轉(zhuǎn)振動使結構扭轉(zhuǎn)，對建筑結構造成破壞的，主要是水平振動和扭轉(zhuǎn)振動。后者的影響更大，但是目前尚無法進行計算。地震作用影響因素極為復雜，是一種隨機的、尚不能預見和準確計算的外部作用，目前的設計規(guī)范給山的計算方法還是一種半經(jīng)驗

3、半理論的方法。因此，建筑結構的設計特別是高層建筑結構的設計不單單是結構計算和構造措施的設計還應該包括概念設計，而且應該把概念設計放在比較重要的位置。概念設計是相對于量化的計算而言的，是通過力學規(guī)律、震害調(diào)查、實驗研究、工程實踐經(jīng)驗等建立的設計概念、設計對策和措施，是運用人的思維和判斷力從宏觀上決定結構設計中的基本問題。我同的《高層建筑混凝士結構技術規(guī)程》規(guī)定:高層建筑結構應注重概念設計，重視結構的選型和平面、立面布置的規(guī)則性，加強構造措

4、施，擇優(yōu)選用抗震和抗風性能好且經(jīng)濟合理的結構體系。這充分體現(xiàn)了概念設計的重要性，注!fi:建筑結構的概念設計，保證結構的整體性，是國內(nèi)外歷次大地主革的重要經(jīng)驗總結。概念設計及結構整體性能是決定高層建筑結構抗晨性能的重要因素c2做好概念設計應掌握的知識概念設計包括的范圍很廣，要考慮的方面很多r不僅僅要分析總體布置的大原則，也要顧及到關鍵部位的細節(jié)c具體米說，要做好結構布置方案，以創(chuàng)造對抗震的有利條件c分析地震力的性質(zhì)和所選定結構體系的受力

5、特點使主觀意向符合客觀實際。了解地震力和堅向荷重的傳遞途徑及內(nèi)力重分布的趨向，有效的布置結構構件J預計結構的破壞過程和破壞機制，以加強結構的關鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)。注意建筑結構的連接整體性，做到大震不倒，小震不壞。做好結構的強度和剛度在平麗內(nèi)和沿高度的均勻分布，避免應力集中。估計和控制塑性餃區(qū)出現(xiàn)的部位平時應用，有辛|對性的進行構造布置c多布置高延性的花能構件吏結構對抗層設有多道防線。號I忌非結構協(xié)件對主體結構抗震產(chǎn)生的有平Ij租不利影響，

6、保護和防止這類部件的破壞和墜落。牢記同內(nèi)外震窯的經(jīng)驗和教訓，使設計有所借鑒】密切配合建筑專業(yè)在設計上的創(chuàng)新，進步提高建筑的使用功能和造型的多樣化ε給施工創(chuàng)造有利條件，以保證結構的l~程質(zhì)量，等等c3概念設計的若干原則3.1高層建筑結構水平荷裁是控制結構內(nèi)力和變形的決定性因素，因此，除考慮建筑功能要求外，單元抗側力結構的布置宜規(guī)則、對稱，受力明確、)J求簡單，傳力合理、途徑不間斷，并應具有良好的整體性3(1)合理的布置抗側力構件，在一個獨

7、立的結構單元內(nèi)，應避免應力集中的凹角和狹長的縮頸部位避免在凹角和端部設置樓、電梯間減少地晨作用下的扭轉(zhuǎn)效應c豎向體型盡量避免外挑，內(nèi)收也不宜過多、過急，結構剛度承載力沿房屋高度宜均勻、連續(xù)分布、避免造成結構的軟弱或薄弱部位。(2)應避免肉部分結構或構件破壞而導致整體結構喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載力c(3)根據(jù)集體情況，結構單元之間應遵守牢罔鏈接或有效分離的方法3高層建筑的結構單元宜采取連接的方法。3.2結構構件應具有必要的承載力、剛

8、度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能(])構件設計應遵守“強柱、弱梁、更強節(jié)點、強剪、弱彎、強底層柱(墻)底“的原則。(2)對可能造成結構的相對薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。(3)承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。3.3盡可能設置多道抗震防線(])一個抗震結構體系，應有若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接起來協(xié)同工作，如框架一剪力墻體系是由延性框架和剪力墻兩個分體系組成，雙肢或多肢剪力墻由若干個單肢剪力墻分體系組

