趙永福 姜華 黃耀
【摘要】結構設計分為理論設計和概念設計.理論設計是結構根據計算理論和當時的規範對結構進行計算模型的假設及受力狀態的假定的前提下，對結構進行計算分析，然後利用計算分析結果進行設計。地震是一種隨機難以掌握的振動，有複雜性和不確定性，要準確預測建築物所遭遇地震的特性和參數目前尚難做到。本文從這幾個方面進行分析探討。
【關鍵詞】概念設計；抗震設計；結構設計；偶合作用
結構設計分為理論設計和概念設計兩個步驟。理論設計是結構工程師根據計算理論和當時的規範，在對結構進行計算模型的假設及受力狀態的假定的前提下，對結構進行計算分析，得出數據式的結果，然後利用計算分析結果進行設計。概念設計則是指不經數值計算，尤其在一些難以做出精確理性分析或在規範中難以規定的問題中，依據整體結構體系與分體系之間的力學關係、結構破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度來確定建築結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。在建築設計方案階段，從總體出發，採用概念性近似計算方法，能迅速、有效地對結構體系進行構思、比較和選擇。這種方法雖有一定誤差，但概念清楚、定性準確、採取經驗總結匯總的手算簡單快捷，能很快選擇出最佳方案，具有較好的經濟、可靠性能，同時也是施工圖設計階段判斷計算機內力分析輸出數據可與否的重要依據。
1.概念設計的必要
概念設計應用範圍較廣泛，幾乎組成包含了所有的結構設計。在不確定因素多、受力狀態變化較大的抗震設計、基礎設計、高層建築設計中，概念設計的應用尤顯重要和突出。概念設計的重要性，主要體現在三方面：
（1）因為現行的結構設計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性。為了彌補計算理論的缺陷，或實現對世界存在的大量無法計算的結構構件的設計，都需要用概念設計來滿足結構設計的目的。
（2）由於在方案設計階段，初步設計過程是不可能藉助於計算機來實現的。這就需要結構工程師綜合運用其掌握的結構概念，選擇效果最好、造價最低的結構方案。概念設計在設計人員中提得比較多，但往往被人們片面地理解，認為其主要是用於一些大的原則，如確定結構方案、結構布置等。其實，在設計中任何地方都離不開科學的概念作指導。
（3）由於計算機計算結果的高精度，容易給結構設計人員帶來對結構工作性能出現的可能誤解，過分地依賴於計算機和設計軟體，進行習慣性、傳統的結構設計，對計算結果明顯不合理、甚至錯誤的地方不能及時發現，使許多的建築結構留下安全隱患。因此，概念設計在結構設計中具有重要的地位。
2.抗震概念設計要求
2.1地震是一種隨機難以掌握的振動，有複雜性和不確定性，要準確預測建築物所遭遇地震的特性和參數，目前尚難做到。在結構分析方面，由於未能充分考慮結構的空間作用、結構材料的非彈性性質、材料時效、阻尼變化等多種因素，同時也存在著不準確性。因此，工程抗震問題不能完全依賴於「計算設計」全部解決下了問題，而必須立足於「概念設計」。結構抗震概念時間的目標是使主體結構能發揮耗散地震能量的作用，避免結構出現敏感的薄弱部位。地震能量的聚散，如果僅集中在少數薄弱部位，必會導致結構過早破壞，目前各種抗震設計方法的前提之一就是假定整個結構發揮耗散地震能量的作用，在此前提下才能以多遇地震即小震次數作用進行結構計算、構件截面時間並輔以相應的構造措施，必要時採用彈性時程分析法進行補充計算，試圖達到罕遇地震（大震）作用下結構不倒塌給人員逃生時間的目標。
