淺談結構概念設計的內容

摘 要：結構概念設計是工程設計的核心，是用系統的觀點對宏觀整體的布置進行綜合考慮，從安全性的角度講概念設計比計算機精確計算擁有更重要的作用，因此，在項目前期設計階段設計師選用優秀的概念處理結構選型、布置、剛度分布等以達到效果最優、成本最低的結構方案。因此，該文在介紹概念設計及常用結構比值的內容及意義，詳細論述整體協同工作體系所包含內容及周期比、位移比、層剛度比、剛重比、剪重比、軸壓比等指標的含義、應用，為結構設計師進行結構設計提供參考。

關鍵詞：概念設計 核心 整體協同 控制指標

中圖分類號：TU31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（b）-0223-02

1 概念設計的必要性

結構概念設計是用系統的觀點對宏觀整體的布置進行綜合考慮，著眼整體布局，正確處理結構總體方案、材料合理使用以及細部節點構造，以達到結構設計優化的目的[1]。對于一名合格的結構工程師來說，從安全性的角度講概念設計比計算機精確計算擁有更重要的作用；概念分析和判斷對提高結構計算的可靠性，改進設計質量有十分重要的作用[2]。

概念設計是工程設計的核心。一個設計項目的成敗絕大程度取決于概念設計的質量，是對整個階段中最重要也最困難的內容，其體現了設計人員對總體目標的洞察、駕馭，對整體項目的目標、約束條件及各種技術方法和方案的準確把握，以及綜合性、創造性思維的發揮水平及風格。在概念設計過程中，設計者需對存在的問題提出具體可行的思路，將工程科學理論及技術、實際工程積累的經驗融會貫通于每一環節，將概念設計與計算設計辯證統一的聯系起來，并運用二者的相互作用作出對于項目的關鍵性的選擇。

再者，概念設計重要性凸顯在前期設計階段，由于不能單純依靠計算軟件處理，需要設計師選用優秀的概念處理結構選型、布置、剛度分布等以達到效果最優、成本最低的結構方案，因此綜合設計階段全過程中都要不斷深入、從整體宏觀的角度中把握，突出解決主體的主要矛盾，深刻了解各個結構的抗震以及使用性能，在發揮主觀能動性的基礎上靈活運用解決實際問題，才能得到設計以及項目施工的成功[3]。

2 結構整體協同工作體系

結構協同工作是要求內部單元相互聯系，共同參與工作，不僅要求構件在承載力達到極限狀態時共同受力，受到地震或者偶發荷載情況下同時達到極限狀態，并且擁有近乎相同的使用壽命。協同工作不僅表現內部的細化構件，還表現在基礎與上部共同工作，處于統一的有機整體，不僅在分析設計階段也在實際工作中都不能將二者分開處理。

2.1 建筑結構的規則性

在結構設計中為了較好的使構件協同性能良好，一般均宜均勻的布置受力構件，使整體具有規則性，更有利于每一構件相互傳力直接，在我國規范也明確的做了詳細的規定例如：《抗規》[4]3.4.1條規定：建筑設計應根據抗震概念設計的要求明確建筑形體的規則性；3.4.2條：建筑設計應重視其平面、立面和豎向剖面的規則性對抗震性能及經濟合理性的影響，宜擇優選用規則的形體。同樣在高規中也有同樣的規整性要求，其目的主要是保證結構的對稱及剛度的均勻分布，構件傳力簡單有效，便于整體性的把握及對重要構件的加強。

2.2 合理的結構體系

結構設計中結構體系的選取是至關重要的，對于項目的安全性、適用性及經濟性有決定性的影響，因此要加以重視對待：

結合抗震規范中的要求有以下幾點。

（1）應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。

水平體系的梁板構件中，應盡量避免多次相互搭接，做到傳力明顯，主次突出，以最短的傳力途徑達到豎向墻、柱等構件；對于豎向體系的受壓力要上下均勻，不能有剛性突變或上下差別過大，避免側向剛度和承載力突變，從而導致變形不協調影響整體受力；其次要避免豎直方向的局部轉換，保持豎向荷載可以有效傳遞于基礎下部。

（2）應避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力。

結構設計中重要的一原則就是留有足夠的安全儲備，如遇罕見地震不至于主要受力構件破壞而導致整體倒塌，這就要求對于墻柱等豎向構件的設計有意識的適當加強，有效抵抗地震帶來的沖擊不至破壞，一部分構件即便因損壞退出工作也不影響結構的傳力，可以有必備的承載力。

（3）應具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力。

豎向、水平體系中能有良好的變形協調能力和足夠的延性，可以在出現塑性鉸后內力重分布均勻且不大于地震作用產生變形的總值。對于高層整體結構中，要首先發揮連梁和填充墻的耗能作用，保證其塑性鉸出現在梁端處，并在墻柱豎向構件發揮作用前可以有效工作。

