概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施在抗震設(shè)計中的重要性

概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施在抗震設(shè)計中的重要性摘要概念設(shè)計的重要性在于它從整體上把握了結(jié)構(gòu)體系的合理性；結(jié)構(gòu)措施確保著結(jié)構(gòu)單元在共同工作的過程中不會發(fā)生局部破壞而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失效。本文通過深入分析，闡述了其在抗震設(shè)計中的重要性。在建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施至關(guān)重要，不僅彌補了結(jié)構(gòu)計算的不足，也進一步確保了建筑結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟性，在一定程度上它反映著一個結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計水平。下面就這兩個問題展開進一步的研究和探討。1概念設(shè)計的重要性在抗震設(shè)計過程中，概念設(shè)計體現(xiàn)了一個結(jié)構(gòu)工程師的整體設(shè)計思路，和對地震力作用下結(jié)構(gòu)體系的總體受力模型的認(rèn)識程度。概念設(shè)計是展現(xiàn)設(shè)計思想的關(guān)鍵，一個結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計，并能有意識地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。一般認(rèn)為，概念設(shè)計做得好的結(jié)構(gòu)工程師，隨著他的不懈追求，其結(jié)構(gòu)概念將隨他的年齡與實踐的增長而越來越豐富，設(shè)計成果也越來越創(chuàng)新、完善。然而，隨著社會分工的細化，大部分結(jié)構(gòu)工程師只會依賴規(guī)范、設(shè)計手冊、計算機程序做習(xí)慣性傳統(tǒng)設(shè)計，缺乏創(chuàng)新，更不愿（不敢）創(chuàng)新，有的甚至拒絕對新技術(shù)、新工藝的采納（害怕承擔(dān)創(chuàng)新的責(zé)任）。大部分工程師在一體化計算機結(jié)構(gòu)程序設(shè)計全面應(yīng)用的今天，對計算機結(jié)果明顯不合理、甚至錯誤而不能及時發(fā)現(xiàn)。隨著年齡的增長，導(dǎo)致他們在大學(xué)學(xué)的那些孤立的概念都被逐漸忘卻，更談不上設(shè)計成果的不斷創(chuàng)新。強調(diào)概念設(shè)計的重要，主要還因為現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性，比如對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)力計算是基于彈性理論的計算方法，而截面設(shè)計卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法，這一矛盾使計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)差之甚遠，為了彌補這類計算理論的缺陷，或者實現(xiàn)對實際存在的大量無法計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計，都需要優(yōu)秀的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。同時計算機結(jié)果的高精度特點，往往給結(jié)構(gòu)設(shè)計人員帶來對結(jié)構(gòu)工作性能的誤解，結(jié)構(gòu)工程師只有加強結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng)，才能比較客觀、真實地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。概念設(shè)計之所以重要，還在于在方案設(shè)計階段，初步設(shè)計過程是不能借助于計算機來實現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，選擇效果最好、造價最低的結(jié)構(gòu)方案，為此，需要工程師不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念，深入、深刻了解各類結(jié)構(gòu)的性能，并能有意識地、靈活地運用它們。2結(jié)構(gòu)措施的重要性在地震力作用下，我們不希望在結(jié)構(gòu)整體遠未達到其設(shè)計荷載時，它的某些部件即出現(xiàn)破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失效。因此就要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各個構(gòu)件能夠相互配合，共同工作。這不僅要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承載能力極限狀態(tài)能共同受力，同時達到極限狀態(tài)，還要求他們能有共同的耐久壽命。結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作表現(xiàn)在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的關(guān)系上，必須視基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)為一個有機的整體，不能把兩者割裂開來處理。