概念設計及結構措施在建筑結構設計中的應用策略

李樹昌

【摘要】當今結構計算有其局限性，結構工程師在實際的結構設計中，不應完全依賴于軟件計算結果，而忽視了對結構整體以及細部的加強。應用概念設計作為常規建筑工程的設計方法，輕計算精度、重結構概念，從方案階段開始到施工圖階段，均采用概念設計的理念來指導設計，是決定結構抗震性能的重要因素。

【關鍵詞】結構設計;概念設計;結構布置

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

現代的結構工程師，都聽說過概念設計這個詞。概念設計，理應是結構設計的精髓。然而很多同行并不清楚什么是概念設計、并未對概念設計予以應有的重視，以及不清楚怎么將概念設計應用到日常的結構設計工作中，導致結構設計過于按部就班、死扣規范，嚴格按結構模型計算結果進行配筋而未從概念上對結構整體、細部進行把控、加強，導致設計出來的結構反而容易存在安全性不足的問題。故在此淺談結構概念設計及從概念設計的理念出發可以采取的一些結構措施。

1、什么是概念設計

應當認識到，當今工程界并未對概念設計提出一個特別明確、單一的定義。一般而言，概念設計是指結構工程師應用自己的專業知識、對規范的理解、過往的工程經驗等能力，從宏觀上解決結構設計中的基本問題、決定結構設計中的基本措施的過程。

事實上，概念設計的內容很廣泛，結構工程師一般最為重視的、最能影響結構安全以及體現結構工程師功力的，是建筑抗震概念設計。關于抗震概念設計，我國現行規范GB50011-2010《建筑抗震設計規范》第2.1.9條有明確定義：抗震概念設計，是根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程。而細部構造，往往指的是抗震構造措施，即根據抗震概念設計原則，一般不需計算而對結構和非結構各部分必須采取的各種細部要求。結構設計采取的各種抗震構造措施，其實是抗震概念設計的精華之一。通過抗震概念設計，目的是實現抗震設防的三個水準目標，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”的某種具體化。

概念設計，不僅有涉及到抗震設計的基本概念，也有涉及其他設計的概念，如主樓與裙樓的抗沉降差異設計、超長結構的抗溫度應力設計等，均屬于概念設計的范疇。其共同的核心關鍵，都是要有相關“概念”，建立了概念，才能有概念設計能力的形成。而概念設計的對象，也不單只針對工程整體，如結構平面布置、結構體系的選擇等，也包括細部結構構件與節點，如強剪弱彎的調整、二道防線的基本構造要求等。

概念設計的范圍如此廣泛，包羅萬有，要掌握概念設計的方法并將其熟練應用于各工程的實際設計工作，絕非易事。故需要從主觀上重視概念設計。

2、為什么要進行概念設計

為什么要進行抗震概念設計？事實上，雖然當今科技水平日益發達，但對于地震的預測尚難以實現。實際的地震作用具有其不可預知性，震源深度、工程與震中的距離、地震作用的方向、傳播地震波的地質條件、震級大小等，都會影響到建筑結構的地震響應，這些因素本身的不同加上因素之間的各種組合，所產生的地震作用是無法簡單通過幾條地震波、各種簡化或“精確”的地震作用方法所能計算清楚的，因而，采用抗震概念設計方法，對結構進行整體以及關鍵構件、關鍵節點的加強，對于確保結構在地震中的安全，實現抗震設防的三個水準目標，是十分必要的。對于個別復雜的結構，則需要通過性能化設計，來實現抗震設防的目標。國內外歷次大地震的震害經驗已經充分說明，抗震概念設計是決定結構抗震性能的重要因素。

與地震作用類似，溫度應力也是難以通過計算得到準確計算結果的外部作用。除了通過計算公式進行抗溫度應力計算，對超強結構進行整體配筋加強外，還應重視概念設計，注意把握結構受溫度作用影響較大的關鍵部位，如平面的遠端、有效樓板寬度較小的部位等，以及溫度作用下受力關鍵構件，如框架柱、剪力墻等豎向構件，正確采取加強結構構造措施，與計算結果結合進行結構的抗溫度應力設計，方能確保溫度應力帶來的結構開裂等問題處于可控及可以接受的范圍，確保結構的正常使用不受影響。

