结构概念设计分解

一、概念设计1．结构设计中为什么要强调概念设计？我们在结构设计中强调概念设计，就是要求建筑师和结构工程师在建筑设计中应特别重视规范和规程中有关结构概念设计的各条规定，设计中不能陷入只凭计算的误区。若结构严重不规则，整体性差，则仅按目前的结构设计水平，难以保证结构的抗震和抗风性能，尤其是抗震性能。而在高层建筑抗震设计中，更要非常重视概念设计。这是因为高层建筑结构的复杂性，发生地震时地震动的不规则性，人们对地震时结构响应认识的局限性以及其它不可预测的因素，致使设计计算结果可能和实际相差较大，甚至有些作用效应至今尚无法定量计算出来。因此在设计中，虽然分析计算是必须的，也是设计的重要依据。但仅此往往不能满足结构安全性和可靠性的要求，不能达到预期的设计目标，还必须非常重视概念设计。从某种意义上讲，概念设计甚至比分析计算更为重要。概念设计是通过无数的事故分析，历年来国内外震害分析和模拟试验的定量定性分析以及长期以来国内外的设计与使用经验分析和归纳总结出来的。而概念设计所要求的原则、规定和方法，往往都是基础性、整体性和全局性以及关键性的，有些概念设计的要求，为整个设计设置了两道防线，保证了建筑物的安全可靠。2．做好概念设计应掌握哪些方面知识？概念设计是结构设计人员运用所掌握的知识和经验，从宏观上决定结构设计中的基本问题，要做好概念设计，应掌握以下各方面的内容：结构方案要根据建筑使用功能、房屋高度、地理环境、施工技术条件和材料供应情况、有无抗震设防等选择合理的结构类型；竖向荷载、风荷载及地震作用对不同结构体系的受力特点；竖向荷载、风荷载及地震作用的传递途径；结构破坏的机制和过程，以加强结构的关键部位和薄弱环节；建筑结构的整体性，承载力和刚度在平面内及沿高度均匀分布，避免突变和应力集中；预估和控制各类结构及构件塑性铰区可能出现的部位和范围；抗震房屋应设计成具有高延性的耗能结构并具有多道防线；地基变形对上部结构的影响，地基基础与上部结构协同工作的可能性；各类结构材料的特性及其受温度变化的影响；非结构性部件对主体结构抗震产生的有利和不利影响，要协调布置，并保证与主体结构连接构造的可靠性。3．结构抗震概念设计的基本原则是什么？结构抗震概念设计的目标是使整体结构能发挥耗散地震能量的作用，避免结构出现敏感的薄弱部位，地震能量的耗散如果仅集中在极少数的薄弱部位，将导致结构过早破坏。现有抗震设计方法的前提之一是假定整个结构都能发挥耗散地震能量的作用，在此前提下，才能以多遇地震作用进行结构计算和构件设计并加以构造措施，或采用动力时程分析进行验算，试图达到罕遇地震作用下结构不倒塌的目标，所以结构抗震概念设计的基本原则是：（1）结构的简单性结构简单是指结构在抗震作用下具有直接和明确的传力途径，结构的计算模型、内力和位移分析以及限制薄弱部位出现都易于把握，对结构抗震性能的估计也比较可靠。（2）结构的规则性和均匀性①沿建筑物竖向，建筑造型和结构布置比较均匀，避免刚度、承载能力和传力途径的突变，以限制结构在竖向某一楼层或极少数几个楼层出现敏感的薄弱部位，这些部分将产生过大的应力集中或过大的变形。容易导致结构过早的倒塌。②建筑平面比较规则。平面内结构布置比较均匀，使建筑物分布质量产生的地震惯性力能以比较短和直接的途径传递并使质量分布与结构刚度分布协调，限制质量与刚度之间的偏心。建筑平面规则，结构布置均匀，有利于防止薄弱的子结构过早破坏和倒塌，使地震作用能在各子结构之间重分布，增加结构的自由度数量，发挥整个结构耗散地震能量的作用。（3）结构的刚度和抗震能力①水平地震作用是双向的，结构布置应使结构能抵抗任意方向的地震作用。通常可使结构沿平面上两个主轴方向具有足够的刚度和抗震能力。结构的抗震能力则是结构承载力及延性的综合反映。②结构刚度选择时，虽可考虑场地特征，选择结构刚度，以减少地震作用效应，但也要注意控制结构变形的增大，过大的变形将会因P-△效应过大而导致结构破坏。③结构除需要满足水平方向的刚度和抗震能力外，还应具有足够的抗扭刚度和抵抗扭转震动的能力。现有的抗震设计计算中不考虑地震地面运动的扭转分量。在概念设计中应注意提高结构的抗扭刚度和抵抗扭转震动的能力。