劉慧芝 李福來

摘要：在概念設計日益重要的今天，要求結構工程師應有深厚的基本理論基礎，并能不斷吸取先進設計思想。對自己的設計，應經常進行反思，要都精益求精。

關鍵詞：結構設計概念設計措施

0引言

在建筑設計中，概念設計至關重要。它反映了結構工程師的水平，下面就這個問題談談本人的看法。

1概念設計的重要性

概念設計是設計的關鍵，結構師任務是在特定的建筑空間中用整體概念來完成結構方案設計，并有意識地處理構件與結構、結構與結構的關系。概念設計做得好的結構師，其結構概念將隨他實踐的增長而越來越豐富，設計成果也越來越創(chuàng)新、完善。但是，隨著社會發(fā)展大部分結構工程師只依賴規(guī)范、設計手冊、計算機做設計，缺乏創(chuàng)新，甚至拒絕對新技術采納。

概念設計重要，主要因為結構設計理論與計算理論存在許多缺陷，比如對混凝土結構設計，內力計算是基于彈性理論計算方法，而截面設計卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設計方法，這使計算結果與結構的實際受力狀態(tài)差之甚遠，為了彌補這類缺陷，或者實現(xiàn)對實際存在的大量無法計算的結構構件設計，都需要概念設計與結構措施來滿足結構設計。同時計算機結果的高精度，往往給結構設計人員帶來對結構工作性能的誤解，結構工程師只有加強結構概念，才能比較客觀、真實地理解結構性能。

概念設計重要，還在于方案設計階段，初步設計過程是不能借助于計算機來實現(xiàn)的。這就需要結構師綜合運用其掌握概念，選擇效果最好、造價最低的方案，為此，需要工程師不斷地豐富自己的結構概念，了解各類結構的性能，并能有意識地運用它們。

2協(xié)同工作與結構體系

協(xié)同工作的概念廣泛存在于設計中，我們均不希望其在未達設計壽命時，某些部件出現(xiàn)破壞。對于建筑結構，協(xié)同工作的概念是要求結構內部各構件相互配合，共同工作。這不僅要求結構構件在承載能力極限狀態(tài)能共同受力，協(xié)同工作，同時達到極限狀態(tài)，還要有相同的耐久性。結構協(xié)同工作表現(xiàn)在基礎與上部結構的關系上，必須視基礎與上部結構為～個有機整體，不能把兩者分開處理。如磚混結構，必須依靠圈梁和構造柱將上部結構與基礎連成整體，而不能單純依靠基礎剛度來抵御不均勻沉降，所有圈梁和構造柱設置，必須圍繞這個中心。

協(xié)同工作還在于當結構受力時，結構中各構件能同時達到較高的應力水平。在多高層結構設計時，應盡量避免短柱，其目的是使同層各柱在相同水平位移時，能同時達到最大承載能力，但隨著建筑物高度不斷增大，巨大的豎向和水平荷載使底層柱截面越來越大，從而造成高層建筑底部數(shù)層出現(xiàn)大量短柱，為了避免這種現(xiàn)象，對大截面柱，可以通過對柱截面開豎槽，使矩形柱成為田形柱，來增大長細比，避免短柱出現(xiàn)，這樣就使同層抗側力結構在相近的水平位移下，達到最大水平承載力：而對于梁的跨高比，長、短梁在同一榀框架中并存，也是不利的，短跨梁在水平力作用下，剪力很大，梁端正、負彎矩也很大，萁配筋由水平力決定，豎向荷載基本不起作用，甚至梁端正彎矩鋼筋會出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，同時梁剪力增大，使柱的軸力增大，這是不符合協(xié)同工作原。多高層結構設計目的是抵抗水平力作用，防止扭轉，為有效的抵抗水平力作用，平面上兩個正交方向的尺寸宜盡量接近，保證這兩個方向上慣性矩相等，防止一個方向強度太大，另一方向較弱，因此，抗側力結構(柱、剪力墻)宜設置在四周，以增大整體抗側剛度及抗扭慣性矩，并加大梁或樓層的剛度，使柱或剪力墻能承擔較大整體彎矩。防止扭轉是因在扭轉發(fā)生時，各柱節(jié)點水平位移不等，距扭轉中心較遠的角柱剪力很大，中柱剪力較小，破壞由外向里。為防止扭轉，抗側力結構應對稱布置，宜設在結構兩端，緊靠四周設置，以增大抗扭慣性矩。因此，高層建筑中，盡管角柱軸壓比較小，但其在抗扭過程中作用很大；在水平力作用下，角柱軸力變化幅度很大，這樣勢必要求角柱有較大變形能力。由于角柱上述作用，角柱設計時在承載力和變形能力上都應有較多考慮，如加大配箍，采用密排箍筋柱等。

