結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)一

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)（一）結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性和豐富內(nèi)涵，目前，往往在嚴(yán)格的規(guī)范規(guī)定和一體化的程序計(jì)算中淡化了。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)不是某種具體的方法，它貫穿在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的每一個(gè)步驟，包括方案布置（建筑體形結(jié)構(gòu)的總體布置）、結(jié)構(gòu)計(jì)算、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等，它是結(jié)構(gòu)工程師的基本功，每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員都應(yīng)該掌握和運(yùn)用概念設(shè)計(jì)。一、什么是概念設(shè)計(jì)：概念設(shè)計(jì)是相對于量化的計(jì)算而言，通過力學(xué)規(guī)律、震害教訓(xùn)、試驗(yàn)研究、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等建立設(shè)計(jì)概念、設(shè)計(jì)對策和措施，它比量化計(jì)算更能有效地從宏觀上處理好結(jié)構(gòu)的安全問題，特別是抗震安全。對于整個(gè)設(shè)計(jì)過程，概念設(shè)計(jì)與計(jì)算相輔相成，但是，由于地震作用的不確定性，必須有概念設(shè)計(jì)作引導(dǎo)和判斷；計(jì)算設(shè)計(jì)常常是在概念設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下完成（事物矛盾的兩個(gè)方面，設(shè)計(jì)工作由概念設(shè)計(jì)、計(jì)算設(shè)計(jì)兩方面組成，是事物矛盾的兩個(gè)方面相輔相成的關(guān)系，概念設(shè)計(jì)是主要方面，沒有概念設(shè)計(jì)無從做起，沒有概念設(shè)計(jì)指導(dǎo)的計(jì)算沒有實(shí)際使用意義，沒有計(jì)算這個(gè)工具概念設(shè)計(jì)也無從做判斷）。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，工程師對概念設(shè)計(jì)的掌握是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)和積累的過程，應(yīng)該通過力學(xué)知識和力學(xué)規(guī)律建立結(jié)構(gòu)受力與變形規(guī)律的各種概念（力學(xué)不能只是計(jì)算的工具），對歷次地震震害的關(guān)注與對國內(nèi)外震害教訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)的積累，以及對各類結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究結(jié)果的了解和應(yīng)用，還有工程經(jīng)驗(yàn)的日積月累，深入施工現(xiàn)場，理論聯(lián)系實(shí)際，這樣就會在概念設(shè)計(jì)的知識和能力上逐步前進(jìn)。地震作用影響因素極為復(fù)雜，是一種隨機(jī)的、尚不能預(yù)見和準(zhǔn)確計(jì)算的外部作用，目前規(guī)范給出的計(jì)算方法還是一種半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法，抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該是綜合概念設(shè)計(jì)、計(jì)算和構(gòu)造措施等完整的系列設(shè)計(jì)。由于地震的不可預(yù)見性及地震作用的不確定性，抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)必須重視概念設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)涉及的面很廣，從方案、結(jié)構(gòu)布置到計(jì)算簡圖的選取，從截面配筋到構(gòu)件的配筋構(gòu)造等都存在概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容。