2.3 剪力墻的布置規則

剪力墻的布置要依據概念設計以及計算結果，在綜合考慮整體性使其有足夠的安全性以及經濟合理性，盡量較少剪力墻的布置數量、長度，墻體邊緣構件含鋼量較小的布置方案，盡可能對稱分布以減小扭轉效應。現在總結大量經驗的基礎上舉例說明剪力墻布置的幾項主要要點。

（1）墻肢長度有效把握，布置宜雙向均勻對稱。

在建筑方案限制的條件下，全面考慮平面布局判斷剪力墻受力較有利位置，一般控制間距在6～8 m左右，使建筑布置更具有方便性、隨意性；由高規[5]7.1.2規定墻長不宜大于8 m，墻過長時可以采取用連梁將其均勻分段，形成多道抗震防線，并且不宜采用過多數量的短肢剪力墻。剪力墻在結構中受彎曲破壞，設計是要保證有足夠的安全儲備和良好的延性耗能能力，一般設計由墻肢軸壓比、剪跨比來加以控制，以滿足規范要求的限額。剪力墻在結構平面的布置應相互對稱，雙向均勻分布，墻長差別不宜過大，在發揮作用可以有效抵抗地震以及水平風荷載，共同達到極限承載力。

（2）加強建筑四周角部，相對減小中間。

布置在建筑物四周角部的墻肢可以有效降低結構扭轉效應，對結構安全性最有利，在建筑中間布置的墻體發揮的作用遠小于其外圍或角部。這樣可以使結構的剛心與質心最大限度的相近，有利于減弱結構的扭轉效應，提高整體效應。

（3）多布置雙向墻肢，少采用異性墻。

剪力墻的截面形式種類較多，但是綜合受力性能較好的多為L、T或者Z型，盡量少選取一字型和異性復雜的墻肢，這主要因為當出現較多連續轉折或墻垛時，墻體的邊緣構件、暗柱的受力集中造成配筋加大，很難控制其合理受力性能，為了提高結構的安全保障，規范對剪力墻轉折及端頭處的邊緣構件做了嚴格的要求。XY雙向墻肢連為完整的抗側力體系可以加強整體的抗側剛度，剛度要比較均勻，變形特性不宜太大，較好的滿足規范對層間變形的限制，有較好抗震、抗風性能。

（4）沿建筑高度方向的墻體厚度變化均勻。

抗側力構件的側向剛度沿豎向一般要變化均勻，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小[5]。對于高層建筑的底部加強區的墻厚要控制在一定合理范圍，加強區的配筋及混凝土等級要在合理的區間內，不宜過大、過小。對于上部結構的墻肢由軸壓比等控制墻厚，一般以200 mm較為普遍，上下部的墻體厚度變化要均勻過度，差值不宜大于50 mm，使之剛度分布均勻。軸壓比以接近規范限值為宜，使墻體布置接近合理，有效利用墻體的承載力，發揮墻體材料的效率。

3 結構性能控制指標

我國規范對于高層建筑的整體性能指標的控制均作出了多項規定，但主要的有：周期比、位移比、層剛度比、剛重比、剪重比、軸壓比等，以下簡單介紹。

3.1 周期比

周期比是有效限制結構在地震影響下的扭轉作用，實際反映整體結構的扭轉剛度與側向剛度的比例關系，也是反映抗側力構件的合理、作用明顯的指標，使結構布置合理、剛度均勻，減小出現明顯的扭轉破壞。高規[5]3.4.5對A級高度的建設項目作出控制周期比為0.9，其計算方法是以扭轉為主的第一自振周期Tt同平動為主的第一周期T1的比值，因此也被稱為扭平比；前兩個周期宜為平動，第三周期宜為扭轉，其目的也是為了較好控制扭轉效應。當計算比值超限，說明扭轉剛度較小，不滿足提供足夠的扭轉能力，最有效的解決方式是在建筑四周加強剪力墻，提高建筑外圍剛度，削弱中部豎向構件數量，增加平動周期，從而減小扭轉周期比值。在地震的作用下與建筑的自振周期的動力特征關系緊密，與建筑的質量及剛度有關，結構的基本周期的計算方法一般用力學模型，對較為規則的建筑來說其周期可近似以下公式：