3、當今概念設計應用所存在的問題

3.1 概念設計并未引起應有的重視，流于表面

建筑結構設計行業的發展速度不斷加快，與之相匹配的是結構設計軟件的普及以及推陳出新、迅速迭代，大到SAP2000、Midas、盈建科、PKPM等有限元軟件及整體計算軟件，小到理正結構工具箱等局部構件的計算工具，為當代結構工程師的工作減輕了負擔，也提高了工作效率。然而隨之帶來的是越來越多的結構工程師存在結構概念的缺失、過度依賴軟件計算結果、缺乏手算能力等問題，這與當前強調概念設計的方向是相悖的。一方面，結構計算軟件存在其局限性，無法準確模擬實際工程，尤其對于不規則的結構，其計算結果的可信程度并非絕對。另一方面，軟件的計算模型所依賴的程序假定與結構的實際受力情況不一定完全相符，如果將軟件計算結果作為判斷結構設計方案是否合理、結構是否安全的唯一標準。結構的計算結果，應當是作為對結構概念設計的量化與驗證的一個指標，利用概念設計對計算結果進行分析判斷是保證結構設計合理、安全的必要手段。

3.2 不知從何入手進行概念設計

有些結構工程師對于概念設計的重要性有一定的了解，但是由于自身未掌握相關工程概念，專業知識不夠扎實，或者設計經驗較少、實際處理工程問題較少，未能真正應用概念設計來指導自身的設計工作，心有余而力不足，久而久之，也就落入了唯計算結果為準的圈子，概念設計也就無從談起。

4、概念設計的重點問題

以結構工程師最為關注的抗震概念設計而言，應重點把握的問題主要有：

4.1 結構體系的選擇

結構體系，是決定結構安全的最重要因素，應注意結構體系的合理性問題，優先選用抗震能力強、延性好、耗能能力強、便于施工的、具有多道防線的結構體系，如采用設置耗能連梁的抗震墻結構、框架-抗震墻、框架-筒體結構等。避免采用抗震能力較低的板柱-抗震墻結構、單跨框架結構等。

4.2 結構布置的合理性

結構設計應重視結構的平面布置，結構的平面、豎向規則性問題。概念清晰、傳力路徑明確的結構布置，應使質量分布、結構剛度均勻，減少質量與剛度之間的偏心，有利于防止個別薄弱位置在地震中過早破壞與倒塌，視地震作用能在各子結構之間重分布，整個結構能很好地協同工作，發揮結構的耗能作用，避免結構的連續倒塌。

4.3 把握結構的關鍵構件、關鍵節點

應對結構在地震作用中的薄弱位置、關鍵構件、重要節點等做到概念清晰，并對于其加強設計的方法靈活應用。如對于長懸臂梁，應重視豎向地震作用的計算，并考慮其未有多余約束，應對計算結果進行一定程度的放大。為實現“強剪弱彎、強柱弱梁、強節點弱桿件及強柱根”的設計理念，抗震規范中的各種內力系數調整均能有所體現。

5、概念設計及結構措施在建筑結構設計中的應用策略

對于概念設計有了一定認識、并了解其重點問題后，如何將其落到實處，應用到工程中具體的方方面面？對此，筆者根據自身的設計經驗，對于實際工程中應用概念設計來具體處理問題的方法、采取的結構措施進行舉例說明，也作為多年設計工作的個別總結。

5.1 變形縫的設置

對于常規的建筑平面，為滿足建筑使用要求、減少分縫處理難度等，通常建議不設置變形縫。此外，對一些建筑進行設縫，則能讓結構變得更加合理。

如對于一些L形平面的建筑，邊角部位的扭轉位移比、層間位移角可能較大，結構計算指標的調整困難時，可通過設置變形縫，將之分成兩個矩形部分，從而降低結構設計的難度，同時減少一項平面不規則（凹凸不規則項），使結構更加規則、合理。

而對于一些超長建筑，在合理的間距設置伸縮縫，將建筑物分為若干尺度較小的結構單元，使建筑物或構筑物可在長度方向上做水平伸縮，可以減小由于溫差（早期水化熱或使用期季節溫差）和體積變化（施工期或使用早期的混凝土收縮）等間接作用效應積累的影響，從而避免引起較大的約束應力和開裂。由于基礎部分一般埋在地表以下，受溫度變化引起的間接效應影響較小，伸縮縫在基礎部分可不分開，也是抗溫度應力概念設計的一種體現。