抗震規(guī)范2.1.8條把抗震概念設(shè)計(jì)定義為根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程。并在3.4.1條以強(qiáng)制性條文的形式規(guī)定“建筑設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)要求”。高規(guī)1.0.5條對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)而言，概念設(shè)計(jì)比計(jì)算設(shè)計(jì)更重要，在做好概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)定量計(jì)算分析及采取可靠的抗震構(gòu)造措施是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵守的原則。二、抗震設(shè)防目標(biāo)：（抗震設(shè)防思想）小震不壞，中震可修，大震不倒。當(dāng)遭受低于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震影響時(shí)，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受相當(dāng)于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震影響時(shí)，可能損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用；當(dāng)遭受高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震影響時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞（即三水準(zhǔn)目標(biāo)）。三水準(zhǔn)烈度的力學(xué)工作狀態(tài)（從受力角度看）：第一水準(zhǔn)烈度地震（小震）結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，可以采用彈性體系動力理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)和地震反應(yīng)分析，滿足強(qiáng)度要求，構(gòu)件應(yīng)力完全與按彈性反應(yīng)譜理論分析的計(jì)算結(jié)果相一致；第二水準(zhǔn)烈度地震（中震）結(jié)構(gòu)越過屈服極限，進(jìn)入非彈性變形階段，但結(jié)構(gòu)的彈塑性變形被控制在某一限度內(nèi)，震后殘留的永久變形不大；第三水準(zhǔn)烈度地震（大震）建筑物雖然破壞比較嚴(yán)重，但整個(gè)結(jié)構(gòu)的非彈性變形仍受控制，與結(jié)構(gòu)倒塌的臨界變形尚有一段距離，從而保障了建筑內(nèi)部人員安全。Fe不壞e50550200:水準(zhǔn)下鋼筋獨(dú)框架結(jié)構(gòu)破麻程度與層間位移角的大致對應(yīng)關(guān)系Fe不壞e50550200:水準(zhǔn)下鋼筋獨(dú)框架結(jié)構(gòu)破麻程度與層間位移角的大致對應(yīng)關(guān)系二水淮烈度對應(yīng)關(guān)系三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)是通過“兩階段設(shè)計(jì)”來實(shí)現(xiàn)的。第一階段設(shè)計(jì)是承載力驗(yàn)算（也稱為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段）第一步采用第一水準(zhǔn)烈度的地震動參數(shù)，先計(jì)算出結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng)，與風(fēng)、重力等荷載效應(yīng)組合，并引入承載力抗震調(diào)整系數(shù)，進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)，從而滿足第一水準(zhǔn)的強(qiáng)度要求（承載力）。第二步采用同一地震參數(shù)計(jì)算出結(jié)構(gòu)彈性層間位移角，使其不超過規(guī)定的限值；同時(shí)采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能，從而自動滿足第二水準(zhǔn)的變形要求。對大多數(shù)結(jié)構(gòu)可只進(jìn)行第一階段設(shè)計(jì)，而通過概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施來滿足第三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過第一階段設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準(zhǔn)目標(biāo)。