9、成。(2)強烈地震之后往往伴隨多次余震.如只有一道防線，在首次破壞后再遭余震，將會因損傷積累而導致倒塌。抗震結構體系應有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部贅余度，有意識地建立起一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構件應具有較高的延性和適當剛度，以使結構能吸收和耗散大量的地震能量，提高結構抗震性能，避免大震倒塌。(3)適當處理結構構件的強弱關系，同一樓層內(nèi)宜使主要耗能構件屈服以后，其他抗側力構件仍處于彈性階段，使“有約束屈服“保持較長階段，保證結構的延性和

10、抗倒塌能力。(4)在抗震設計中某一部分結構設計超強，可能造成結構的相對薄弱部位，因此在設計中不合理的加強以及在施工中以大代小，改變抗側力構件配筋，都需要慎重考慮c3.4對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力(])結構在強震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載力(而不是承載力設計值的分析)是薄弱層(部位)的基礎O(2)要使樓層(部位)的實際承載力和設計計算的彈性受力之比在總體上保持一個相對均勻變化，→且樓層(或部位)的這個比例有突

11、變時，會由于內(nèi)力重分布導致塑性變形的集巾。(3)要防止在局部上加強而忽視整個結構各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。(4)在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是提高結構總體抗震性能的有效手段。4.高層建筑更應該重視概念設計高層建筑設計尤其是在高層建筑抗震設汁中，應當非常重視概念設計。這是因為高層建筑結構的復雜性，發(fā)生地震時地震動的不確定性，人們對地震時結構響應認識的局限性與模糊性，高層建筑結

12、構計算尤其是抗震分析計算的精確性，材料性能與施工安裝時的變異性和實際相差較大，甚至有些作用效應至今尚無法定量計算出來。因此在設計巾，雖然分析計算是必須的，也是設計的重要依據(jù)，但僅此往往不能滿足結構安全性、可靠性的要求，不能達到頓期的設計目標δ還必須非常重視概念設計。從某種意義上講，概念設計甚至比分析計算更為重要ο5結i吾結構工程師的首要任務就是在每一項l程設計的開始，即建筑方案設計階段，就能憑借自身擁有的結構體系及其受力、變形特性的整體

13、概念和判斷力，用概念設計去幫助建筑師開拓或?qū)崿F(xiàn)該建筑物業(yè)主所想要的，或已初步構思的空間形式及其使用、構造與形象功能。并以此為統(tǒng)一目標，與建筑師一起構思總結構體系，并能明確結構總體系和主要分體系之間的最佳受力特征要求。結構工程師不僅僅是“規(guī)范加計算更不是“規(guī)范力加日一體化計算機結構分析程序概念設計、經(jīng)驗、↑悟吾性、判斷力和創(chuàng)造力O結構t程師對概念設計的掌握是一個不斷學習和積累的過程，應該用過力學知識和力學規(guī)律建立結構受力與變形規(guī)律的各種概

14、念，對歷次地震震害的關注與對國內(nèi)外震害教訓經(jīng)驗的積累，以及對各類結構試驗研究結果的了解和應用。結構工程師應該掌握概念設計，尤其是剛參加工作的年輕設計師要多學習、多積累、逐步提高，不能盲目的一味依賴計算程序，計算程序只是一個工具，結構工程師應該運用力學概念對計算結果進行準確的分析，確認合理、有效后方可作為設計的依據(jù)。參考文獻[1]郁彥.高層建筑結構概念設計[2J張維斌多高層鋼筋混凝土結構設計釋疑及工程實例[3J李國勝.多高層鋼筋混凝土結構

15、設計中疑難問題的處理及算例[4J方鄂華高層建筑鋼筋混凝土結構概念設計[S]高層建筑混凝土結構技術規(guī)程JGJ3201O[6]混凝土結構設計規(guī)范GBSOOlO2010[7]建筑抗震設計規(guī)范GBSOOll201085一群在住自崖fE組嗣跚露西it核工業(yè)第五研究設計院李江濤張文靜馬勇輝[摘要]本文論述了建筑結構概念設計的重要性，闡述了概念設計需要掌握的知識和概念設計的若干原則以及結構工程師在設計中應該如何掌握概念設計的具體要求并運用到具體設計中