2.2為了保證建築物具有足夠的抗震能力，通過概念設計從宏觀上控制結構的抗震性能，應充分考慮以下環節：（1）選擇對控制有利的場地及地基，避免地面變形的直接危害，採取措施保證地基的穩定性。（2）進行合理的基礎設計，同一結構單元不宜設置在性質不同的地基土上，不宜採用不同的基礎形式，設計時宜最大限度地發揮地基的潛力。（3）建築物的體型應力求簡單、規則、對稱、質量和剛度變化均勻，以減少地震作用產生的變形、應力集中及扭轉反應。（4）選擇合理的結構體系，抗震構件力求均勻對稱，設置多道抗震防線，避免局部出現薄弱部位，要求結構布置受力明確，傳力簡捷。（5）各類構件之間要有可靠的連接，並具有必要的強度和變形能力，從而獲得整個結構良好的抗震性能。（6）強調結構空間整體性，平面加強連接，豎向確保足夠整體剛度。（7）重視對非結構構件的處理，利用其對主體結構的有利影響，避免不合理設置導致對主體結構的有利影響。同時儘量減輕結構自重，減少地基土壓力，從而降低向建築物傳輸的地震力。
3.結構概念設計的運用
（1）運用概念設計的思想方法，也使得結構設計的思路得到了拓寬。傳統的結構計算理論的研究和結構設計似乎只關注如何提高結構抗力R，以致使砼的強度等級越來越高，配筋量越來越大，造價也越來越高。結構工程師往往只注意到不超過最大配筋率，結果是肥梁、胖柱、深基礎處處可見。以抗震設計為例，一般是根據初定的尺寸、砼等級算出結構的剛度，再由結構剛度算出地震力，然後算配筋。但是大家知道，結構剛度越大，地震作用效應也越大，配筋越多，剛度越大，地震力就越強。這樣為抵禦地震而配的鋼筋，增加了結構的剛度，反而使地震作用效應增強。其實，為什麼不考慮降低作用效應S呢？目前在抗震設計中，隔震消能的研究就是一個很好的例子。隔震消能的一般作法是在基礎與主體之間設柔性隔震層；加設消能支撐（類似於阻尼器的裝置）；有的在建築物頂部裝一個「反擺」，地震時它的位移方向與建築物頂部的位移相反，從對建築物的振動加大阻尼作用，降低加速度，減少建築物的位移，來降低地震作用效應。合理設計可降低地震作用效應達60%，並提高屋內物品的安全性。這一研究在國內外正廣泛地深入展開。在日本，研究成果已經廣泛應用於實際工程中，取得良好的經濟、適用效果。而我國由於經濟、技術和人們認識的限制，在工程界還未被廣泛地應用。
（2）同時，在目前建築結構抗震鑑定及加固中，概念設計的思想也應得到延伸。在1976年唐山地震中，天津市加固的2萬間民房無一倒塌，但天津第二毛紡廠3層的框架廠房，卻因偏重於傳統構部件的加固，忽視結構總體抗震性能的判斷，造成不合理的加固，使抗震薄弱層轉移，最終倒塌。抗震驗算時不同的樓蓋及布置（整體性）決定了採用剛性、剛柔、柔性理論計算。在建築結構設計中，合理地確定建築物的剛度是非常重要的。建築物的剛度不宜太大，剛度大則結構自振周期就短，在地震時結構所承受的地震作用就大，相對後果較重，且造成材料的浪費；剛度也不宜過柔，過柔的建築結構在地震時就會產生過大的變形，影響其強度、穩定性和正常使用。
（3）抗震驗算時應特別注意場地土類別。8度設防建築物超過5層有條件時，儘量採用剪力牆，可大大改善結構的抗震性能。框架結構應設計成雙向樑柱剛接體系，但也允許部分的框架梁搭在另一框架樑上。應加強垂直地震作用的設計，從震害分析，規範給出的垂直地震作用明顯不足。
