结构概念设计的几点基本思想

结构设计初期，根据建筑、地质勘探等特点，预先选择适当的结构尺寸、基础形式、荷载假定、计算模型等，形成概念上的整体模型，即结构概念设计的基本思想。概念设计合理与否，将直接决定了最终整个结构设计的卓越或平庸甚至失败。本文从结构设计的角度，对概念设计的基本思想做了较为全面的理解和探讨。

几个基本的结构概念

１构件受力状态

一般结构构件主要有四种基本的受力状态：受拉、受压、弯剪、受扭。结构设计的一个基本的内容就是优化结构体系，进行合理的结构布臵和适当的刚度分布，使得结构内部各构件尽量处于最合理的受力状态，充分发挥材料强度。各种受力状态具有明显不同的特点。

受拉轴向受拉的构件，荷载通过构件截面中心，截面上各点受力均匀，材料强度可以充分利用。对于适合受拉的材料如钢材等，这是一种最为经济合理的受力状态；对混凝土等材料，由于本身的抗拉强度远低于抗压强度，应尽量避免出现这种受力状态。

受压理论上来讲，这应该是一种最合理的受力状态。一般材料抗压强度均不低于抗拉强度，外荷载通过构件截面中心，截面上各点受力均匀。但这仅仅是一种理论的受力状态，实际受压构件由于种种原因存在偏心，或者承受侧向荷载作用，使得承载力与构件的长细比有关，长细比越大，构件的承载力越低。增大截面回转半径、加强构件边界条件等可以减小构件长细比，但这需要以建筑空间和工程费用作为代价。

考虑偏心情况，相同计算长度和边界条件的受压构件，以环形截面最为合理，圆形及正方形截面次之。通过改变截面尺寸、增加适当的侧向支撑等措施达到两个方向回转半径近似相同的工字形型钢、角钢或组合截面也能做成比较经济合理的受压构件。

弯剪实际构件受弯受剪往往同时发生。受弯作用产生的正应力在离中和轴最远处最大，中和轴附近则比较小，受力不均匀；剪应力在截面中和轴附近最大，离中和轴最远处则降为零。另外，在整个构件的计算长度内，受弯受剪引起的应力分布也很不均匀。以矩形截面简支梁为例，在均布荷载作用下，跨中弯距M最大，剪力V为零，支座处剪力V最大，弯距M为零，最终结果是，整段梁内各截面的受力状态以及同一截面上各点的受力状态均不相同，使得材料强度远不能充分利用。

对于钢筋混凝土构件的改进措施：采用适当形式的纵筋和箍筋承剪，合理布臵纵向受力钢筋；减小中和轴附近的截面尺寸，如采用工字形、T形、空腹桁架等截面形式，圆形及环形截面则极不合理；增大跨中截面高度，如鱼腹式变截面梁等。

受扭构件受扭时，截面上会产生成对的剪应力形成力偶对来抵抗扭矩。截面中间部分的应力小，力臂也

小，抗扭效果不好。截面扭矩主要由边缘应力力偶对抵抗，且边缘应力分布均匀。因此，单纯抗扭的构件以环形截面最为合理，箱型截面次之。

扭转是一种不利的受力状态，在设计中应引起注意，可能的情况下应采取转换等措施，降低对构件的扭转作用。

２适当的材料

选择适当的结构材料，也是结构设计初期需要考虑的一个主要问题。对于一个将要建造的工程，是采用混凝土材料，还是选择钢材、砌体、或木结构，需要综合考虑取材及经济等其它一系列因素。

经济因素是任何工程行为中最基本最重要的因素。工程建造需要投资，正常运行后可以产生经济效益，通常来说，缩短施工期使建筑物早日正常运行产生效益，比建设期间节约建设成本更为重要。钢筋混凝土结构价格低廉，取材方便，运行寿命长，维修费用低，施工技术成熟，但现浇钢筋混凝土结构施工周期长、强度低、材料使用量大、模板等额外费用高、劳力消耗量大；钢结构强度高、质量轻、施工速度快、机械化程度高，但价格昂贵、耐火性能低、维修费用高。有时，不同的结构形式、特殊的建筑要求等因素也会直接决定结构材料类型。

３构件类型

在结构设计初期，可以按预先期望的整体结构形式，从受力角度将建筑物分为三种构件形式[1]：

结构构件组成结构体系的基本元素，主要包括梁、板、柱及混凝土墙等。在结构设计初期，确定结构整体的受力特点及荷载传递方式，进而合理地布臵结构构件、调整各构件的刚度，实现结构优化。合理的结构应该是各点受力均匀连续、材料利用充分的统一体系。

非结构构件主要指建筑物内部非承重墙等构件。非结构构件不参与整体结构计算，但对结构的整体强度和刚度具有贡献。

建筑内含物主要指建筑填充墙、玻璃幕墙、家具设备等，通过荷载的形式同结构发生关系，某种程度上决定了整体结构的强度和刚度的分布情况。

上述几个基本概念，在结构设计初期都必须都一定程度的分析和研究，作为下一步设计的最基本的指导依据。

一般结构概念设计

“先进的设计思想可以通过设计充分地展现。一个结构项目工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体概念来设计结构的总体方案，并能有意识地利用总结构体系与各基本分体系之间的力学关系，而不仅仅是能精确地计算和分析一个给定的分体系或构件[2]”

对于一般结构设计而言，可以按以下步骤来完成初步的概念设计：

1 建筑结构整体模型根据建筑、地质勘探等要求，考虑反映整体效果的实体模型及空间模型。实体模型即大致能够反映建筑外形的实心体，可以是立方体、圆柱体、筒体以及其他空间形状（如图一b），对结构整体形成初步的力学概念；在此基础上，根据地基及建筑要求，对结构进一步细分成数个子结构，初步反映出建筑功能分区要求，反映整体结构的质量分布及地基允许的基础形式（如图一c）。结构整体模型具有适当的质量分

布、强度和刚度。此时并考虑

结构内部提供抗力的具体问

题。

(a) (b) (c) (d)

图一结构实体模型

2 基于结构整体模型初步分析结构总作用力建筑物的总作用力主要包括风荷载、地震荷载、自重等竖向荷载，一般情况可认为风荷载的分布与受风面积成比例，即可以将风荷载的分布看成建筑受风面积的分布。而地震作用的分布与建筑的质量分布有关，但并不直接比例于质量的分布。通过对整体结构的受力分析，对结构形式、结构方位重新进行合理设计

3 基于上述两点的荷载效应水平荷载会引起地基对结构基础的抗滑水平荷载及抗倾覆力矩；竖向荷载引起地基对基础的垂直反力及偏心矩。通过对整体结构模型的荷载分析，初步了解结构承载能力，确定各个位臵