结构设计中的概念与思路

　　关键词：概念设计；地基处理；抗震性能
　　在计算机软件日新月异的发展过程中，对结构设计人员来说无疑很大地简化了很多计算的过程，但是建筑结构计算是以概念设计为基础的，计算软件只是辅助工具，所以在建模处理和图形修改的过程中无时无刻不在体现一个设计人员的主观思路和人为的构造措施，在建筑初期的结构概念设计和建筑后期的构造处理显得尤为重要。在历次地震的震后调查表明，概念设计已是不可忽视的重点。笔者认为在一般的结构工程设计时应做到以下几点：
　　1布局合理
　　（1）任何一个结构体系基本上都是由水平分体系和垂直分体系组成，水平分体系承受水平荷载，并把荷载传至竖向分体系，并且保证其截面的几何形状。
　　（2）要求竖向分体系将恒载及水平剪力传至基础，并且竖向分体系必须联系在一起，以便获得最好的抗弯和抗压屈能力。
　　（3）水平分体系不只是承受水平荷载，它们把竖向分体系联系在一起，还能起到防止竖向分体系局部压屈的作用，并减小竖向分体系的局部弯曲长度，提高其总的承载力。与建筑物的总高度相比，竖向分体系在一个方面或二个方向的尺寸通常是很小，因此它们本身并不稳定，必须由水平结构来保持其稳定位置，为了能承受作用在水平分体系之间房屋表面的水平作用并能承受各楼层传来的轴向压力而不致发生压屈，要求竖向分体系必须具有局部刚度，所以竖向分体系的厚度主要取决于水平分体系之间距离，而与建筑的总高度关系不关。
　　2刚度均匀
　　不论是水平分体系还是竖向分体系都应有均匀的刚度，因为不论从总体还是从局部来说均匀的刚度对建筑物具有重要的作用。
　　（1）楼板是水平分体系中重要组成部分，如果在楼板上开洞过于集中或开洞位置不对称，或者局部楼板错层，都会造成水平分体系的刚度突度，给结构的安全带来稳患，当采用刚性楼板假定计算结构的受力时，这点显得尤为重要。
　　（2）梁在整个结构体系中不仅承受了由板传来的荷载，同时在抵抗地震力作用时也是竖向分体系（墙、柱）在各层处的支点。梁的高度不同时，结构的整体刚度也是不同的。梁自身的刚度，会对梁柱交接节点的刚度产生影响。梁的刚度不宜过大，也不宜过小。梁的位置不同时，梁的刚度对结构体系的而贡献也不同，其中表现最为明显的是，建筑物外墙窗顶的梁断面会对结构体系的抗扭刚度产生一定的影响。如果结构体系的抗扭刚度不够时，可以适当增大沿外墙一圈的梁的截面来调整。
　　（3）剪力墙和柱是竖向分体系的重要组成部分，如果剪力墙和柱在X轴和Y轴两个方向布置不均匀，不对称，局部过密或局部过少也会造成结构刚度的不均匀，这对竖向分体系在抗震时是十分不利的。在布置剪力墙时，应力求连续，均匀，对称，周边(墙在周边，角部多布置一些，中间少布置或者不布置)。贝聿铭设计的香港中银大厦竖向构件全部在边角，中间的空间很大。这种竖向构件的布置方式和竹子的结构有些类似。中银大厦的最高脊柱将整个建筑的重量分到四个角上，脊柱每到一个交会处就将重量分散到四周的分柱上，通过把重力引向外部，本来要用来重复横向加固的钢材现在可以纵向运用了，整个结构可以不使用任何内部支撑物。大楼所有的重量经由立体与并面的对角线传达到四个角柱。过多的侧撑钢材则改用到向上的结构。这栋建筑比传统的大楼节省了40%的钢材与四分之一的焊接点。因为用三角形的关系，在钢筋方面差不多省了一半。在抵抗地震和风荷载时，建筑物的重量越是分布在周边，结构的稳定性越好。就像一个人的两条腿分开时比合拢时站的要稳一些。在框架剪力墙结构中，框架柱应能够同时满足《高规》8.13条“柱倾覆弯矩百分比”和8.14条“框架柱地震剪力百分比”，在调整计算模型时通常比较费时，笔者的经验就是框架柱在每隔3层时截面就相应减小50mm或者100mm，这样布置以后，计算结果往往容易通过。
　　（4）在结构总体布局上尽量满足《建筑抗震设计规范2008版》第8页3.4节的要求，避免出现不规则的结构体系。
　　3良好的抗震性能
　　（1）水平分体系和竖向分体系都应有明确的受力传递，避免因部分或局部结构构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。
　　（2）结构在X轴和Y轴方向的动力特性宜相近，也就是指地震力在X轴或Y轴的周期、阻尼、位移、振型宜相近。
　　（3）抗震不只是要求承载力，还要求结构具有吸收地震波能量的能力（或称延性），如果一幢建筑物的水平位移能达到设防烈度地震作用下预计水平位移的好几倍，而仍能保持承受竖向荷载的能力，那么它一定能吸收比设防烈度更大的地震能量，如果具有这样的延性，即使建筑物局部发生严重破坏，仍能避免倒塌。