（4）雨蓬不允許從填充牆內挑出。採用的大跨度雨蓬、陽台等處梁應考慮抗扭。考慮抗扭時，扭矩為梁中心線處板的負彎矩乘以跨度的一半。框架梁、柱的混凝土等級宜相差一級。由於某些原因造成梁或過梁等截面較大時，應驗算構件的最小配筋率。出屋面的樓梯間不得採用磚混結構。考慮地震作用時必須充分領會和靈活運用抗震概念設計的優化準則和採取相應的構造措施。優化準則「強節弱杆」——防止節點破壞先於構件；「強柱弱梁」——防止杆系發生樓層傾移破壞機制，要求柱的抗彎能力高於梁的抗彎能力；「強剪弱彎」——防止構件剪力破壞，要求杆件的受剪承載力高於受彎承載力；「強壓弱拉」——對杆件截面而言，為避免杆件在彎曲時發生受壓區砼破裂的脆性破壞，使受拉區鋼筋承載力低於受拉區砼受壓承載力。
（5）保證措施有兩個方面：一是調整或限制構件的荷載效應；二是強制規定必要的構造措施。這連個方面在《高層建築物混凝土結構技術規程》（JGJ3-2002）有詳細的規定，有的則是以強制性條文提出嚴格要求。如《高層建築物混凝土結構技術規程》中第6.3.2條的第1點限制梁端截面砼受壓區高度與有效高度之比，就是保證梁的變形能力，而它又決定於梁端塑性轉動量，而塑性轉動量又與截面混凝土受壓區的相對高度密切相關；試驗研究結果表明，要使鋼筋混凝土梁的位移延性係數達到3～4，混凝土受壓區相對高度必須控制在0.25～0.35。又如：對鋼筋混凝土杆件而言，杆件截面的平均剪應力過高，都會降低箍筋的抗剪效果，平均剪應力較小時，可以避免出現剪切破壞。
在建築結構設計中還應充分考慮地震的偶合作用；堅持「小震不壞，大震不倒」；多道設防的抗震設計原則，這也是從許多教訓中總結的經驗。
參考文獻
［1］韋潤忠簡述建築結構設計中的概念設計和經驗［J］.科技資訊，2008（5）：108.
［2］陳教洪談概念設計在建築結構設計中的應用［J］.建材與裝飾（中旬刊），2008（2）：12.
【摘要】結構設計分為理論設計和概念設計.理論設計是結構根據計算理論和當時的規範對結構進行計算模型的假設及受力狀態的假定的前提下，對結構進行計算分析，然後利用計算分析結果進行設計。地震是一種隨機難以掌握的振動，有複雜性和不確定性，要準確預測建築物所遭遇地震的特性和參數目前尚難做到。本文從這幾個方面進行分析探討。
【關鍵詞】概念設計；抗震設計；結構設計；偶合作用
結構設計分為理論設計和概念設計兩個步驟。理論設計是結構工程師根據計算理論和當時的規範，在對結構進行計算模型的假設及受力狀態的假定的前提下，對結構進行計算分析，得出數據式的結果，然後利用計算分析結果進行設計。概念設計則是指不經數值計算，尤其在一些難以做出精確理性分析或在規範中難以規定的問題中，依據整體結構體系與分體系之間的力學關係、結構破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度來確定建築結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。在建築設計方案階段，從總體出發，採用概念性近似計算方法，能迅速、有效地對結構體系進行構思、比較和選擇。這種方法雖有一定誤差，但概念清楚、定性準確、採取經驗總結匯總的手算簡單快捷，能很快選擇出最佳方案，具有較好的經濟、可靠性能，同時也是施工圖設計階段判斷計算機內力分析輸出數據可與否的重要依據。
1.概念設計的必要
概念設計應用範圍較廣泛，幾乎組成包含了所有的結構設計。在不確定因素多、受力狀態變化較大的抗震設計、基礎設計、高層建築設計中，概念設計的應用尤顯重要和突出。概念設計的重要性，主要體現在三方面：
