浅谈建筑结构概念设计

【摘 要】建筑结构概念设计包括范围很广，要考虑的方面很多。本文从建筑物外荷载在结构内部的传递，从水平和竖向两种传递方式铺开，介绍了力流的概念及结构自身的刚度对荷载传递的影响；从抗震设计时的能量原理介绍其中的概念设计部分，同时还对基础概念设计等方面进行了阐述。

【关键词】概念设计；结构分析；刚度；力流；能量原理

一、前言

在结构工程领域，结构概念是工程师对结构性状和行为的理解和提炼；正确并深入掌握结构概念是设计、建造优秀结构的前提。例如，在方案设计阶段，对结构整体合理性的把握；在结构分析阶段，对计算模型合理性的计算结构的正确性的判断；在构造设计阶段，对各种构造措施的恰当处置等，都需要以结构概念为先导。可以说概念设计贯穿整个工程设计过程，既是设计的灵魂，也是整个建设过程的灵魂。

二、概念设计在结构分析中的应用

结构分析作为结构设计中最精华的部分，该阶段也最能体现概念设计的精髓。结构分析是分析结构在外荷载或作用下，其结构自身的内力、变形行为。因此，要做好结构分析，必须得把握好两方面的内容：一是外荷载或作用的合理确；二是结构自身内力、变形行为。

外荷载及作用作用于结构上，在结构内部是如何传递分配的是看不见摸不着的，但这种分配与传递确实实在在地存在着。在结构中，分散的荷载汇集到板上，通过板，荷载传递到梁上，再由梁汇集到墙柱上，墙柱将荷载传递到基础上，最后基础将荷载汇集到大地上。（见附图）

结构中的荷载在传递过程中，传力途径突然干扰或者遇到刚度突变，此时将产生应力集中区域，这些区域成为危险区。因而，结构设计中需遵循刚度均匀的原则，不至产生过大的突变，引起力流传递的突变。遵循力流的传递，对结构进行适当的梳理，以方便力流的畅通。在建筑结构中，力流主要有两方面，水平力流和竖向力流。竖向力流沿着板梁柱墙至基础地基传递，水平力流作用于结构楼层及侧面上，通过竖向构件的拉压作用传至基础地基。任何力流最后都传至地基上。力流在传递过程中，主要受结构内部因素刚度影响较大，根据结构力学原理，可知力流是按刚度来分配传递的，刚度是影响力流传递的主要因素。如竖向力流在传递过程中总是先至板，再至次梁，再至主梁，通过主梁再传至墙柱，而不是直接传至柱。是跟各构件的相对刚度有关的。由于次梁刚度较小于主梁刚度，（这里的刚度不是截面刚度，而是构件刚度。与截面大小、构件尺度及边界条件均有关系）因而，主梁一般起支撑次梁作用。

（1）转换结构。即上部的竖向构件在某层通过水平构件转换竖向力流，然后再传至旁位竖向构件。根据力流的分析过程可知，该种结构传力不通畅，在力流改变途径处，力流集中，形成危险区域，需要采取加强措施。对有转换层的高层建筑,希望是低位转换而不是高位转换,且要求转换层上下层的抗侧刚度有一定的连续性而不是突变的,因而规范规定底部1~ 2层大空间的剪力墙结构,其转换层上下层的剪切刚度比宜接近1，非抗震设计时的不应大于3，抗震设计时的剪切刚度比不宜大于2。厚板转换结构在转换层位置上下层其变形曲线也有突变。基于此原因，设计时一般不常用厚板式转换层的结构。

（2）框架-剪力墙结构体系。该结构由框架和剪力墙两种竖向构件组建而成，通过楼板连接使二者协同作用。因此在设计中应保证楼板能协调框架和剪力墙。楼板的协调作用是通过楼板水平放置的深梁来实现的。故规范规定“一、二级抗震墙的洞口连梁跨高比不宜大于5，且梁截面高度不宜小于400mm，”意即要求连梁的刚度不宜太小；在规范中，还规定了剪力墙之间距离的要求，这是楼板能起协同作用的保证。在水平力流下，由于楼板的协同，框架和剪力墙能协同工作。由于框架和剪力墙刚度的巨大差距，剪力墙对水平力流传递的贡献远大于框架部分。因此，常规框架剪力墙结构一般把剪力墙作为第一道防线，而框架部分仅作为次防线。这样剪力墙的要求需较高，而框架部分的要求则可适当降低。这也是结构概念设计中的重要思想之一，重点部分重点对待。

