关于结构设计法的讨论

摘要：本文总的介绍了建筑结构设计方法及框架-剪力墙设计中需要注意的问题，提出了自己的一些看法供大家借鉴。

关键词：结构设计法；主动设计；被动设计

Abstract: This paper introduces the building structure design method and the problems that need attention in the frame - shear wall design, at last the author puts forward some own views for your reference.

Key words: structure design method ；active design; passive design;

中图分类号：TB482.2文献标识码： A文章编号：2095-210（2012）

结构设计应该被动设计与主动设计相结合。随着社会的需求，计算理论的发展，计算机的应用，新型建材的研究与应用，建筑结构设计将面临前所未有的机遇。往往设计人员注意到适用、安全、经济、美观，而忽略了便于施工。有时设计人员为图方便，用偏于安全的简化方法计算，虽然既省事又保证了安全，却增加了造价。

结构设计一般在建筑设计之后，“受制”于建筑设计，但又“反制”建筑设计。结构设计不能破坏建筑设计，建筑设计不能超出结构设计的能力范围。结构设计决定建筑设计能否实现，在这个意义上，结构设计显得更为重要。但一栋标志性建筑建成后，往往建筑师便成为了人们心目中的建造者，为了实现该建筑设计而付出辛勤劳动一丝不苟的结构师并不为人们所知。但无论如何，设计一个适用、安全、经济、美观、便于施工的结构设计方案是结构设计人员的责任。建筑结构设计可分为整体设计和部件设计两部分。

1结构设计总论

1.1整体设计

整体设计就是进行概念设计。概念设计是指正确的解决总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。概念设计是根据抗震设计的复杂性，难以精确计算而提出来的一种从宏观上实现合理抗震，避免无必要的繁琐计算，同时为抗震计算创造有利条件，使计算分析结果更能反映地震时结构反应的实际情况的设计方法。采用先进的计算理论，空间受力分析、非弹性变形分析、塑性内力分析、由加载到破坏的全过程受力分析、时程分析、最优化设计、方案优化等先进科学的设计方法、设计理论将得到越来越多的应用。

通过概念设计尽可能的降低作用效应。因为降低作用效应，对增加结构安全性、降低造价、节约国家投资意义重大。使用具有高强、轻质、环保等特点的新型建材，建筑物的自重在结构计算中占很大的比重，使用轻质、高强的建材，将使建筑结构设计发生革命性的变化。整体设计包括结构体系的选择、柱网的布置、梁的布置、剪力墙的

分布、基础的选型等。

整体设计一般分主体和基础两部分进行。设计人员根据建筑物的性质、高度、重要程度、当地的抗震设防烈度、风力情况等条件来选择合适的结构体系。是采用砖混结构、框架结构、框剪结构、框支结构、筒体，还是巨型框架……选定结构体系后，就要具体决定柱、梁、墙（剪力墙）的分布和尺寸等。

在进行主体结构内力计算后，主体结构底截面的内力成了基础选型和计算的重要依据。内力计算一般尽量简化为平面体系来计算，但有时必须采用空间受力体系来计算。无论怎样，内力计算最终是对柱、梁、板、墙（剪力墙）和块体这五种部件的计算。也就是说，进行整体设计后，就要进行部件设计。

1.2 部件设计

梁和柱一般可看作细长杆件，内力情况与计算体系相符合。单向板可简化为单位宽度的梁来计算，双向板的计算理论也较成熟，异型板的计算就较为复杂，应尽量避免。对于单片的剪力墙，一般把它视作薄壁柱来近似计算，有时要考虑翼缘的作用；对于筒体结构中的剪力墙则要用空间力学的方法来计算。块体不同于梁、柱、板、墙，它在空间三个方向的尺寸都比较大，难以视作细长杆件或简化为平面体系来计算。如单独基础，桩的承台，深梁都是块体，受力情况很复杂，难以精确分析，所以在计算中往往加大安全系数，以策安全。

1.3 概率极限状态设计法

结构计算理论经历了经验估算、容许应力法、破损阶段计算、极限状态计算，到目前普遍采用的概率极限状态理论等阶段。目前国内结构设计所用的设计方法是概率极限状态设计法，作用效应S必须小于等于结构抗力R，结构要满足强度条件和位移条件。内力计算采用的力学模型一般是弹性模型，要考虑塑性变形内力重分布时，往往是把利用弹性模型计算所得的内力乘以一个调整系数。概率极限状态设计法更科学、更合理。作用效应S小于等于结构抗力R是结构计算的普遍适用公式。

1.4 被动设计法与主动设计法

目前结构计算理论的研究和结构设计似乎只关注如何提高结构抗力R，以至混凝土的等级越用越高，配筋量越来越大，造价越来越高。

我把提高抗力R的设计方法称之为被动设计法。以抗震设计为例，一般是根据初定的尺寸、砼等级算出结构的刚度，再由结构刚度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，结构刚度越大，地震作用效应越大，配筋越多，刚度越大，地震力就越强。这样便会出现为抵御地震而配的钢筋，因为增加了结构的刚度反而使地震作用效应增强的情况。其实，为什么不考虑降低作用效应S呢？