（1）因為現行的結構設計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性。為了彌補計算理論的缺陷，或實現對世界存在的大量無法計算的結構構件的設計，都需要用概念設計來滿足結構設計的目的。
（2）由於在方案設計階段，初步設計過程是不可能藉助於計算機來實現的。這就需要結構工程師綜合運用其掌握的結構概念，選擇效果最好、造價最低的結構方案。概念設計在設計人員中提得比較多，但往往被人們片面地理解，認為其主要是用於一些大的原則，如確定結構方案、結構布置等。其實，在設計中任何地方都離不開科學的概念作指導。
（3）由於計算機計算結果的高精度，容易給結構設計人員帶來對結構工作性能出現的可能誤解，過分地依賴於計算機和設計軟體，進行習慣性、傳統的結構設計，對計算結果明顯不合理、甚至錯誤的地方不能及時發現，使許多的建築結構留下安全隱患。因此，概念設計在結構設計中具有重要的地位。
2.抗震概念設計要求
2.1地震是一種隨機難以掌握的振動，有複雜性和不確定性，要準確預測建築物所遭遇地震的特性和參數，目前尚難做到。在結構分析方面，由於未能充分考慮結構的空間作用、結構材料的非彈性性質、材料時效、阻尼變化等多種因素，同時也存在著不準確性。因此，工程抗震問題不能完全依賴於「計算設計」全部解決下了問題，而必須立足於「概念設計」。結構抗震概念時間的目標是使主體結構能發揮耗散地震能量的作用，避免結構出現敏感的薄弱部位。地震能量的聚散，如果僅集中在少數薄弱部位，必會導致結構過早破壞，目前各種抗震設計方法的前提之一就是假定整個結構發揮耗散地震能量的作用，在此前提下才能以多遇地震即小震次數作用進行結構計算、構件截面時間並輔以相應的構造措施，必要時採用彈性時程分析法進行補充計算，試圖達到罕遇地震（大震）作用下結構不倒塌給人員逃生時間的目標。
2.2為了保證建築物具有足夠的抗震能力，通過概念設計從宏觀上控制結構的抗震性能，應充分考慮以下環節：（1）選擇對控制有利的場地及地基，避免地面變形的直接危害，採取措施保證地基的穩定性。（2）進行合理的基礎設計，同一結構單元不宜設置在性質不同的地基土上，不宜採用不同的基礎形式，設計時宜最大限度地發揮地基的潛力。（3）建築物的體型應力求簡單、規則、對稱、質量和剛度變化均勻，以減少地震作用產生的變形、應力集中及扭轉反應。（4）選擇合理的結構體系，抗震構件力求均勻對稱，設置多道抗震防線，避免局部出現薄弱部位，要求結構布置受力明確，傳力簡捷。（5）各類構件之間要有可靠的連接，並具有必要的強度和變形能力，從而獲得整個結構良好的抗震性能。（6）強調結構空間整體性，平面加強連接，豎向確保足夠整體剛度。（7）重視對非結構構件的處理，利用其對主體結構的有利影響，避免不合理設置導致對主體結構的有利影響。同時儘量減輕結構自重，減少地基土壓力，從而降低向建築物傳輸的地震力。
3.結構概念設計的運用
（1）運用概念設計的思想方法，也使得結構設計的思路得到了拓寬。傳統的結構計算理論的研究和結構設計似乎只關注如何提高結構抗力R，以致使砼的強度等級越來越高，配筋量越來越大，造價也越來越高。結構工程師往往只注意到不超過最大配筋率，結果是肥梁、胖柱、深基礎處處可見。以抗震設計為例，一般是根據初定的尺寸、砼等級算出結構的剛度，再由結構剛度算出地震力，然後算配筋。但是大家知道，結構剛度越大，地震作用效應也越大，配筋越多，剛度越大，地震力就越強。這樣為抵禦地震而配的鋼筋，增加了結構的剛度，反而使地震作用效應增強。其實，為什麼不考慮降低作用效應S呢？目前在抗震設計中，隔震消能的研究就是一個很好的例子。隔震消能的一般作法是在基礎與主體之間設柔性隔震層；加設消能支撐（類似於阻尼器的裝置）；有的在建築物頂部裝一個「反擺」，地震時它的位移方向與建築物頂部的位移相反，從對建築物的振動加大阻尼作用，降低加速度，減少建築物的位移，來降低地震作用效應。合理設計可降低地震作用效應達60%，並提高屋內物品的安全性。這一研究在國內外正廣泛地深入展開。在日本，研究成果已經廣泛應用於實際工程中，取得良好的經濟、適用效果。而我國由於經濟、技術和人們認識的限制，在工程界還未被廣泛地應用。