第二階段設(shè)計(jì)是彈塑性變形驗(yàn)算（即大震）：采用第三水準(zhǔn)烈度的地震動參數(shù)，計(jì)算出結(jié)構(gòu)（特別是柔弱樓層和抗震薄弱環(huán)節(jié)）的彈塑性層間位移角，使之小于《抗震規(guī)范》限值（倒塌變形值），并結(jié)合采取必要的抗震構(gòu)造措施，從而滿足第三水準(zhǔn)的防倒塌要求。第一水準(zhǔn)烈度（眾值烈度）：根據(jù)我國華北、西北和西南地區(qū)地震發(fā)生概率的統(tǒng)計(jì)分析，50年內(nèi)超越概率約為63%的地震烈度，即所謂多遇地震烈度（眾值烈度）比基本烈度約低一度半。第二水準(zhǔn)烈度（基本烈度）【即設(shè)防烈度】：50年內(nèi)，一般場地條件下，可能遭遇的超越概率為10%的地震烈度值，相當(dāng)于474年一遇的烈度值。第三水準(zhǔn)烈度（罕遇地震烈度）：50年內(nèi)，一般場地條件下，超越概率為2?3%的地震烈度值，相當(dāng)于1600?2500年一遇，約比基本烈度高1度左右。卓越周期：反應(yīng)譜峰值對應(yīng)的周期可近似代表場地的卓越周期（卓越周期是指地震動功率譜中能量占主要部分的周期）。建筑物的自振周期與地震動的卓越周期接近，使建筑物發(fā)生共振加劇破壞，因此建筑物的自振周期應(yīng)避開卓越周期。硬土中反應(yīng)譜的峰值對應(yīng)的周期較短，即硬土的卓越周期短，軟土的卓越周期長，而且地震反應(yīng)值的范圍也比硬土大。所以，長周期的高層建筑結(jié)構(gòu)在軟土地基上的地震反應(yīng)會更大。三、地震作用的特點(diǎn)：地震傳播產(chǎn)生地面運(yùn)動，通過基礎(chǔ)影響上部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，稱為結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，包括加速度、速度和位移反應(yīng)。（1） 地震波可以分解為六個(gè)振動分量：兩個(gè)水平分量、一個(gè)豎向分量和三個(gè)轉(zhuǎn)動分量。對建筑物構(gòu)成破壞的主要是水平振動和扭轉(zhuǎn)振動。地面水平振動使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生移動和搖擺，扭轉(zhuǎn)振動使結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)對房屋破壞性很大，但目前尚無法計(jì)算，主要采用概念設(shè)計(jì)方法加大結(jié)構(gòu)的抵抗能力，以減小破壞程度。地面豎向振動只在震中附近的高烈度區(qū)影響房屋結(jié)構(gòu)，因此，大多數(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要考慮水平地震作用。（2） 地面運(yùn)動的特性用三個(gè)特征量來描述：強(qiáng)度（由振幅值大小表示）、頻譜和持續(xù)時(shí)間。強(qiáng)烈地震的加速度或速度幅值一般很大，但如果地震時(shí)間很短，對建筑物的破壞性可能不大；而有時(shí)地面運(yùn)動的加速度或速度幅值并不太大，而地震波的卓越周期（頻譜分析中能量占主導(dǎo)地位的頻率成分）與建筑物的結(jié)構(gòu)基本周期接近，或者振動時(shí)間長，都可能對建筑物造成嚴(yán)重影響。因此，強(qiáng)度、頻譜與持續(xù)時(shí)間被稱為地震三要素。地面運(yùn)動的特性除了與震源所在的位置、深度、地震發(fā)生的原因、傳播距離等因素有關(guān)外，還與地震傳播經(jīng)過的區(qū)域和建筑物所在區(qū)域的場地土性質(zhì)有密切關(guān)系。（3） 不同性質(zhì)的土層對地震波包含各種頻率成分的吸收和過濾效果不同。地震波在傳播過程中，振幅逐漸衰減，在土層中高頻率成分易被吸收，低頻率成分振動傳播得更遠(yuǎn)。在震中附近或巖石等堅(jiān)硬土壤中，地震波中短周期成分豐富。在距震中較遠(yuǎn)的地方，或當(dāng)沖積土層厚、土壤又較軟時(shí)，短周期成分被吸收而導(dǎo)致長周期成分為主，這對高層建筑十分不利。當(dāng)深層地震波傳到地面時(shí)，土層又會將振動放大，土層性質(zhì)不同，放大作用也不同。軟土的放大作用較大。（4） 建筑物本身的動力特性對建筑物是否破壞和破壞程度也有很大影響。建筑物動力特性是指建筑物的自振周期、振型與阻尼，它們與建筑物的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)。通常質(zhì)量大、剛度大、周期短的建筑物在地震作用下的慣性力較大；剛度小、周期長的建筑物位移較大，但慣性力較小。