二、浅谈对配筋、刚度、力流及设计思维的理解

浅谈对配筋、刚度、力流及设计思维的理解

中民筑友设计院（庄伟）

法师自然，大道至简，概念设计应贯通于结构设计中的始终，结构设计应悟道，一般可分为四个层次：配筋、刚度、力流与设计思维。

1引言

设计一般可以这样去理解，设即设想、构想、想象；计即计算、分析、力流。两者

结合起来就是设计，设计出来的结构最好是效率、优美、功能三者的平衡统一。不同人对结构设计有不同的理解，一般可以分为四个层次，配筋、刚度、力流及设计思维，除此之外，在结构设计中，应把设计思维贯穿其中。

2对配筋、刚度、力流及设计思维的理解

2.1配筋

配筋是结构设计最基本的工作，每个厉害的高手最初都是从画梁板柱施工图开始的，钢筋可以大致对照SATWE计算结果进行配置，但钢筋的背后，是强度与构造的体现，与刚度密切也密切相关。

2.2刚度

结构刚度就是结构能够限制作用力所产生变形的一种性质。在荷载不变的情况下，结构刚度大，结构的相应变形小，而结构刚度小，结构相应变形则大。刚度看不见，摸不着，但可以通过“变形”去理解。当力按一定的规则传递到结构上时，都会产生变形（水平变形，竖向变形，扭转变形等），变形过大，可能会引起超筋、位移比、周期比等不满足要求，变形过大，或许也是结构布置不合理。

刚度的布置应均匀，否则刚度的不均匀会导致力流的不均匀。刚度一般有X、Y向刚度，结构周期中某个转角的平动周期不纯，其背后的本质就是该方向两侧刚度不均匀或结构内外相对刚度不合理（产生扭转变形）。

X方向或Y方向两端刚度接近（均匀）才位移比小，两端刚度大于中间刚度才会扭转小(偏心荷载作用下），周期比更容易满足，，增加结构扭转刚度也对位移比有利，属于“抗”。

控制扭转的关键在于“加减法”及X方向或Y方向两端刚度接近（均匀），要加的墙位置很重要，好钢用在刀刃上才更有效，而方法的背后，在于一个外墙与内墙的相对刚度，而不是外墙的绝对刚度大小，理解了相对刚度，就明白了“减法”在刚度调整过程中的重要作用。减法的过程中也要控制X方向或Y方向两端刚度接近（均匀），否侧又产生扭转变形。

2.3力流

外荷载及作用作用于结构上，在结构内部是如何传递分配的是看不见摸不着的，但这种分配与传递确实实在在地存在着，为了形象地说明力流的传递与分配，可以用“水流”进行类比。结构中的力流由板传到梁、由梁传到柱、墙，有柱墙传到基础，总是遵循着一定的规则，但力流的传递的效率却至关重要，其背后体现着概念设计及结构布置。

力流的传递要短，少一些变形协调的过程，除非是不得已而为之（建筑、规范要求），墙柱布置应上下贯通。楼板中常有些小板块的100mm厚填充墙（比如小于4m）一般尽量不设小次梁，减少一些传力途径，可以局部加强楼板配筋。

力流的传递过程应“物尽其用”，提高材料的利用效率。比如混凝土抗压强度远远大于抗拉强度，应尽量让混凝土构件受压，而不是受拉，受弯。当结构受到弯矩时，弯矩的本质

也是拉压应力，拉应力材料的利用率不高。拱的效率高于梁(比普梁构件多了轴力)，桁架结构绩效高于实体结构也体现着以上观点。

结构应该顺着力流的分布去布置，比如剪力墙结构内部应力小，外围应力大，所以应该在结构外围及拐角处多布置墙，结构内部的墙在满足规范要求与刚度的前提下，可以适当减小。梁、板受力时，应力在截面高度上的分布是两端大，中间小，于是出现了空心楼板等。

力流的分配要均匀，次梁在满足建筑等的前提下（一般墙下布梁），一般尽量沿着跨度多的方向布置，这也是为了实现力流在纵横方向的均匀分配，结构纵向刚度大，就要多承受力，纵向布置次梁，次梁的布置连续，可以充分利用梁端负弯矩协调变形，梁端弯矩与梁底弯矩也趋向于均匀分配。但是当柱网长宽比大于1.5时，宜采用加强边梁的单向次梁方案。单向次梁应沿着跨度大方向布置，落在跨度小的主梁上，大家一起合力一起跨越大跨度，而不是依附在别人身上跨越长距离,这样做传力路径短比结构布置连续更重要。

力流总是沿着刚度大、路径短的方向自发传递，如果减小门式钢架中钢梁中部段的截面，端部截面的应力比会增加。如果柱顶点铰接，钢梁应力比会增大，如果柱角点铰接，钢梁应力比也会增大，都恰好应证了这个道理。在装配式剪力墙结构中，次梁如果采用图1的节点，也可以用此道理来解释。