我把降低作用效应S的设计方法称之为主动设计法。在抗震设计中，已有在基础与主体之间设一弹性层，以降低地震作用效应的设计；有的在建筑物顶部装一个“反摆”，地震时它的位移方向与建筑物顶部的位移相反，从而对建筑物的振动产生阻尼作用，减少建筑物的位移，降低地震作用效应。

2.框架-剪力墙结构设计的几个问题

2.1合理的剪力墙布置和剪力墙的合理数量

2.1.1剪力墙合理数量确定

可以采用层结构截面面积（即剪力墙截面面积Aw和柱截面面积Ac之和）与楼面面积Af之比，剪力墙截面面积Aw与楼面面积Af之比从一些设计较合理的工程来看，(Aw+Ac)/Af值和Aw/Af值大约在下表范围之内。

底层结构截面面积与楼面面积之比

设计条件 (Aw+Ac)/Af Aw/Af

7度，Ⅱ类土 3~% 2~3%

8度，Ⅱ类土 4~6% 3~4%

层数多，高度大的框架一剪力墙结构，宜取表中的上限值。上表中为剪力墙纵横两个方向的总量，两个方向剪力墙的数量宜相近。

2.1.2剪力墙的布置

2.1.2.1框架-剪力墙结构中的剪力墙是抗震抗风的主要结构。应沿各主轴方向布置，剪力墙应在纵横两个方向同时布置，并使两个方向的自振周期比较接近。剪力墙的一般布置原则是：均匀、分散、对称、周边。均匀、分散是要求剪力墙的片数多，每片的刚度不要太大，避免地震作用集中在一两片墙上。墙受的力太大，截面设计困难，对称、周边布置是对高层建筑抵抗扭转的要求。

2.1.2.2.一般情况下，剪力墙宜布置在以下部位：竖向荷载较大处；平面形状变化处；楼梯间和电梯间。当楼面有较长的外伸端时，宜在外伸端的适当位置设置剪力墙。纵横向剪力墙宜合并布置为L形、T形和口字形，以提高其强度和刚度。剪力墙的单个墙肢长度不宜大于8m，以免因剪切而破坏；对于过长的单片墙可以留出结构洞口，划分为联肢墙的两个墙肢。如果建筑上不需要这个洞口，可以在施工完毕后用轻质材料封闭。另外，设剪力墙之后，框架柱应予以保留，柱作为剪力墙的端部翼缘，剪力墙端部钢筋配置在柱截面内。端柱加强剪力墙的承载力和稳定性。尽量设置明框梁，如果建筑功能上确实无法设置明梁时应设置暗梁，暗梁的高度与明梁的相同，纵筋与箍筋也与明梁相同，配置在墙身内。

2.2.梁的扭矩问题

梁在空间受力状态下承受扭矩，虽然梁出现扭转裂缝后抗扭刚度大大降低而使扭矩减小，但在正常使用下梁处于弹性状态，所以抗扭刚度本身不予折减。但由于在截面作受扭承载力验算时，梁只考虑了矩形部分，板的作用并没有考虑，所以梁承受的扭矩只是总扭矩的一部分。目前，大多数建筑的楼面为现浇板，因此，现浇楼面梁在设计时，扭矩设计值可以折减，折减系数为0.4~1.0。在具体设计时应注意梁的周边无板的梁的抗扭；装配式楼盖或独立梁的扭矩不应折减。

2.3.框架-剪力墙结构中框架剪力墙的调整

在三维空间程序TBSA计算中采用了楼板平面内刚度无限大的假定，即认为楼板在自身平面内是不变形的。但是在框架-剪力墙结构中，作为主要侧向支承的剪力墙间距很大，实际上楼板是会变形的，变形的结果将会使框架部分的水平位移大于剪力墙的水平位移，相应地，框架实际承受的水平力大于采用刚性楼板假定的计算结果。更为重要的是，剪力墙的刚度大，承受了大部分的水平力。因而在地震作用下，剪力墙会首先开裂，刚度降低，从而使一部分地震力向框架转移，框架受到的地震作用会显著增加。另外，由内力分析可知，框架剪力墙结构中的框架，受力情况不同于纯框架结构中的框架，它下部楼层的计算剪力很小，到底部接近于零。显然直接按照计算的剪力进行配筋是不安全的，必须予于适当的调整，使框架具有足够的抗震能力，使框架成为框架剪力墙结构的第二道防线。具体设计时对于底层大底盘结构应对裙房部分和上部主体部分分别进行调整；还有结构沿竖向变化很大，平面不规则的结构在调整时应加以分析。

3 结束语

总之，结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。设计人员要从一个个基本的构件算起，做到知其所以然，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计，在工作中应事无巨细，善于反思和总结工作中的经验和教训。

参考文献:

［1］抗震规范.GB50011-2010

［2］混凝土结构设计规范.GB50010-2010