　　4合理的基础选型
　　基础是建筑物和地基之间的连接体。基础把建筑物竖向体系传来的荷载传给地基。从平面上看，竖向结构体系（柱、墙）将荷载集中于点、线，但作为最终支承结构的地基，提供的是一种分布的承载能力。
　　如果地基的承载力足够，则基础的分布方式可与竖向结构的分布方式相同。但有时由于土或荷载的条件，需要采用满铺的筏形基础。筏形基础有扩大地基接触面的优点，但与独立基础相比，它的造价通常要高的多，因此只在必要时才使用。不论哪一种情况，基础的概念都是把集中荷载分散到地基上，使荷载不超过地基的长期承载能力。因此分散的程度与地基的承载能力成反比，所以当一个设计师在确定基础形式的时候首先需要考虑上部建筑物的结构形式，比如框架结构通常为独基，砖混或剪力墙结构则选用条形基础，高层则用桩基较多，如果带有地下室通常则选用筏板基础。其次还要从经济角度考虑选型的可行性，比如一个建筑物地质条件很不好，选用独基可能会加大地基处理的费用，那么此时设计师就应考虑与地基接触面积比较大的条形基础或筏形基础了。在不能确定基础形式的情况下，有时还要通工程概算的方法确定选用哪一种基础形式更加合理。
　　5准确地确定地基承载力，避免不均匀沉降
　　由于各个地区的场地，地质条件变化很大，因此确定一个准确的地基承载力是一个非常复杂、非常困难的问题。有时在一个建筑物范围内的地基都会是不均匀的，而且基础底面不同深度处在土层的情况也会随深度不同而发生变化，同一土层则会在不同的时间因为相邻土层的变化而发生变化。所以设计师在确定地基承载力的时候一定要“慎之又慎”。我们通常在设计之前都要请专业的“岩土工程师”通过现场钻孔，取得土样进行试验，从而得出地基的各种特性指标。
　　虽然承载值反映土的强度，而实际上主要目的是要限制整个结构的沉降值，并且避免任何不均匀沉降或构件侧移。如果由于某种原因建筑物不可避免地要产生较大的沉降，比如几十公分，但如果沉降是均匀的，并且已为此采取了措施，那么这样的沉降也不会造成危害。但如果一旦发生结构各部分之间的不均匀沉降则会产生严重的问题。例如一侧沉降多，另一侧沉降少，像比萨斜塔那样。还有一种可能是原有结构早已沉降，新建或扩建的建筑物可能会相对原有结构物发生沉降。
　　在实际中，很多工程事故都是由于地基处理不当造成的，比如上海莲花河畔景苑倒楼事件。所以设计师在对待这个问题时要格外注意。一旦出了问题，将会带来世大的经济损失。
　　6恰当的构造处理
　　当一个结构工程师在确定好方案，并通过计算开始准备施工图时，他所要注意的应该是结构的构造处理是否恰当。
　　任何构造设计必须有理论依据，还应满足施工的可行性和合理性以确保可靠的施工质量，当然构造处理带有很大的主观性，这就要求结构工程师能够充分领会规范的思想、精神、经验和方法，对不同工程能结构实际情况能作出合理的构造处理。笔者举以下两个例子：
　　（1）在一般情况下，悬挑梁宜做成等截面，尤其当挑出长度较短时，与挑板不同，挑梁的自重占总荷载的比例很小，做成变截面不能有效地减轻自重，而且变哉面挑梁的箍筋每个都不一样，会给施工带来很大的麻烦，同时变截面梁的挠度也大于等截面梁。不过，如果大的挑梁外露时，适当变截面会更加美观一些。
　　（2）现浇阳台栏板，从施工条件来讲，当布单排筋时，板厚应大于80，双排筋时应大120。因为振捣棒最小为30，布单排筋时，板厚如为60，双向钢筋直径如为8+6，则钢筋两这仅剩23，无法振捣。
　　（3）剪力墙结构在计算时有的连梁往往超筋，为了解决这个问题在构造上可以采用双连梁的措施。比如连梁尺寸为200x400超筋，改用400x400后不超筋，后者在施工时采用双连梁的构造措施，用两个200x400的连梁来连接端部的剪力墙，但是这两个连梁的底部和顶部在施工时用油毡隔开。
　　以上几点是笔者对结构设计中应注意的概念与思路，在工程设计实践之中的一些体会，结构设计的成改取决于有无良好的概念设计。“概念清楚，传力明确，计算严谨，作业认真”是做好结构设计的必要条件，每一位工程师对待不同的工程都会有自己的理解和体会，在此笔者将把自己的体会简要写出，希望对读者有一定的帮助，同时与广大同行朋友一起探讨、交流。
　　参考文献
　　[1]建筑抗震设计规范2008年版中国建筑工业出版社2008北京
　　[2]贝聿铭/张克荣编著（华人纵横天下）北京现代出版社2004北