结构方案的概念设计样本

1 结构方案的调研( 强调概念设计, 总揽全局, 整体把握)

1.1 概念设计: 概念设计( Concepts Design) 就是运用人们对建筑结构这一客观事物的正确认识去妥善地处理结构设计中遇到的各种问题。即处理从结构所受的各种作用的特点到结构计算, 到不同结构在各种作用下的反应, 变形能力和破坏机制以及各种构造措施等问题。换句话说, 就是结构工程师应具有多学科的知识和丰富的实践经验, 在设计中处处都要用清晰的结构概念和对概念的深刻而全面准确的理解去处理实际工作中的结构问题, 经过对结构问题的概念分析和概念判断, 提取有用的信息, 从而提出对结构问题具有实际意义的处理方法, 将结构问题进行模型简化形成计算简图, 按计算简图进行结构计算, 最后采用安全合理切实可行的构造措施完成结构设计任务。

美国林同炎教授所著«结构概念与体系»一书, 主要从结构整体出发分析各结构分体系的结构概念, 揭示了结构体系的规律, 更强调了概念设计的重要性。

1.2 结构总体的概念设计: ( 十大结构设计方面的重要概念)

（１）适宜的刚度

在建筑物设计中, 恰如其分的确定建筑物刚度是非常重要的。

ａ刚度大, 结构自振周期短, 地震作用大, 自重大, 材料又浪费。

ｂ刚度小, 结构过柔, 产生过大变形, 影响强度和稳定性, 结构自振周期大。当建筑物位于地震区时, 由刚度所决定的结构自振周期还要避开场地的振动卓越周期, 以避免共振, 造成建筑物倒塌。

ｃ结构刚度要满足舒适度的要求。当前多数国家均以建筑结构的振动加速度划分舒适度一般分五级, 如下表: g为重力加速度

建筑物的振动加速度是结构振幅和周期的函数, 有的建筑物振幅不大但周期很短, 也造成很大的加速度。如下图

ｄ刚度的调整: 如振幅, 振动加速度或自振周期不满足要求时, 应采取措施提高或降低建筑物的刚度。具体办法:

１．加强或减弱建筑物构件水平构件( 楼屋盖的梁和板) 的刚度;

２．加强或减弱建筑物构件竖向构件( 如增减剪力墙和柱的数量及截面尺寸) 的整体性和刚度;

３．加强或削弱构件间的连接, 改变节点刚度;

４．增大或减小建筑物在平面上的宽度, 降低或增高其高宽比;

５．改变建筑物的形状, 将一字形改为＃, Ｙ, ⌒型或相反;

６．改变建筑结构构件的刚度能够从以下方面来实现: 增大, 减小结构构件的横截面面积, 增大, 减小构件纵向配筋率和提高或降低构件的混凝土

强度等级。

ｅ刚度的分配: 在建筑结构达到适宜的刚度( 含满足变形, 振动加速度, 自振周期等要求) 后按如下原则分配: 在平面布置时刚度即要相对集中又要均匀分布。相对集中可节约材料, 减轻结构自重, 减少地震力; 均匀分布能够减小某些构件产生过大变形。

ｆ有关刚度分配方面的几个问题:

１．当刚度小分布均匀, 但过于分散建筑物很高时不经济( 见方案一) ;

２．刚度过分集中, 分布不均匀, 在水平力作用下产生过大变形( 见方案

二) ;

３．剪力墙的间距过大楼板在地震作用下产生弯曲破坏, 甚至会被拉裂破坏, 在地震作用下已不完全是整体变形, 她除了整体变形外, 楼板还产生局

部弯曲( 见方案三) ;

４．刚度分布较好地符合了相对集中与分散的原则( 见方案四) ;

５．除了充分考虑建筑物横向刚度外, 一定要使建筑物在纵向上也有比较适宜的刚度, 特别在抗震建筑中, 纵向刚度是必不可少的, 而这正是一般

设计人员最容易忽视的问题。

（２）认识和掌握结构的破坏机制和朔化历程

建筑物的破坏机制一般分为两种, 即楼层破坏机制和整体破坏机制( 如图)