16、。[關鍵詞]概念設計重要性地震若干原則1概念設計的提出及其重要性我國處于歐亞板塊和太平洋板塊邊緣，是個多地震國家，我國《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定，在國家地震局頒發(fā)的《中國地震烈度區(qū)劃閣》上規(guī)定的基本烈度為6度和6度以上地區(qū)內(nèi)的建筑結構，應當進行抗震設計。我國建造高層建筑的大城市幾乎都在抗震設防區(qū)，因此，高層建筑結構的抗震設計就成為高層建筑設計的重要內(nèi)容。地震作用是地面運動通過基礎影響上部結構的，地面水平振動使結構產(chǎn)生位移和搖擺，扭轉(zhuǎn)振動使

17、結構扭轉(zhuǎn)，對建筑結構造成破壞的，主要是水平振動和扭轉(zhuǎn)振動。后者的影響更大，但是目前尚無法進行計算。地震作用影響因素極為復雜，是一種隨機的、尚不能預見和準確計算的外部作用，目前的設計規(guī)范給山的計算方法還是一種半經(jīng)驗半理論的方法。因此，建筑結構的設計特別是高層建筑結構的設計不單單是結構計算和構造措施的設計還應該包括概念設計，而且應該把概念設計放在比較重要的位置。概念設計是相對于量化的計算而言的，是通過力學規(guī)律、震害調(diào)查、實驗研究、工程實踐經(jīng)

18、驗等建立的設計概念、設計對策和措施，是運用人的思維和判斷力從宏觀上決定結構設計中的基本問題。我同的《高層建筑混凝士結構技術規(guī)程》規(guī)定:高層建筑結構應注重概念設計，重視結構的選型和平面、立面布置的規(guī)則性，加強構造措施，擇優(yōu)選用抗震和抗風性能好且經(jīng)濟合理的結構體系。這充分體現(xiàn)了概念設計的重要性，注!fi:建筑結構的概念設計，保證結構的整體性，是國內(nèi)外歷次大地主革的重要經(jīng)驗總結。概念設計及結構整體性能是決定高層建筑結構抗晨性能的重要因素c2做

19、好概念設計應掌握的知識概念設計包括的范圍很廣，要考慮的方面很多r不僅僅要分析總體布置的大原則，也要顧及到關鍵部位的細節(jié)c具體米說，要做好結構布置方案，以創(chuàng)造對抗震的有利條件c分析地震力的性質(zhì)和所選定結構體系的受力特點使主觀意向符合客觀實際。了解地震力和堅向荷重的傳遞途徑及內(nèi)力重分布的趨向，有效的布置結構構件J預計結構的破壞過程和破壞機制，以加強結構的關鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)。注意建筑結構的連接整體性，做到大震不倒，小震不壞。做好結構的強度和剛

20、度在平麗內(nèi)和沿高度的均勻分布，避免應力集中。估計和控制塑性餃區(qū)出現(xiàn)的部位平時應用，有辛|對性的進行構造布置c多布置高延性的花能構件吏結構對抗層設有多道防線。號I忌非結構協(xié)件對主體結構抗震產(chǎn)生的有平Ij租不利影響，保護和防止這類部件的破壞和墜落。牢記同內(nèi)外震窯的經(jīng)驗和教訓，使設計有所借鑒】密切配合建筑專業(yè)在設計上的創(chuàng)新，進步提高建筑的使用功能和造型的多樣化ε給施工創(chuàng)造有利條件，以保證結構的l~程質(zhì)量，等等c3概念設計的若干原則3.1高層建

21、筑結構水平荷裁是控制結構內(nèi)力和變形的決定性因素，因此，除考慮建筑功能要求外，單元抗側力結構的布置宜規(guī)則、對稱，受力明確、)J求簡單，傳力合理、途徑不間斷，并應具有良好的整體性3(1)合理的布置抗側力構件，在一個獨立的結構單元內(nèi)，應避免應力集中的凹角和狹長的縮頸部位避免在凹角和端部設置樓、電梯間減少地晨作用下的扭轉(zhuǎn)效應c豎向體型盡量避免外挑，內(nèi)收也不宜過多、過急，結構剛度承載力沿房屋高度宜均勻、連續(xù)分布、避免造成結構的軟弱或薄弱部位。(2