特別是當(dāng)?shù)卣鸩ǖ淖吭街芷谂c建筑物自振周期相近時(shí)，會引起類共振，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)加劇。四、建筑地震災(zāi)害及啟示（一）根據(jù)以往地震經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致建筑破壞的直接原因分為三種情況：（1） 地震引起的山崩、滑坡、地陷、地面裂縫或錯(cuò)位等地面變形對其地面上部建筑物的直接危害；（2） 地震引起的砂土液化、軟土震陷等地基失效，對上面建筑物所造成的破壞；（3） 建筑物在地面運(yùn)動激發(fā)下產(chǎn)生劇烈震動過程中，因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足過大變形、連接破壞、構(gòu)件失穩(wěn)或整體傾覆而破壞。當(dāng)今，抗震科學(xué)尚處于較低水平，試驗(yàn)手段和技術(shù)還不能確切模擬地震對建筑物的破壞作用，因而地震區(qū)建筑物的破壞狀況便成為探索地震破壞作用和結(jié)構(gòu)震害機(jī)理最直接和最全面的大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。因此，有必要在充分吸收歷次地震經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)，在基本理論、計(jì)算方法和構(gòu)造措施等多方面研究改進(jìn)建筑的抗震設(shè)計(jì)技術(shù)，以進(jìn)一步提高房屋建筑的抗震可靠度。二)幾次大地震的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)三)歷次地震總結(jié)出的規(guī)律性認(rèn)識場地地基方面2.房屋體形方面3.結(jié)構(gòu)體系方面4.剛度分布方面5.構(gòu)件形式方面6.非結(jié)構(gòu)方面國內(nèi)外的歷次地震中建筑物破壞的情況各有特點(diǎn)，但仍然有些共性的規(guī)律性的情況，這些共性的、規(guī)律的東西對抗震設(shè)計(jì)有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)作用，其中規(guī)律性的震害有如下幾方面：1.場地地基方面：斷層錯(cuò)動、滑坡、地陷等地面變形對建筑物的破壞非常嚴(yán)重，工程場地選址時(shí)要注意避開抗震危險(xiǎn)地段；砂土液化引起地基不均勻沉陷，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)破壞或整體傾斜；在具有深厚軟弱土層的場地上，高層建筑的破壞率顯著增高；當(dāng)建筑的基本周期與場地卓越周期相近時(shí)，破壞程度將因共振效應(yīng)而加重房屋體形方面：平面復(fù)雜的房屋，如L形、Y形等破壞率顯著增高；有大底盤的高層建筑裙房頂面與主樓相連接處樓板面積突然減小的樓層破壞程度加重；房屋高寬比值較大且上面各層剛度很大的高層建筑，底層框架柱因地震傾覆力矩引起的巨大壓力而發(fā)生剪壓破壞；相鄰結(jié)構(gòu)或毗鄰建筑因相互間的縫隙寬度不夠而發(fā)生碰撞破壞。結(jié)構(gòu)體系方面：相對于框架體系而言，采用框架-剪力墻體系的房屋，破壞程度較輕，特別有利于保護(hù)填充墻和建筑裝修免遭破壞；采用“框架+填充墻”體系的房屋，在框架平面內(nèi)嵌砌體填充墻時(shí)，柱上端易發(fā)生剪切破壞；外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發(fā)生短柱型剪切破壞；采用鋼筋砼板柱體系的房屋，或因樓板沖切破壞，或因樓層側(cè)移過大，柱頂、柱腳破壞，各層樓板墜落，重疊在地面；采用“底部純框架+上部砌體結(jié)構(gòu)”體系的房屋，相對柔弱的底層破壞程度十分嚴(yán)重；采用“框架+填充墻”體系的房屋，當(dāng)?shù)讓訛殚_敞式的純框架，底層同樣遭到嚴(yán)重破壞；采用單跨框架結(jié)構(gòu)體系的房屋，因結(jié)構(gòu)整體冗余度較少，強(qiáng)震作用下易發(fā)生整體倒塌。剛度分布方面：采用L形、三角形等不對稱平面的建筑，地震時(shí)因發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動而使震害加重；矩形平面建筑、電梯豎筒等抗側(cè)力構(gòu)件的布置存在偏心時(shí)，同樣發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動而使震害加重。構(gòu)件形式方面：鋼筋砼多肢剪力墻的窗下墻(連梁)常發(fā)生斜裂縫或交叉裂縫；在框架結(jié)構(gòu)中，絕大多數(shù)情況下，柱的破壞程度重于梁和板；鋼筋砼框架如在同一樓層中出現(xiàn)長、短柱并用的情況，短柱破壞嚴(yán)重；配置螺旋