在高層建筑結構設計中，柱軸壓比的限值結構師面臨的實際問題，隨著建筑高度增加，結構下部柱截面增大，而柱縱向鋼筋卻為構造配筋，即使用高強混凝土柱截面也不會明顯降低。實際上，柱的軸壓比大小，反映柱的塑性變形能力，而柱變形能力影響結構的延性?；炷粱纠碚撝赋觯夯炷翗嫾膹澢冃文芰χ饕Q于截面相對受壓區(qū)高度和受壓區(qū)邊緣混凝土的極限變形能力。相對受壓區(qū)高度取決于軸壓比、配筋等，混凝土極限變形能力取決于箍筋的約束程度。為了增大柱在地震作用下的變形能力，控制柱的軸壓比和改善配箍有同樣的意義。

3協(xié)同工作與材料利用率

協(xié)同工作設計，還在于對材料的充分利用。一般來講，材料利用率越高，該結構的協(xié)同工作程度也越高，結構設計應是花最少的錢，做最好的建筑，這要求設計時材料要充分利用。矩形截面梁是最普通的受彎構件，其材料利用率很低，一是靠近中和軸材料應力水平低，另二是梁的彎矩沿梁長是變化的，這對等截面梁來說，大部分區(qū)段，即使是拉、壓邊緣，其應力水平均較低。針對梁的受力特點，結構概念分析，是因梁截面存在應變梯度，只有構件是軸心受力時，材料利用率才可能增大，于是就出現(xiàn)了平面桁架，桁架上弦相應于梁的受壓邊，下弦相應于受拉鋼筋。規(guī)則桁架中腹桿受力(拉、壓)與梁中主拉、壓應力方向～致，根據(jù)上述分析，還可以將桁架設計為與彎矩圖相似的形狀，從而使桁架的弦桿受力均勻。

單純增大截面是下策，特別是上弦桿，應努力增加其平面外的剛度，提供平面外約束，如果平面外支撐再連接成桁架，就使平面桁架變?yōu)槠矫娼徊骅旒埽詈蟪蔀榭臻g網架?？臻g網架材料利用率高，應力水平高，故在大跨度、大空間結構中廣泛使用，但網架結構中仍然存在壓桿，壓桿應力水平不可能太高，這樣高強材料就不能使用。因此，努力減少結構中的壓桿，我們找到懸索結構，懸索結構中所有“桿件”均為拉桿，這樣使懸索結構中桿件的應力水平極高，材料利用率極大，高強材料得以充分利用。因而在超大跨度結構中，懸索結構是首選結構類型。

目前廣泛使用的鋼一混凝土結構，是將鋼結構與混凝土結構相互取長補短形成的一種新型結構形成。尤其是鋼管混凝土，更將這兩種材料有機地結合起來，實現(xiàn)了結構材料的又一次革命。鋼管混凝土的原理有二：①借助鋼管對核心混凝土的約束，使核心混凝土有更高強度和變形能力；②核心混凝土又對鋼管壁的穩(wěn)定提供了有效可靠支撐。鋼管混凝土的極限承載力遠大于鋼管和核心混凝土兩者的承載力之和，這是鋼材與混凝土的又一次理想結合。它的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)意義上的受壓破壞特征由脆性變?yōu)檠有?，對結構抗震的延性設計意義巨大。

在結構設計中，只有當構件越多處于軸心受力狀態(tài)，其材料利用率才高，經濟性越好。對框架結構，豎向荷載作用下，框架柱宜處于小偏心受壓，若大量柱處于大偏心受壓，則該結構方案的經濟性一般不好，故對非地震區(qū)的框架結構，其框架柱應優(yōu)先設計為小偏心受壓：在地震作用下，大部分柱可能處于大偏心受壓狀態(tài)，截面設計時，大量柱配筋僅僅是為萬一發(fā)生地震，這些鋼材在不發(fā)生地震時，將不起作用。為避免這樣，應設法加強結構整體性；另對柱設計，可將整個樓層面柱設計為多肢柱，使多肢柱的桿件都能處于軸心受力狀態(tài)。

在概念設計日益重要的今天，要求結構工程師應有深厚的基本理論基礎，并能不斷吸取先進設計思想。對自己的設計，應經常進行反思，要都精益求精。