舉例而言，對磚混結(jié)構(gòu)，必須依靠圈梁和構(gòu)造柱將上部結(jié)構(gòu)連接成一個整體，而不能單純依靠某一方向的承重墻來抵抗水平地震力作用，所有圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置，都必須圍繞這個中心，這就是結(jié)構(gòu)措施在抗震設(shè)計中的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)措施的應(yīng)用，還在于當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時，結(jié)構(gòu)中的各個構(gòu)件能同時達到較高的應(yīng)力水平。在多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡可能避免短柱，其主要的目的是在水平地震力作用下，使同層各柱在相同的水平位移時，能同時達到最大承載能力，但隨著建筑物的高度與層數(shù)的加大，巨大的豎向和水平荷載使底層柱截面越來越大，從而造成高層建筑的底部數(shù)層出現(xiàn)大量短柱，為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，對于大截面柱，可以通過對柱截面開豎槽，使矩形柱成為田形柱，從而增大長細比，避免短柱的出現(xiàn)，這樣就能使同層的抗震結(jié)構(gòu)在相近的水平位移下，達到最大的水平承載力；而對于梁的跨高比的限制，一般還沒有充分認(rèn)識到。實際上與長短柱混雜的效果一樣，長、短梁在同一榀框架中并存，也是極為不利的，短跨梁在水平地震力的作用下，剪力很大，梁端正、負(fù)彎矩也很大，其配筋全部由水平地震力決定，豎向荷載基本不起作用，甚至于梁端正彎矩鋼筋也會出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，同時，由于梁的剪力增大，也會使支承柱的軸力大幅增大，這種設(shè)計是不符合協(xié)同工作原則的，同時，結(jié)構(gòu)的造價必將會上升。多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的即是為了抵抗水平地震力和風(fēng)荷載的作用，防止扭轉(zhuǎn)。為有效的抵抗水平地震力作用，平面上兩個正交方向的尺寸宜盡量接近，目的是保證這兩個方向上的“慣性矩”相等，以防止一個方向強度（穩(wěn)定性）儲備太大，而另一個方向較弱，因此，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)（柱、剪力墻）宜設(shè)置在四周，以增大整體的抗側(cè)剛度及抗扭慣性矩，同時，應(yīng)加大梁或樓層的剛度，使柱（或剪力墻）能承擔(dān)較大的整體彎矩，這就是“轉(zhuǎn)換層”的概念。防止扭轉(zhuǎn)的目的，是因為在扭轉(zhuǎn)發(fā)生時，各柱節(jié)點水平位移不等，距扭轉(zhuǎn)中心較遠的角柱剪力很大，而中柱剪力較小，破壞由外向里，先外后里。為防止扭轉(zhuǎn)，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應(yīng)對稱布置，宜設(shè)在結(jié)構(gòu)兩端，緊靠四周設(shè)置，以增大抗扭慣性矩。因此，高層或超高層建筑中，盡管角柱軸壓比較小，但其在抗扭過程中作用卻很大（若角柱先壞，整個結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度或強度下降，中柱必定依次破壞），同時，在水平力的作用下，角柱軸力的變化幅度也會很大，這樣勢必要求角柱有較大的變形能力。由于角柱的上述作用，角柱設(shè)計時在承載力和變形能力上都應(yīng)有較多考慮，如加大配箍，采用密排箍筋柱、鋼管混凝土柱。目前，部分已建建筑在其四角設(shè)置巨型鋼管柱，從而極大地增強了角柱的強度和抗變形能力。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，柱軸壓比的限值已成為困擾結(jié)構(gòu)工程師的實際問題，隨著建筑高度的增加，結(jié)構(gòu)下部柱截面也越來越大，而柱的縱向鋼筋卻為構(gòu)造配筋，即使采用高強混凝土，柱截面也不會明顯降低。實際上，柱的軸壓比大小，直接反映了柱的塑性變形能力，而構(gòu)件的變形能力會極大地影響結(jié)構(gòu)的延性?；炷粱纠碚撝赋觯夯炷翗?gòu)件的曲率延性，即彎曲變形能力主要取決于截面的相對受壓區(qū)高度和受壓區(qū)邊緣混凝土的極限變形能力。相對受壓區(qū)高度主要取決于軸壓比、配筋等，混凝土的極限變形能力主要取決于箍筋的約束程度，即箍筋的形式和配箍特征值（λ=ρfyfc）。因此，為了增大柱在地震作用下的變形能力，控制柱的軸壓比和改善配箍具有同樣的意義，因而采用密排螺旋箍筋柱或鋼管混凝土均可以提高柱軸壓比的限值。從上述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的演化，推而廣之，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，只有當(dāng)構(gòu)件越多處于軸心受力狀態(tài)，其材料的利用率才可以高，經(jīng)濟性也就越好。對框架結(jié)構(gòu)，豎向載作用下，框架柱宜處于小偏心受壓下工作，若大量柱處于大偏心受壓工作狀態(tài)，則該結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟性一般不好，故對非地震區(qū)的框架結(jié)構(gòu)，其框架柱應(yīng)優(yōu)先設(shè)計為小偏心受壓。這里就出現(xiàn)了一個矛盾，在地震作用下，大部分柱可能處于大偏心受壓狀態(tài)工作，截面設(shè)計時，大量柱的配筋僅僅是為萬一發(fā)生地震而增加的，這些鋼材在不發(fā)生地震時，將不起絲毫作用，這顯然是不經(jīng)濟的，與抗震設(shè)計的整體思想也不相符。為避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，一方面應(yīng)設(shè)法加強結(jié)構(gòu)整體性，必要時，在某些樓層設(shè)置剛性轉(zhuǎn)換層，從而加大整體彎矩，減小引起柱彎曲變形的局部彎矩；另一方面，對柱的設(shè)計，可將整個樓層面的柱設(shè)計為多肢柱，使多肢柱的每一根桿件都能處于軸心受力狀態(tài)，如對鋼管混凝土柱，只有在小偏心受壓（或