建筑結(jié)構(gòu)的概念設計

1、<p><b>　　建筑結(jié)構(gòu)的概念設計</b></p><p>　　【摘要】建筑結(jié)構(gòu)抗震設計中的概念設計是對建筑抗震設計的宏觀控制。本文根據(jù)地震的特點，從建筑物的場地選擇、平立面形式、結(jié)構(gòu)布置、延性以及未來發(fā)展方向等方面論述了建筑結(jié)構(gòu)設計中概念設計的內(nèi)容。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】抗震 概念設計 整體穩(wěn)定性 </p><p>

2、　　中圖分類號：S611 文獻標識碼： A </p><p>　　建筑物結(jié)構(gòu)的概念設計一般來說有建筑方面的概念設計和結(jié)構(gòu)方面的概念設計，它們之間相互影響、相互協(xié)調(diào)、相互結(jié)合。結(jié)構(gòu)概念設計就是以工程概念為依據(jù)從有利于提高結(jié)構(gòu)抗震力的概念上，用符合工程客觀規(guī)律和本質(zhì)的方法，對所設計的對象做宏觀的控制，目的就是在初步設計前為所這幾的工程項目設計一個概念性的總體方案和宏觀的控制。近年來，結(jié)構(gòu)工程師將概念設計應用于實際工程

3、中取得了很好的效果。同時隨著建筑業(yè)的發(fā)展，建筑的體型、功能的日新月異 的變化與要求，我們發(fā)現(xiàn) 89抗震規(guī)范中規(guī)定的概念設計內(nèi)容不夠全面。2010年 1月實施的 GB50 0 1 1 - 2 0 10《建筑抗震設計規(guī)范》 （以下簡稱新抗震規(guī)范 ）對概念設計的要求作了更全 面、更符合實際的規(guī)定，尤其是增加了“不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)的概念設計”，使得概念設計在工 程中的應用更具體更明確地落到實處，切實提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力。“概念設計”愈來愈受 到國內(nèi)

4、外工程界的普遍重視。 </p><p>　　地震具有隨機性、不確定性和復雜性，要準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)，目前是很難做到的。而建筑物本身又是一個龐大復雜的系統(tǒng)，在遭受地震作用后其破壞機理和破壞過程十分復雜。且在結(jié)構(gòu)分析方面，由于未能充分考慮結(jié)構(gòu)的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時效、阻尼變化等多種因素，也存在著不確定性。因此，結(jié)構(gòu)工程抗震問題不能完全依賴“計算設計”解決。應立足于工程抗震基本理論及長期工程抗

5、震經(jīng)驗總結(jié)的工程抗震基本概念，從“概念設計”的角度著眼于結(jié)構(gòu)的總體地震反應，按照結(jié)構(gòu)的破壞過程，靈活運用抗震設計準則，全面合理地解決結(jié)構(gòu)設計中的基本問題，既注意總體布置上的大原則，又顧及到關(guān)鍵部位的細節(jié)構(gòu)造，從根本上提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。 </p><p>　　一、概念設計的主要內(nèi)容 </p><p>　　1.選擇有利場地。造成建筑物震害的原因是多方面的，場地條件是其中之一。由于場地因素引起

6、的震害往往特別嚴重，而且有些情況僅僅依靠工程措施來彌補是很困難的。因此，選擇工程場址時，應進行詳細勘察，搞清地形、地質(zhì)情況，挑選對建筑抗震有利的地段，盡可能避開對建筑抗震不利的地段，任何情況下均不得在抗震危險地段上建造可能引起人員傷亡或較大經(jīng)濟損失的建筑物。 </p><p>　　2.對建筑抗震有利的地段，一般是指位于開闊平坦地帶的堅硬場地土或密實均勻中硬場地土。建造于這類場地上的建筑一般不會發(fā)生由于地基失效導致

7、的震害，從而可從根本上減輕地震對建筑物的影響。對建筑抗震不利的地段，就地形而言，一般是指條狀突出的山嘴、孤立的山包和山梁的頂部、高差較大的臺地邊緣、非巖質(zhì)的陡坡、河岸和邊坡的邊緣；就場地土質(zhì)而言，一般是指軟弱土、易液化土、故河道、斷層破碎帶、暗埋塘浜溝谷或半挖半填地基等，以及在平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的地段。采用合理的建筑平立面。建筑物的動力性能基本上取決于其建筑布局和結(jié)構(gòu)布置。建筑布局簡單合理，結(jié)構(gòu)布置符合抗震原則，就能從

8、根本上保證房屋具有良好的抗震性能。 </p><p>　　經(jīng)驗表明，簡單、規(guī)則、對稱的建筑抗震能力強，在地震時不易破壞；反之，如果房屋體形不規(guī)則，平面上凸出凹進，立面上高低錯落，在地震時容易產(chǎn)生震害。而且，簡單、規(guī)則、對稱結(jié)構(gòu)容易準確計算其地震反應，可以保證地震作用具有明確直接的傳遞途徑，容易采取抗震構(gòu)造措施和進行細部處理。 </p><p>　　3.選擇合理的結(jié)構(gòu)形式?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系是抗震