（4）结构的整体性①在建筑结构中，楼盖对于结构的整体性起到了非常重要的作用，楼盖相当于水平隔板，它不仅聚集和传递惯性力到各个竖向抗侧力子结构，而且要使这些子结构能够协同承受地震力，特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或各抗侧力子结构水平变形特征不同时，整个结构就要依靠楼盖使各抗侧力子结构能协同工作。楼盖体系最重要的作用是提供足够的平面内刚度和抗力，并与竖向各子结构有效连接，当结构空旷，平面狭长或平面凹凸不规则，或楼盖开大洞口时，更应特别注意。设计中不能误以为，在多遇地震作用计算中考虑了楼板平面内弹性变形影响后，就可削弱楼盖体系。②结构基础的整体性尤其是高层结构基础的整体性以及基础与上部结构的可靠连接是结构整体性的重要保证。4．结构抗震设计的基本要求是什么（1）三水准设防要求结构采用三个水准进行抗震设防，即小震不坏，中震可修，大震不倒第一水准：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震（重现期约50年）影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用。结构仍处于弹性状态，可以用弹性反应谱进行地震作用计算，按承载力要求进行截面设计，并控制结构弹性变形符合要求。第二水准：当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震（重现期约475年）影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。结构产生塑性变形，依靠塑性耗能能力，使结构保持稳定得以保存下来，此时结构抗震设计应按变形要求设计。第三水准：当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震（重现期约1600～2400年）影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。结构进入弹塑性大变形状态，此时应考虑防倒塌设计。多遇地震：50年一遇，比抗震设防烈度约低1.55度。罕遇地震：1600～2400年一遇，比抗震设防烈度约高1度。抗震设防烈度：地震475年一遇。（2）二阶段抗震设计要求二阶段抗震设计是对三水准抗震设计的具体事实，通过二阶段设计中的第一阶段对构件截面承载力验算和第二阶段对弹塑性变形验算，并与构造措施相结合，从而实现小震不坏，中震可修，大震不倒的抗震要求。①第一阶段设计对于结构设计，首先应满足第一和第二水准的抗震要求，先按多遇地震的地震动参数设计地震作用，进行结构分析和地震内力计算，考虑各分析系数和荷载组合系数等进行荷载与地震作用产生内力的组合，进行截面、配筋计算以及结构弹性位移控制，并采取构造措施保证结构的延性，使之满足第二水准的变形能力，这样就实现了小震不坏，中震可修。这一阶段设计对所有抗震设计的建筑结构都必须进行。②第二阶段设计对地震时地震能力较弱或抗震要求较高的甲类建筑结构要进行薄弱层的塑性变形验算，并采取措施提高薄弱层的承载力和变形能力，这一阶段设计主要是针对甲类建筑和特别不规则的结构。（3）结构延性要求结构的延性好，吸收地震能量就大，有较好的抗震性能和耐震性能。多高层混凝土结构的延性要求为μ=4～8，从保证延性的重要性而言，抗震结构的构造措施比计算更重要。（4）结构自振周期要求结构自振周期应与地震动卓越周期错开，避免共振造成灾害。结构自振周期参考值：框架结构：T=0.085N框-剪结构：T=0.065N框-筒结构：T=0.06SN剪力墙结构：T=0.05N（5）结构抗震设防要求抗震结构尽可能设置多道抗震防线，应采用具有联肢墙、壁式框架的剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框架核心筒结构，筒中筒结构等多重抗侧力结构体系。高层结构避免采用框架结构。（6）抗震结构的承载力和刚度要求抗震结构的承载力和刚度要适应在地震作用下的动力要求，并应均匀连续分布。在一般静力设计中，任何部位的超强设计都不会影响结构的安全。