概念設計在結構設計中的應用

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[摘要] 概念設計就是從結構總體方案設計一開始，就運用人們對建筑結構抗震己有的正確知識去處理好結構設計中將遇到的問題，諸如:房屋體形、結構體系、剛度分布、構件延性等等。本 論文 結合工作實踐，針對框—剪結構這一應用極為廣泛的結構形式，對概念設計在框—剪結構設計中的應用進行了探討。? 

  [關健詞]概念設計 結構設計 框—剪結構    一、概念設計的涵義    概念設計就是從結構總體方案設計一開始，就運用人們對建筑結構抗震已有的正確知識去處理好結構設計中將遇到的問題，諸如:房屋體形、結構體系、剛度分布、構件延性等等。從宏觀原則上進行評價、鑒別、選擇等處理，再輔以必要的 計算 和構造措施。從而消除建筑物抗震的薄弱環(huán)節(jié)，以達到合理抗震設計的目的。也就是說概念設計是工程師運用思維和判斷力，根據從大量震害經驗得出的結構抗震原則，從宏觀上確定結構設計中的基本問題。因此，工程師必須從主體上了解結構抗震特點，振動中結構的受力特征，抓住要點，突出主要矛盾，用正確的概念來指導概念設計，才會獲得成功。由于概念設計包括的范圍極廣，因此不僅僅要分析總體方案確定的原則，還要顧及非材料的正確使用和關鍵部位的細部構造。但是首先和最重要的還是結構總體概念設計、材料選型和細部構造等問題，這些設計原則和結構概念中，較為重要的是結構總體設計。    二、結構總體設計的注意要點    1.延性耗能    在建筑結構的整體設計上要注意加強薄弱環(huán)節(jié)，盡量做到等強度。同時，應使建筑結構在一個恰當?shù)牟课荒芟拇罅康哪芰浚诰唧w設計中即為各式各樣的梁，如框架梁、聯(lián)肢墻的連肢梁等。結構延性一般用延性系數(shù)表示，它表示的是結構極限變形(位移、轉角、曲率)與屈服變形的比值，也可以分別用位移延性系數(shù)，轉角延性系數(shù)等來表示，該比值越大，結構的延性越好。在設計上為提高鋼筋混凝土梁的延性，一般采取以下措施:(1)首先應選取合適的梁截面尺寸，以獲得合適的配筋率，避免梁受拉筋過多或出現(xiàn)超筋。因此，對地震區(qū)梁的配筋率要大大低于一般梁的最高配筋率。(2)梁上部(跨中)和下部(端部)配置適量的受壓筋。(3)提高梁混凝土強度等級，采用中低級鋼筋對延性有利。(4)T形梁比矩形梁延性好。(5)注意加密箍筋。地震區(qū)鋼筋混凝土梁的位移延性系數(shù)一般要求不得低于4。    2.多道防線設計    現(xiàn)在有一種新的抗震概念:當建筑結構受到強烈地震動主脈沖卓越周期的作用時，一方面利用結構中增設的贅余桿件的屈服和變形，來耗散地震輸入能量;另一方面利用贅余桿件的破壞和退出工作，使整個結構從一種穩(wěn)定體系過渡到另一種穩(wěn)定體系，實現(xiàn)結構周期的變化，以避開地震動卓越周期長時間持續(xù)作用所引起的共振效應。這種通過對結構動力特性的適當控制，來減輕建筑物的破壞程度，是對付高烈度地震的一種 經濟 有效的方法。    3.妥善處理非結構部件    非結構部件一般是指在通常結構分析中不考慮承受重力荷載以及風、地震等側力荷載的部件，如內隔墻，框架填充墻，建筑處圍墻板，樓梯等。實際上，在地震作用下，高層建筑中的這些部件或多或少地參與工作，從而改變了整個結構或局部構件的剛度，承載力和傳力路線。造成未曾估計到的局部震害。在鋼筋混凝土框架體系的高層建筑中，這些影響最為普遍。(1)砌體填充墻的抗震作用：①使結構剛度增大，自振周期縮短，水平地震力增大30%~50%。②改變了結構的地震剪力分布狀況。