（2）同時，在目前建築結構抗震鑑定及加固中，概念設計的思想也應得到延伸。在1976年唐山地震中，天津市加固的2萬間民房無一倒塌，但天津第二毛紡廠3層的框架廠房，卻因偏重於傳統構部件的加固，忽視結構總體抗震性能的判斷，造成不合理的加固，使抗震薄弱層轉移，最終倒塌。抗震驗算時不同的樓蓋及布置（整體性）決定了採用剛性、剛柔、柔性理論計算。在建築結構設計中，合理地確定建築物的剛度是非常重要的。建築物的剛度不宜太大，剛度大則結構自振周期就短，在地震時結構所承受的地震作用就大，相對後果較重，且造成材料的浪費；剛度也不宜過柔，過柔的建築結構在地震時就會產生過大的變形，影響其強度、穩定性和正常使用。
（3）抗震驗算時應特別注意場地土類別。8度設防建築物超過5層有條件時，儘量採用剪力牆，可大大改善結構的抗震性能。框架結構應設計成雙向樑柱剛接體系，但也允許部分的框架梁搭在另一框架樑上。應加強垂直地震作用的設計，從震害分析，規範給出的垂直地震作用明顯不足。
（4）雨蓬不允許從填充牆內挑出。採用的大跨度雨蓬、陽台等處梁應考慮抗扭。考慮抗扭時，扭矩為梁中心線處板的負彎矩乘以跨度的一半。框架梁、柱的混凝土等級宜相差一級。由於某些原因造成梁或過梁等截面較大時，應驗算構件的最小配筋率。出屋面的樓梯間不得採用磚混結構。考慮地震作用時必須充分領會和靈活運用抗震概念設計的優化準則和採取相應的構造措施。優化準則「強節弱杆」——防止節點破壞先於構件；「強柱弱梁」——防止杆系發生樓層傾移破壞機制，要求柱的抗彎能力高於梁的抗彎能力；「強剪弱彎」——防止構件剪力破壞，要求杆件的受剪承載力高於受彎承載力；「強壓弱拉」——對杆件截面而言，為避免杆件在彎曲時發生受壓區砼破裂的脆性破壞，使受拉區鋼筋承載力低於受拉區砼受壓承載力。
（5）保證措施有兩個方面：一是調整或限制構件的荷載效應；二是強制規定必要的構造措施。這連個方面在《高層建築物混凝土結構技術規程》（JGJ3-2002）有詳細的規定，有的則是以強制性條文提出嚴格要求。如《高層建築物混凝土結構技術規程》中第6.3.2條的第1點限制梁端截面砼受壓區高度與有效高度之比，就是保證梁的變形能力，而它又決定於梁端塑性轉動量，而塑性轉動量又與截面混凝土受壓區的相對高度密切相關；試驗研究結果表明，要使鋼筋混凝土梁的位移延性係數達到3～4，混凝土受壓區相對高度必須控制在0.25～0.35。又如：對鋼筋混凝土杆件而言，杆件截面的平均剪應力過高，都會降低箍筋的抗剪效果，平均剪應力較小時，可以避免出現剪切破壞。
在建築結構設計中還應充分考慮地震的偶合作用；堅持「小震不壞，大震不倒」；多道設防的抗震設計原則，這也是從許多教訓中總結的經驗。
參考文獻
［1］韋潤忠簡述建築結構設計中的概念設計和經驗［J］.科技資訊，2008（5）：108.
［2］陳教洪談概念設計在建築結構設計中的應用［J］.建材與裝飾（中旬刊），2008（2）：12.
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