而抗震设计中，某一部分结构的超强，就可能造成某些部位相对薄弱，因此在抗震设计中要严格遵循该强就强该弱就弱的设计原则，不得任意加强。在施工过程中，以大代小，以高强钢号代替低钢号改变配筋，应按钢筋承载力相等的原则进行换算。（7）结构的塑性铰区要求合理的控制结构的塑性铰区位置，掌握结构的屈服过程和屈服机制，要采取有效措施防止过早的混凝土剪切破坏、钢筋锚固滑移和混凝土压碎等脆性破坏。为保证混凝土和钢筋共同工作，必须使钢筋有足够的锚固长度和混凝土饱和层厚度。在设计中无论柱、梁的纵向钢筋、墙的分布钢筋和楼板钢筋，直径宜细不宜粗，间距宜密不宜稀。二．荷载作用1．高层建筑和公共建筑的走廊、门厅、楼梯和楼面的均布活荷载标准值取2.5KN/㎡?不可以。荷载规范中当人流密集时，其走廊、门厅、楼梯和楼面的均布活荷载标准值取3.5KN/㎡。2．楼梯间是否按消防疏散楼梯楼面活荷载标准值取值？这要根据建筑要求，是否是消防疏散楼梯，如果是，则按3.5KN/㎡取值，如果不是则按相应项取值。3．消防车荷载如何确定？荷载规范规定，消防车均布活荷载标准值，当单向板楼盖（板跨不小于2m）取3.5KN/㎡，双向板楼盖和无梁楼盖（柱网尺寸不小于6mx6m）取20KN/㎡。而实际上当楼盖上方有较厚的地面作法及较厚的填土层时，取上述荷载是不确切的，应按当地使用的最大消防车轮压值及楼盖上覆盖层厚度确定，作用在结构面上的面积和重量，按此计算内力和配筋。而某些楼盖处地面作法较薄时，还应按轮压验算楼板的冲切及局部荷载作用下的内力和配筋。4．框架结构设计时，是否考虑灵活布置的非固定隔墙荷载这一问题，在设计时我们应征求甲方的意见，将其利弊和甲方说明白，利用框架结构的优点，便于以后进行不同用途的分隔。对这种荷载取每沿米墙重KN/m的1/3作为活荷载标准值（KN/㎡）加在楼面活荷载中，并加以说明。5．地下室顶板是否考虑施工堆载？地下室顶板设计应考虑施工过程中的材料堆放荷载，可取4.0KN/㎡，并在说明中加以注明。6．在何种情况下采用永久荷载分享系数1.35？根据荷载规范，对于基本组合当由可变荷载效应控制的组合：S1=γGSGK+γQSQK（1）γG--当其作用对结构不利时1.2，γQ=1.4S1=1.2SGK+1.4SQK当由永久荷载效应控制的组合：S2=1.35SGK+1.4x0.7SQKS2S1则1.35SGK+1.4x0.7SQK1.2SGK+1.4SQKSGK2.8SQK则当永久荷载大于可变荷载2.8倍时，永久荷载分项系数取1.35。7．怎样估算各类结构楼层单位面积的重量特征值？钢筋混凝土多高层建筑，单位面积的重量标准值与结构类型、层数、使用性质、抗震设防烈度和填充墙材料等有关。根据实际工程的统计结果，下列数值可作为估算地基基础结构构件截面，结构底部总剪力的参考依据：框架结构：11～14KN/㎡框架-剪力墙结构：12～15KN/㎡剪力墙结构：13～16KN/㎡框架-核心筒结构：13～15KN/㎡当建筑物高度较高（大于20层）可取上限，较低时可取下限，地下室每层可按20KN/㎡估算。8．风荷载的基本风压怎样取值？基本风压W0是以当地比较空旷平坦地面上离地面10米高平均最大风速为标准。荷载规范规定，基本风压应按规范附录中给出的50年（n=50）一遇风压采用，但不得小于0.3KN/㎡，对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其他结构，基本风压应适当提高，并应由有关的结构设计规范具体规定。对于特别重要的高层建筑，目前尚无统一明确的定义，一般可根据《建筑结构可靠度设计统一标准》规定的设计使用年限和安全等级确定，设计使用年限为100年的或安全等级为一级的高层建筑可认为是特别重要的高层建筑。对风荷载是否比较敏感，主要与高层建筑的自振特性有关，如结构的自振频率和振型等。对于前几阶振型频率比较密集和振型比较复杂的高层建筑结构，高振型影响不可忽视，因此应适当提高风压取值。为了便于执行，《高规》说明指出，一般情况下，房屋高度大于60m的高层建筑可取100年一遇的风压值；对于房屋高度不超过60m的高层建筑其风压值是否提高，根据结构的侧向刚度确定，侧向刚度较大的就不用提高。对房屋相互间距较近的建筑群，由于旋涡的相互干扰，房屋的某些部位的局部风压会