（3）楼板荷载的传递总是遵循向刚度大的部分传递。如果板两方向的尺度大致相等，则力流通过板面向四面传递，随着两方向尺度差距的拉大，荷载逐步加大向尺度小（即刚度大）的一方传递，当相比达到2时。则力流百分之九十四都通过短向传至边界了。再如双向梁体系，谁作为支撑梁的问题。在实际受力分析时发现，总是刚度大的梁作为刚度小的梁的支座。通过以上几个简单的工程实例发现，力流在结构中的传递总是喜好于向刚度大的构件传递。这也是在设计过程中引导力流的方向的措施。如实际工程中双向井字梁的布置，如果两方向尺度相差较大，而我们又希望荷载均匀传递至四周，则可以通过斜向布置梁，来达到荷载的均匀传递。这也是通过调整结构刚度来引导力流的措施。

三、抗震设计中的概念设计

结构刚度可以通过结构的变形间接反映，由能量原理知道，力与变形的积分就是功。由于变形分塑性和脆性之分，即变形量是不一样的。因而，各种变形能积累的能量是不一样的。而在结构抗震工程设计中，能量是一个很重要的概念。因为地震其本质就是一个能量释放的过程。仅利用结构的弹性性能抵抗强烈地震是不明智的。正确的做法是同时利用结构弹塑性阶段的性能，通过结构一定限度内的塑性变形来消耗地震输入结构的能量。

抗震设计就是要设计出能接受地震所赋予其能量而不至倒塌的结构。这就要求结构要具备一定的延性。规范中，用延性指标来表达。根据能量的原理知道，变形性能好（即延性好）的材料积累同样的能量需要的结构抗力就小，这也是规范规定各种材料的可靠度指标的标准。为了达到同样的安全度。延性差的材料其抗力承载力要求就高。这也是中外规范对结构延性构造要求不一致的原因之一，由于我国建筑结构的抗力设计值较国外发达国家低，为满足一定的地震安全要求，在设计中，可以通过各种各样的构造措施和耗能手段来增强结构与构件的延性。

四、概念设计在基础设计中的应用

基础是建筑物和地基之间的连接体。基础把建筑物竖向体系传来的荷载传给地基。竖向结构体系(柱、墙、井筒）将荷载集中于点，或分布成线形，但是作为最终职称结构的地基，提供的是一种分布的承载能力。如果地基的承载能力足够，则基础的分布方式可与竖向结构的分布方式相同。但有时由于土或荷载的条件，需要采用满铺的筏形基础。筏形基础有扩大地基接触面的优点，但与独立基础相比，它的造价通常要高的多，因此只在必要时才使用。不论哪一种情况，基础的概念都是把集中荷载分散到地基上，使荷载不超过地基的长期承载能力。因此，分散的程度与地基的承载力成反比。

在有些情况下，柱子可以直接职称在下面的方形基础上，墙则职称在沿墙长度方向布置的条形基础上。当建筑物只有几层高时，只需要把墙下的条形基础和柱下的方形基础结合使用，就常常足以把荷载传递给地基。这些单独的基础可用基础梁连接起来，以加强基础抵抗地震的能力。只是在地基非常软弱，或者建筑物比较高（如在10层或20层以上，并产生很大的倾覆力）的情况下，才需要采用筏形基础。多数建筑物的竖向结构，墙、柱及井筒都可以用各自的基础分别支撑在地基上。中等地基调教可以要求增设拱式或预应力梁式的基础链结构件。这样可以比独立基础更均匀的分布荷载。因为它们不需要通过受弯偏斜来传播荷载。

结束语

把握概念设计是做好工程设计的关键。本文从建筑物承受外荷载着手，分析了荷载的传递，刚度的影响到能量理论的运用做了简单的探究。通过分析可知，荷载是外部因素，刚度是内部因素，而能量原理是本质。抓住影响结构的主要因素，正确恰当运用概念设计，才能成为一名合格的设计师。参考文献

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