③砌體填充墻具有較大的抗推剛度，限制了框架的變形，從而減小了整個結構的地震側移幅值。 (2)柱端震害，在地震中，角柱上端被嵌砌于框架間的磚墻頂斷。這是典型的柱端震害。在框架體系設計中必須考慮，并采取恰當?shù)念A防措施。(3)形成短柱破壞。采用鋼筋混凝土框架的高層建筑，就框架柱的受力狀況和破壞形態(tài)而言，一般情況下屬于長柱。由于窗裙墻對框架柱的剛性約束，減短了柱的有效長度，使它變成了短柱，承擔的地震力大增，發(fā)生剪切破壞。因此，采用貼砌圍護方案或墻、柱柔性連接方案都是防止短柱破壞的有效手段。否則沿柱的全高，柱身箍筋的配置均應符合短柱的規(guī)定。這一點，在施工圖中，應當說明清楚。 三、案例討論    鄭州市鄭東新區(qū)景峰國際項目情況：地上34層共120m，地下共3層，其中地下第3層為5級人防。該結構為超高層結構，框架－剪力墻結構體系。其中在地上第三層有局部框值轉換。在方案設計階段，框架的軸線尺寸己經由建筑確定，梁柱截面尺寸根據豎向荷載及粗估的水平地震作用效應確定。最后問題是剪力墻如何布置、數(shù)量多少。這是一個關系到結構安全和技術 經濟 合理性，并體現(xiàn)出體系優(yōu)越性的關鍵性環(huán)節(jié)。所以結構工程師在方案設計階段都積極參與，并根據適宜剛度概念算出剪力墻的面積，結合建筑要求設計出經濟合理的方案。    1.剪力墻的布置。一般情況下，剪力墻應在縱橫兩個方向同時布置，并使兩個方向的自振周期比較接近。在非抗震設計的條件下，也允許只設橫向剪力墻而不設縱向剪力墻，這時，縱向風力全部由縱向框架承受。剪力墻的一般布置原則是“均勻、分散、對稱、周邊”。均勻、分散是要求剪力墻的片數(shù)多，每片的剛度不要太大，也就是說布置很多片短的剪力墻;并且在樓層平面上均勻布開不要集中在某一局部區(qū)域。一方面，剪力墻對稱布置可以避免和減少建筑物受到的扭矩。另一方面，剪力墻沿周邊布置可以最大幅度地加大抗扭轉的內力臂，提高整個結構的抗扭能力。經過討論，大家一致同意剪力墻沿周邊布置。    2.剪力墻的平面位置。一般情況下，剪力墻宜布置在下述的各個部位:（1）豎向荷載較大處。這樣可以獲得三點好處:①較大重力荷載引起的較大地震作用，可以直接傳到剪力墻上;②剪力墻承受很大的彎矩和剪力，有了較大軸向壓力來平衡，可以減小墻體的拉應力，并提高墻體的受剪力承載力;③可以避免使用較大截面梁、柱的框架來承擔較大的豎向荷載。（2）平面形狀變化處或樓蓋水平剛度劇變處。這樣可以消除地震時在該部位樓板中引起的應力集中效應。（3）樓梯間、電梯間以及樓板較大洞口的兩側。根據本工程特點，剪力墻的平面位置布置在豎向荷載較大處。    3.剪力墻最大間距。在框—剪體系中，剪力墻是主要抗震構件，承擔著80%以上的地震力;框架是次要抗震構件，僅承擔加%以下的地震力。要保持框一剪體系這一結構特性，以剪力墻為側向支撐的各層樓蓋，在地震力作用下的水平變形就需控制在很小數(shù)值范圍以內，使框架的側向變形與剪力墻大致相同。否則，就需要通過空間分析來考慮樓蓋水平變形所引起的框架剪力增值。在實際工程中，剪力墻間距一般在2.5B及30m以內。有30m長的一段無剪力墻的自由布置空間，完全可以滿足建筑功能的要求。?     參考  文獻 ：   ［1］小谷俊川．日本基于性能結構抗震設計方法的 發(fā)展 ．建筑結構，2000，6．    ［2］建筑抗震設計規(guī)范．(GBJfl一89)．    混凝土結構設計規(guī)范．(GBJ10一89)．    ［3］鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規(guī)程．(JGJ3一91)．