框架-剪力墻結構

T=（0.06—0.08）×N （1）

剪力墻結構

T=（0.05—0.06）×N （2）

其中：N為建筑物總樓層數

3.2 位移比

位移比指標主要是反映結構的平面布局的規則性，使結構的抗側力體系布置更明顯有效，作用類似于周期比。在高規[5]3.4.5中規定考慮偶然偏心的水平地震作用下，豎向構件的最大水平位移及層間位移，A級高度同本樓層位移的平均值比值不宜大于1.2，不應大于1.5；在計算位移比時要考慮到剛性樓板假定，保證樓板面內的整體剛度，高規5.1.5節中有相應的要求。計算完成后滿足規范限值的情況下，要將其樓板假定為普通樓板以準確計算配筋值。當位移比超過規范限值時，一般可以加強其樓層豎向構件的側向剛度來解決。

3.3 層剛度比

側向層剛度比主要作用是保證其可以沿高度的增加平穩變化，判斷結構的豎向規則性，控制整體不出現薄弱層。在高規[5]3.5.2中規定了框剪、剪力墻結構中相鄰高度的側向剛度比值的計算為式（3），同上層的比值宜大于0.9；當層高較相鄰層高度的1.5倍的情況下，其大小宜大于1.1。

（3）

其中：γ2為考慮層高修正的樓層側向剛度比。

3.4 剛重比

其含義是建筑的樓層側向的剛度同該層重力荷載的比值，主要為了滿足整體穩定性的驗算，同時也是重力P-Δ效應的影響參數，其計算公式見（4）。

剛重比 （4）

為第i層的彈性側向剛度，可取層剪力與層間位移的比值；

為第i樓層的層高；

為第i樓層重力荷載設計值。

計算該數值的作用最明顯的是看高層側向的剛度與重力垂直剛度的比例關系，當其計算比值過大，說明側向剛度過大，可能豎向構件布置過多，會出現浪費經濟性差的現象；相反，當其比值過小，說明結構過柔，從而在水平風、地震荷載的作用下，重力荷載會產生較大的二階效應，較容易發生整體建筑的失穩或者倒塌破壞，因此要引以為戒。剛重比的限值在高規[5]5.4.1及5.4.4中均做了規定，當滿足2.7的上限值時，可以不考慮P-Δ效應，否則應考慮其作用，并且加強側向墻、柱構件，改變結構布置的方式提高整體性來解決。

3.5 剪重比

其含義是任一樓層水平地震剪力同該樓層及以上各層重力荷載代表值的比值，一般指底層水平剪力與結構總重力荷載代表值之比。實際反應抵抗地震的性能，和有效質量系數有關（規范要求滿足≥90%），規定每一樓層所能承受的最小水平剪力用以提高結構的安全性。當剪重比過小時，說明結構整體性差，剛度偏柔，存在薄弱部位，需要加強豎向剪力墻、柱等結構布置的剛度或調整地震總剪力；當其比值過大時，說明有明顯的浪費經濟性較差，一般采取減小周期折減系數或提高全樓地震放大系數，加強地震水平作用。

3.6 軸壓比

軸壓比限值是在豎向軸力的設計值與其截面面積同混凝土軸心抗壓強度乘積的比值，為了控制偏小受拉構件預先達到受拉強度，使墻柱豎向構件有較好的延性和較多的安全儲備，保證墻體的變形協調、承受荷載的能力。抗震設計的目的是使剪力墻最終以彎曲變形的大偏心受壓為破壞形式，使墻體有高性能的剛度及延性。設計中箍筋可以有效的聯系縱向受力筋形成整體，提高整體抗壓能力，并對混凝土軸心受壓變形有較好的限制。當軸壓比大于規范的數值時，可以加大墻肢、柱的截面或加強混凝土等級的方式解決，以下給出軸壓比的計算公式：

豎向構件的軸壓比公式：

（5）

其中：N為豎向荷載產生的軸壓力；

fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；

A為墻、柱截面面積。

4 結語

結構設計首要任務是實現建筑安全性的需求，保證其足夠的剛度，滿足規范及建筑各項要求。結構安全是生命攸關的大事，我國規范有明確的各項指標限制，結構設計應避免薄弱環節，確保理論計算與實際情況相吻合，并能使內部各構件具有同樣的可靠度。因此應在充分運用結構概念設計的基礎上，既保證結構達到安全設防水準，同時還能最大程度地滿足建筑布局的要求，又節省工程造價，這才是在實際應用中的重要所在。

參考文獻

[1]李國勝.多高層鋼筋混凝土結構優化設計與合理構造[M].中國建筑工業出版社，2012.

[2]蔣啟平.工程結構優化設計的新方法[J].工業建筑，2001，31（3）：23-25.

[3]周獻祥.結構設計筆記[M].北京：知識產權出版社，2013.

[4]中華人民共和國國家標準.建筑抗震設計規范[S].中國建筑工業出版社，2010.

[5]中華人民共和國行業標準.高層建筑混凝土結構技術規程[S].中國建筑工業出版社，2010.