设计中应尽量避免结构产生楼层破坏机制, 这种破坏说明结构在柱中村村在薄弱环节, 即在其它构件承载力尚未充分发挥作用之前, 整个结构已经提前破坏。要使整个结构达到整体破坏机制是容易的, 但在地震作用下, 出现介于楼层破坏和整体破坏之间的某种机制, 也是完全能够理解的。设计人员的责任和义务就是努力实现理想的建筑结构的整体破坏机制,就是正确布置和掌握朔性铰出现的位置和出现顺序, 就是尽量使结构达到理想破坏机制。各种不同的结构体系, 其理想的破坏过程是不同的, 如下图

a纯框架结构的理想破坏机制

地震作用下首先在梁端产生朔性铰, 消耗地震能量。产生朔性铰后, 结构刚度下降, 计算简图发生变化, 地震力减小, 结构受力状态自然会得到改进。如继续强震作用, 底层柱底弯矩增大, 导致底层柱底最终出现朔性铰, 结构进入失稳状态成为几何可变体系。在设计时必须千方百计保证底层柱的抗弯和抗剪强度, 要破例提高这一部分的可靠度, 以推迟底层柱朔性铰的出现和提高底层柱的延性。

另外, 在设计时注意以下几点措施:

１框架计算中将梁固端弯矩进行适当调幅

梁调幅后, 对梁支座是不利的, 强震作用下梁支座可能过早出现朔性铰, 但对整个结构来说是有利的, 能够提高框架的延性。

２框架梁的下部钢筋如不是计算需要和构造要求, 以不伸入柱中或不完全锚固在柱中为好。

３人为地对不同构件的部位给予不同的安全等级, 或在配筋时认为的增减。

b剪力墙结构的理想破坏机制

剪力墙结构的刚度一般都很大, 设计的任务抗弯和抗剪强度设计。朔化过程比较简单, 就是在底部( 与墙肢宽相当或１／８总高度且小于底层层高的层高范围内) 出现朔性铰, 直至破坏。在设计剪力墙结构时要对这一部位特殊关照, 尽量提高其延性, 对它的抗弯和抗剪可靠度给予适当提高。为了保证剪力墙结构结构不出现楼层破坏, 既不使剪力墙在上部首先出现朔性铰, 规范规定用提高的弯矩莱计算剪力墙的抗弯和抗剪钢筋。

当为联肢剪力墙结构时, 其朔化历程是首先在联肢梁中出现朔性铰吸收地震能量, 改变建筑物刚度, 地震力减小。如继续强震作用, 会导致联肢墙部出现朔性铰, 建筑物变形急剧增大并将失稳, 最后倒塌。设计的关键是墙底部的抗弯和抗剪强度问题, 设计时只要在这一部位给予充分的考虑重视, 可靠度给予适当提高, 注意其延性设计, 就可基本做到”大震不倒”。另外, 在设计时注意以下几点措施:

１剪力墙内竖向钢筋的配筋率不宜过小, 避免在大震作用下产生脆性破坏。水平分布筋直径不宜过小间距不宜过大, 否则对混凝土起不到约束作用; 竖向钢筋直径更不能太细间距不宜过大, 否则混凝土浇筑时, 钢筋挥发生移位, 墙厚大于160时, 应作双层钢筋, 水平筋应放在竖向筋的外侧, 与利于抗剪且便于施工。据北京和广东调查, 温度应力的影响, 在剪力墙顶部和底部一定范围内, 其配筋率还应适当增大。

２在剪力墙的端部以及墙与墙交叉处应该设置暗柱。暗柱能够提高剪力墙的承载力, 能够对边缘处混凝土起约束作用, 避免局部压碎, 与暗梁一起组成边框, 对抗倒塌和抗扭均有利。

３在楼屋面板处, 沿建筑物周边作封闭式圈梁, 以保证楼板的整体性和在强震下; 楼屋面板不被撕裂。圈梁在多数情况下是由主次梁所组成, 在无梁时要做暗梁, 特别对端山墙, 更加需要, 它的设置对抗扭是有利的。

４设计中要特别注意剪力墙的与楼板的连接, 特别在采用预制板时, 更需采用特殊措施。一般剪力墙均比较薄, 且有竖向钢筋, 这时楼屋面板支承长度不可能太长, 又时仅20, 全靠预留出板端的钢筋拉接; 此时如果如锚固不好, 或接