图1次梁与中间梁的连接

注：次梁与主梁现浇在一起，由于次梁端部高度变小，次梁中间段高度不变，于是次梁中间部分的刚度相比次梁端部的刚度变大，力流沿着刚度大的方向传递，导致次梁端部弯矩变小，更趋近于铰接，这与次梁沿着梁长整段高度变小，次梁与主梁的支座（中间）更趋近于固结的道理不一样。

可以人为改变结构布置或结构刚度，付出一定的代价后，改变力流的方向。比如板的内力一般自发向板的短边传递，但可以通过设置次梁，改变力流的分布。比如柱底弯矩通过独立基础的协调后，弯矩转化为力矩，作用在土上，墙底弯矩或墙肢底部轴力大小不同时对承台产生的弯矩通过承台协调后，弯矩转化为力矩，作用在桩身上便成了轴力。

力流可以改变构件的刚度，预应力结构可以这样理解，通过控制定值强度，人为改变预应力的形状与位置，产生不同的变形效果，刚度也即相对刚度。

力流不会无缘无故的产生与消失，但力流的作用形式可以转变。力流最终汇集于土，如同河流汇集于大海，最后分散开。

2.3设计思维

2.3.1二八定律：

任何一组事物中，起主要作用的是少数。比如外围、拐角的剪力墙抵抗水平风荷载与水平地震作用的贡献最大。独立基础受到较大弯矩时，独立基础外围部分的贡献更大（力臂更大）。分清结构或构件中的主次要因素后，便可更有效的根据结构或构件计算指标调整结构或构件布置以满足规范要求。

2.3.2类比的思维方式

钢结构设计与混凝土结构设计类比，比如钢梁与混凝土梁（翼缘与腹板受力分析）类比、加钢梁翼缘厚度的效果类比于多放一排面筋或底筋（抗弯），钢柱与混凝土柱类比。混凝土结构设计中，不连续的地方要加强，比如边缘构件要加强，板边需要加强，角柱需要加强，底柱和顶柱子需要加强，可以类比钢结构设计中，不连续的地方（节点处）也应加强。

在理解结构设计时，可以用生活中一些易理解的现象来帮助类比理解，比如地震类似于紧急刹车或紧急加速、大底盘结构比独立结构稳当与坐着比站着稳当是一个道理、脚张开比脚并立稳当，于是建筑结构要控制高宽比、体重大的人容易摔到，于是结构自重不应太大，避免地震力过大、楼板开洞使得水平力在该开洞位置处传力中断，造成应力集中，和当把洗车用的水管直径减小，压强会增大是一个道理、剪力墙结构中连梁超筋，有时可减小梁高，弱化连梁的作用，让墙自己多承担一点，和生活中用手拉人时把手放松一点一个道理。桩基础布置在墙的两端还是墙身中间部位，可以类比是踩在脚根疼还是脚心疼一个道理。

生活中做事要有连续性，可以类比结构设计时，梁的布置应尽量连续（一般沿着跨度多的方向布置、梁端部悬挑等）、墙的布置要连续（转角处布翼缘）。生活中常说，物极必反，在设计时，一般初步调模型应力比的控制要留有余地，基础设计地基承载力要留有余地。在画施工图时，应先弄清楚哪些是不连续的部分，哪些是连续的部分，不连续的部分则要多花些时间，连续的地方，可以进行批量复制、镜像等；

生活中做事说话的正确方式是引导与比喻，通过一个第三方（参照物）去把事情完成，在做结构设计时，常常参考别人做过的同类型的工程项目，参考图集等，这些都是参照物，属于第三方。在生活中，有时做事要直接找负责人或领导，这样做事更直接，可以类比结构设计中，结构的布置的要尽量传力直接且短（贯通布置）。

2.3.3极限思维

阴阳生万物，阴阳即极端。很多东西，用极端的思维方法会很容易明白，比如把梁的两个支座中一个支座刚度变为无穷小（或足够软）去解释力沿刚度大的位置传递。

2.3.4正反思维

一件事物，正面不能看清楚，就从反面看。比如什么是延性，延性的反面是脆性破坏。

2.3.5撇开手段，从手段的目的、效应等源头考虑，再逆推。

比如为什么框架结构首层与其它层反弯点位置不同，因为反弯点的位置变化能体现结构或构件刚度的变化，刚度的变化与长度、约束有关，首层一般刚度更弱(首层柱顶的约束相对于柱底基础的约束更弱)，于是柱子反弯点一般在层高的2/3处，而其它楼层框架柱的反弯点一般在层高的1/2处。为什么框架结构底层与其它层柱子计算长度不一样（首层要小），因为计算长度系数能控制构件的稳定性，首层一般比较弱，所以设计时，应让首层稳定性更好一些，即计算长度更小一些。为什么抗规4.2.1下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算，因为从结果考虑，地震力的作用效应能让结构或构件产生变形记破坏，既然不考虑，则是因为不会产生这种破坏。再怎么分析？产生破坏的过程中有这几个因素：地震力、土、基础。通过与考虑抗震分析的情况对比，可知问题主要出现在“土”这个因素上：这些地基主要由饱和松砂、软弱粘性土和成因岩性状态严重不均匀的土层组成，大量的一般的天然地基都具有较好的抗震性能，能分担地震力。

3小结