對于建筑可能存在沉降差過大的位置，設置沉降縫，將建筑分為沉降均勻的單元，可以避免由于沉降差異帶來的結構開裂、傾斜等影響結構安全的問題。沉降縫應設置在怎樣的位置？此處對于建筑可能存在較大沉降差異的部位需有相關概念，方能進行抗沉降差異的概念設計。通常，設置沉降縫的位置可考慮于建筑物的結構類型不同處、基礎類型不同處、高度差異或荷載差異明顯不同處、地基土壓縮性有顯著差異處等。

5.2 二道防線的設計要求

布置有抗震剪力墻的結構的抗震性能要好于純框架結構，當結構高度接近規范中框架結構的適用高度限值時，如有條件設置部分剪力墻，應選用框架-剪力墻結構;框架-剪力墻結構是框架和剪力墻共同承擔豎向和水平作用的結構體系，布置適量的剪力墻是其基本特點，應使剪力墻承擔大部分水平作用產生的剪力。若剪力墻設置過多，使結構剛度過大，從而加大地震效應，對于結構而言也是不合理的?？砂丛谝幎ǖ乃搅ψ饔孟陆Y構底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值介于10%～80%來控制剪力墻的數量。為了發揮框架-剪力墻結構的優勢，應設計成雙向抗側力體系，且結構在兩個主軸方向的剛度和承載力不宜相差過大;抗震設計時，框架-剪力墻結構在結構兩個主軸方向均應布置剪力墻，以體現多道防線的要求。在水平地震作用下，由于剪力墻的剛度遠遠大于框架柱的剛度，由力矩分配法的力學概念可得，剛度越大所受到的力越大，所以剪力墻承擔更多的力，框架部分計算所得的剪力一般都較小。按多道防線的概念設計要求，墻體是第一道防線，在設防地震、罕遇地震下先于框架破壞，由于塑性內力重分布，框架部分按側向剛度分配的剪力會比多遇地震下加大，為保證作為第二道防線的框架具有一定的抗側力能力，規范對框架所能承擔的總剪力提出了最小要求，當計算得到的總剪力小于對應地震作用標準值的結構底層總剪力的0.2倍時，需要對框架承擔的剪力予以適當的調整，使框架部分滿足受力要求，以確保第二道防線能在中、大震時能起到預期的作用。

5.3 錯層構件的加強措施

公建設計時，時常會存在樓層標高變化導致錯層的情況。當錯層的樓層數較少時，可不按錯層結構考慮，但從概念設計的角度而言，錯層構件仍應按要求進行加強設計。

錯層附近的抗側力構件受力復雜，往往形成眾多應力集中的部位。錯層柱存在的主要問題，一是往往形成短柱，剪跨比過小，延性較差;而是柱高減小，其剛度較大，在水平作用下承受的剪力較大。純框架結構錯層更為不利，容易形成許多短柱與長柱混合的不規則體系，故錯層結構宜采用剪力墻或框架-剪力墻結構。錯層柱的加強措施，除對于其截面、混凝土等級、箍筋間距提出要求外，還應提高其抗震等級。在設防烈度地震作用下按性能設計時，錯層柱的截面承載力應能滿足第2性能水準的要求。

錯層處的剪力墻，應優先采用墻長與錯層水平傳力路徑同方向的剪力墻，避免將錯層處平面外受力的剪力墻作為主要水平受力構件。對于剪力墻的加強措施，主要是對其最小厚度提出較高要求，按不小于250mm控制;提高其抗震等級、降低其軸壓比限值，對于邊緣構件均按約束邊緣構件考慮，并對豎向及水平方向的分布筋配筋率進行加強，按不小于0.5%考慮。

總結：

概念設計，尤其是抗震概念設計，依托結構設計的基本理論、清晰的力學概念而存在，要求結構設計人員在學習和實踐中建立起正確的概念，運用正確的思考和判斷力，正確和全面地把握結構的整體性能，并依據對結構特性的正確把握，合理確定結構的總體布置與細部構造，確保結構具有良好的抗震性能。最后，結構工程師應當認識到，雖然我們重視抗震概念設計，但并不意味著要拒絕進行復雜結構設計，而是要求在處理復雜結構設計時思考：什么是結構設計的最佳選擇？為實現最佳選擇，還需要采取怎樣的措施？這樣，就能明確和展開概念設計實實在在的豐富內涵。

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