9、設計應考慮的關(guān)鍵問題。按結(jié)構(gòu)材料分類，目前主要應用的結(jié)構(gòu)體系有砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土結(jié)構(gòu)等；按結(jié)構(gòu)形式分類，目前常見的有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、簡體結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)體系的確定受到抗震設防烈度、建筑高度、場地條件以及建筑材料、施工條件、經(jīng)濟條件等諸多因素影響，是一個綜合的技術(shù)經(jīng)濟問題，需進行周密考慮確定?？拐鹨?guī)范對建筑結(jié)構(gòu)體系主要有以下規(guī)定：①結(jié)構(gòu)體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑；②結(jié)構(gòu)體系

10、宜具有多道抗震防線，應避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導致整個體系喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力；③結(jié)構(gòu)體系應具有必要的抗震承載力，良好的變形能力和耗能能力；④結(jié)構(gòu)體系宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應力集中或塑性變形集中，對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力；⑤結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性宜相近，在結(jié)構(gòu)布置時，應遵循平面布置對稱、立面布置均勻的原則，以避免質(zhì)心和剛心不重合而造成扭轉(zhuǎn)振動和

11、產(chǎn)生薄弱層。 </p><p>　　4.提高結(jié)構(gòu)的延性。結(jié)構(gòu)的延性可定義為結(jié)構(gòu)在承載力無明顯降低的前提下發(fā)生非彈性變形的能力。結(jié)構(gòu)的延性反映了結(jié)構(gòu)的變形能力，是防止在地震作用下倒塌的關(guān)鍵因素之一。結(jié)構(gòu)良好的延性有助于減小地震作用，吸收與耗散地震能量，避免結(jié)構(gòu)倒塌。而結(jié)構(gòu)延性和耗能的大小，取決于構(gòu)件的破壞形態(tài)及其塑化過程，彎曲構(gòu)件的延性遠遠大于剪切構(gòu)件，構(gòu)件彎曲屈服直至破壞所消耗的地震輸入能量，也遠遠高于構(gòu)件剪切破

12、壞所消耗的能量。因此，結(jié)構(gòu)設計應力求避免構(gòu)件的剪切破壞，爭取更多的構(gòu)件實現(xiàn)彎曲破壞。始終遵循“強柱弱梁，強煎弱彎、強節(jié)點、弱錨固”原則。構(gòu)件的破壞和退出工作，使整個結(jié)構(gòu)從一種穩(wěn)定體系過渡到另外一種穩(wěn)定體系，致使結(jié)構(gòu)的周期發(fā)生變化，以避免地震卓越周期長時間持續(xù)作用引起的共振效應。 </p><p>　　5.確保結(jié)構(gòu)的整體性。結(jié)構(gòu)是由許多構(gòu)件連接組合而成的一個整體，并通過各個構(gòu)件的協(xié)調(diào)工作來有效地抵抗地震作用。若結(jié)構(gòu)

13、在地震作用下喪失了整體性，則結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的抗震能力不能充分發(fā)揮，這樣容易使結(jié)構(gòu)成為機動體而倒塌。因此，結(jié)構(gòu)的整體性是保證結(jié)構(gòu)各個部分在地震作用下協(xié)調(diào)工作的重要條件，確保結(jié)構(gòu)的整體性是抗震概念設計的重要內(nèi)容。為了充分發(fā)揮各構(gòu)件的抗震能力，確保結(jié)構(gòu)的整體性，在設計的過程中應遵循以下原則：①結(jié)構(gòu)應具有連續(xù)性。結(jié)構(gòu)的連續(xù)性是使結(jié)構(gòu)在地震作用時能夠保持整體的重要手段之一。②保證構(gòu)件間的可靠連接。提高建筑物的抗震性能，保證各個構(gòu)件充分發(fā)揮承載力，關(guān)鍵

14、的是加強構(gòu)件間的連接，使之能滿足傳遞地震力時的強度要求和適應地震時大變形的延性要求。③增強房屋的豎向剛度。在設計時，應使結(jié)構(gòu)沿縱、橫2個方向具有足夠的整體豎向剛度，并使房屋基礎(chǔ)具有較強的整體性，以抵抗地震時可能發(fā)生的地基不均勻沉降及地面裂隙穿過房屋時所造成的危害。 </p><p>　　6、計算結(jié)果的校核。一般來說，在結(jié)構(gòu)設計中，我們通常計算軟件來進行結(jié)構(gòu)分析，這就需要設計人員對自己簡化的結(jié)構(gòu)模型要進行合理性的分