22、)應避免肉部分結構或構件破壞而導致整體結構喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載力c(3)根據(jù)集體情況，結構單元之間應遵守牢罔鏈接或有效分離的方法3高層建筑的結構單元宜采取連接的方法。3.2結構構件應具有必要的承載力、剛度、穩(wěn)定性、延性等方面的性能(])構件設計應遵守“強柱、弱梁、更強節(jié)點、強剪、弱彎、強底層柱(墻)底“的原則。(2)對可能造成結構的相對薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。(3)承受豎向荷載的主要構件不宜作為主要耗能構件。3.3盡

23、可能設置多道抗震防線(])一個抗震結構體系，應有若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接起來協(xié)同工作，如框架一剪力墻體系是由延性框架和剪力墻兩個分體系組成，雙肢或多肢剪力墻由若干個單肢剪力墻分體系組成。(2)強烈地震之后往往伴隨多次余震.如只有一道防線，在首次破壞后再遭余震，將會因損傷積累而導致倒塌。抗震結構體系應有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部贅余度，有意識地建立起一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構件應具有較高的延性和適當剛度，以

24、使結構能吸收和耗散大量的地震能量，提高結構抗震性能，避免大震倒塌。(3)適當處理結構構件的強弱關系，同一樓層內(nèi)宜使主要耗能構件屈服以后，其他抗側力構件仍處于彈性階段，使“有約束屈服“保持較長階段，保證結構的延性和抗倒塌能力。(4)在抗震設計中某一部分結構設計超強，可能造成結構的相對薄弱部位，因此在設計中不合理的加強以及在施工中以大代小，改變抗側力構件配筋，都需要慎重考慮c3.4對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力(])結構在強

25、震下不存在強度安全儲備，構件的實際承載力(而不是承載力設計值的分析)是薄弱層(部位)的基礎O(2)要使樓層(部位)的實際承載力和設計計算的彈性受力之比在總體上保持一個相對均勻變化，→且樓層(或部位)的這個比例有突變時，會由于內(nèi)力重分布導致塑性變形的集巾。(3)要防止在局部上加強而忽視整個結構各部位剛度、承載力的協(xié)調(diào)。(4)在抗震設計中有意識、有目的地控制薄弱層(部位)，使之有足夠的變形能力又不使薄弱層發(fā)生轉(zhuǎn)移，這是提高結構總體抗震性能的

26、有效手段。4.高層建筑更應該重視概念設計高層建筑設計尤其是在高層建筑抗震設汁中，應當非常重視概念設計。這是因為高層建筑結構的復雜性，發(fā)生地震時地震動的不確定性，人們對地震時結構響應認識的局限性與模糊性，高層建筑結構計算尤其是抗震分析計算的精確性，材料性能與施工安裝時的變異性和實際相差較大，甚至有些作用效應至今尚無法定量計算出來。因此在設計巾，雖然分析計算是必須的，也是設計的重要依據(jù)，但僅此往往不能滿足結構安全性、可靠性的要求，不能達到頓

27、期的設計目標δ還必須非常重視概念設計。從某種意義上講，概念設計甚至比分析計算更為重要ο5結i吾結構工程師的首要任務就是在每一項l程設計的開始，即建筑方案設計階段，就能憑借自身擁有的結構體系及其受力、變形特性的整體概念和判斷力，用概念設計去幫助建筑師開拓或?qū)崿F(xiàn)該建筑物業(yè)主所想要的，或已初步構思的空間形式及其使用、構造與形象功能。并以此為統(tǒng)一目標，與建筑師一起構思總結構體系，并能明確結構總體系和主要分體系之間的最佳受力特征要求。結構工程師不

28、僅僅是“規(guī)范加計算更不是“規(guī)范力加日一體化計算機結構分析程序概念設計、經(jīng)驗、↑悟吾性、判斷力和創(chuàng)造力O結構t程師對概念設計的掌握是一個不斷學習和積累的過程，應該用過力學知識和力學規(guī)律建立結構受力與變形規(guī)律的各種概念，對歷次地震震害的關注與對國內(nèi)外震害教訓經(jīng)驗的積累，以及對各類結構試驗研究結果的了解和應用。結構工程師應該掌握概念設計，尤其是剛參加工作的年輕設計師要多學習、多積累、逐步提高，不能盲目的一味依賴計算程序，計算程序只是一個工具，