15、析，是否和實際受力模型一致，而最初的概念設計就顯得尤為重要，只有這樣，在進行準確分析判斷之后，方可用于實際工程 </p><p>　　7、抗震構(gòu)造措施。可以說，合理的抗震概念設計會簡化抗震計算過程，而構(gòu)造措施則是對概念設計的補充?！皬娭趿骸薄皬娂羧鯊潯倍际强拐鸶拍罡拍钤O計的精髓。所以無論是什么結(jié)構(gòu)類型，規(guī)范中都明確了在不同的抗震等級中，所應滿足的構(gòu)造措施，這些都是一個結(jié)構(gòu)是否安全的有力保障。 </p>

16、;<p>　　二、抗震概念與設計計算的具體規(guī)定 </p><p>　　新抗震規(guī)范已將設計中常出現(xiàn)的問題做出了具體規(guī)定。 </p><p>　　1．體形復雜的建筑不一概提倡設防震縫。 </p><p>　　2．對規(guī)則結(jié)構(gòu)與不規(guī)則結(jié)構(gòu)做出了定量的劃分。并用強制性條文對建筑師的建 筑設計方案提出了限制。如第 3 . 4. 1條規(guī)定，“建筑設計應符合抗震概念設

17、計的要求，不應采用嚴重不規(guī)則的方案”。 </p><p>　　3．予應力混凝土的抗側(cè)力構(gòu)件，應配有足夠的非予應力鋼筋。 </p><p>　　4．非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與其結(jié)構(gòu)主體的連接，應進行抗震設計，如幕墻、附屬機械、電氣設備系統(tǒng) 支座和連接等需符合地震時對使用功能的要求。 </p><p>　　5．投資方愿意通過增加投資來提高安全要求的抗震建筑，采用隔震和消能減震設計。

18、</p><p>　　6．結(jié)構(gòu)材料的選用應減少材料的脆性，優(yōu)先采 用延性、韌性和可焊性較好的鋼筋和規(guī)定強度等級范圍內(nèi)的混凝土。 </p><p>　　通過執(zhí)行新抗震規(guī)范中的各項規(guī)定，來保證抗震概念設計的完成 ；通過遵循抗震概念設計的原則，使建筑物具有可靠的抗震性能。概念設計決定建筑物的抗震性能，如果概念設計不適宜于抗震，那么不管多“精密”的計算也無濟于事。當然，在做好概念設計的基礎(chǔ)上也要認

19、真計算做好定量分忻。 </p><p>　　三、對自己將來工作的要求 </p><p>　　了解未來抗震新思路. 如前所述，目前為減輕災害所采取的措施都偏重于提高結(jié)構(gòu)自身的承載能力和變形能力，從而耗散地震能量避免建筑的倒塌。這種做法可以說一種比較被動的的辦法，存在著造價高、構(gòu)造復雜，施工難度大等特點。既然破壞能力來自于地面，通過基礎(chǔ)向上部結(jié)構(gòu)傳遞，那么若在基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間增加一個“能量耗

20、散層”以阻隔或減少地震能量向上傳遞，就能大大減輕地震隊建筑物的損壞程度。我國的地震實例也印證了是可行的，1996年邢臺地震，大量民屋倒塌，但其中幾棟土坯房幾乎沒有被破壞，經(jīng)過考察，原因在于基礎(chǔ)墻體里鋪設厚約30mm的蘆葦桿防潮層，起到了減震效果。為避免它給人類帶來大的災難，要求結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)新抗震規(guī)范運用好抗震概念設計。做到 :1 .結(jié)構(gòu)功能與外部條件一致 ;2 .充分發(fā)展 先進的設計理念 ;3 .發(fā)揮結(jié)構(gòu)的功能并取得與經(jīng)濟的協(xié)調(diào) ;4

21、.更好地解決構(gòu)造處理 ;5. 利用定量的計算進行抗震分忻 ;6.用概念來判斷計算的合理性?？陀^事物是多種多樣的,而且都是在不斷地變化，因此對不同的客觀事物有不同的概 念，隨著事物認識的不斷發(fā)展，概念也在不斷的發(fā)展變化，做好工程結(jié)構(gòu)概念設計，有著很重要的意義。 </p><p>　　結(jié)語：汶川大地震，玉樹大地震以及近年來全國各地頻發(fā)的一系列地震，對建筑物的抗震敲響了警鐘，建筑抗震必須再次引起我們的高度重視。本文對建

22、筑抗震的概念設計進行了研究分析。對建筑抗震概念設計的重要性進行了闡述并提出了一系列相應的措施。在提高結(jié)構(gòu)整體的抗震性能分析時，又融入了新的抗震設計思路，為工程設計人員在今后的工程設計中提供了一些思路，僅同行參考。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　【1】孫柏鋒 隔震結(jié)構(gòu)設計方法研究 昆明理工大學碩士學位論文 2007 </p