建筑结构概念设计浅析

建筑结构概念设计浅析

沈伟

中南建筑设计院股份有限公司湖北武汉430071

摘要：随着我国社会经济的快速发展，形形色色的（超）高层建筑也如雨后春笋般涌现出来，在土地资源凸显不足的当今社会，高层建筑必将成为城市的主流趋势；同时，人们对建筑审美的要求也越来越高，各式各样大跨度、大空间的复杂公共建筑被建筑师创作出来，并得以实现。然而，我国位于世界两大地震带――环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分活跃；2008年5月12日发生的汶川地震，其强度之大，波及面之广，破坏性之巨，余震持续之久，在全球大陆地震中殊有，给人们的生命和财产造成巨大损失。因此，建筑的安全性是广大结构工程师考虑的首要问题，而建筑结构的概念设计在建筑的安全性上起着至关重要作用。结构概念设计不是某种具体的方法，它贯穿在结构设计的每一步骤，包括方案布置、结构计算、结构构造等，它是结构设计的基本功。本文简单阐述了高层建筑结构中概念设计的重要性以及结构概念设计在结构抗震设计中的应用。

关键词：高层建筑；建筑结构；概念设计

1何为建筑结构概念设计

建筑结构概念设计是指工程结构设计人员运用所掌握的理论知识和工程经验，在建筑方案阶段及初步设计阶段，从宏观上、总体上和原则上去决策和确定高层建筑结构设计中的一些最基本、最本质也是最关键的问题，主要涉及结构方案的选定和布置、荷载和作用传递路径的设置、关键部位和薄弱环节的判定和加强、结构整体稳定性保证和耗能作用发挥以及承载力和结构刚度在平面内和沿高度的均匀分配；结构分析理论的假定等等。概念设计是一种思路，是一种定性的设计，它不以精确的力学分析、生搬硬套的规范条文为依据，而是对工程进行概括性的分析，制定设计目标，采取相应的结构措施。建筑抗震设计三个水准的设防目标“小震不坏、中震可修、大震不倒”及二阶段设计（第一阶段设计是承载力验算；第二阶段设计是弹塑性变形验算）便是结构概念设计的体现。

2结构概念设计在结构抗震设计中的应用

2.1建筑结构的总体指标控制

结构工程师们对国内外历次震害教训经验的积累，以及对各类结构试验研究结果的了解和应用得知，结构控制高层建筑整体性的设计指标主要有：周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、剪重比、刚重比以及轴压比等。

1）周期比是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期的比值。周期比控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而非其绝对大小，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应，而不是在要求结构具有足够大的刚度。

2）位移比是控制结构平面规则性的重要指标，是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值。结构是否规则、对称，平面内刚度分布是否均匀是结构本身的性能，可以用结构刚心与质心的相对位置表示，二者相距较远的结构在地震作用下扭转可能较大。由于刚心与质心位置都无法直接定量计算，规范采用了校核结构位移比的要求。在楼板平面内无限刚性的假定下，增加了附加偏心距5%L计算校核位移比。

3）刚度比是控制结构竖向规则的重要指标，体现了结构整体的竖向匀称度。楼层侧向刚度可取该楼层剪力和该楼层层间位移的比值。在判断楼层是否为薄弱层、地下室是否能作为嵌固端、转换层刚度是否满足要求时，都是用层刚度比作为依据。

4）层间受剪承载力之比也是用来控制结构竖向不规则的重要指标。层间受剪承载力是指在所考虑的水平地震作用方向上，该层全部柱及剪力墙的受剪承载力之和。楼层抗剪承载力的简化计算，只与竖向构件尺寸、配筋有关，与它们的连接关系无关。由于楼层承载力产生的薄弱层，只能通过调整配筋提高结构的承载能力来解决，如提高“超配系数”等。

5）剪重比是反映地震作用大小的重要指标，是对应于水平地震作用标准值的剪力与重力荷载代表值的比值。由于在长周期作用下，地震影响系数下降较快，计算出来的水平地震作用下的结构效应可能偏小。而对于长周期结构，地震地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大的破坏作用，但采用振型分解法时无法对此做出较准确的计算。因此出于安全的考虑，规范规定了最小剪重比。

6）刚重比是控制结构整体稳定的重要因素，也是影响重力二阶效应（即P-Δ效应）的主要参数，是结构刚度与重力荷载之比。重力二阶效应包含两部分，（1）由构件挠曲引起的附加重力效应；（2）由水平荷载产生侧移，重力荷载由于侧移引起的附加效应。一般只考虑第后一种，前一种对结构影响很小。当结构侧移越来越大时，重力产生的附加效应也将越来越大，从而降低构件承载力直至最终失稳。

7）轴压比是控制框架柱截面延性性能的主要指标，是指柱考虑地震作用组合的轴压力设计值与柱全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值。控制轴压比限值的目的是要求框架柱截面达到具有较好延性性能的大偏压延性破坏状态，以防止小偏心受压状态的脆性破坏。从而保证框架结构在罕遇地震作用下，即使超出弹性极限仍具有足够大的弹塑性极限变形能力,实现“大震不倒”的设计目的。

2.2建筑结构的延性和刚度

简单的通过提高结构的强度来提高建筑的抗震性这一理念是极不可取的，事实上，提高结构的延性可以很好的抵抗地震作用下的非弹性变形。结构的延性是指结构在外力作用下吸收外力能量后的变形能力。在地震作用下，如果高层建筑结构具有良好的延性，将会吸收更多的地震能，承受住更大的变形。所以，通过增加结构的延性，能够提高建筑的抗震性，削弱地震对建筑的破坏性。由于设计地震力的取值是由地震力降低系数的取值决定的，而设计地震力的取值又决定了对建筑结构延性的要求，所以我们可以根据地震力降低系数的高低来决定建筑对延性要求的大小。

在建筑结构的设计过程中，结构沿竖向刚度宜均匀，避免薄弱层减少鞭梢效应。结构宜做成上下等宽或由下向上逐渐减小体型，更重要的是结构抗侧刚度应当沿高度均匀，或沿高度逐渐减小。竖向刚度是否均匀，也注意涉及剪力墙的布置。如框支剪力墙是典型的沿高度刚度突变的结构，它的主要危害在于框支层的变形大，框支层总是表现为薄弱层。当框支层不开避免是，应调整框支层的承载力以加强。

3结构概念设计在基础设计中的应用

3.1基础应选择坚硬的土层作为持力层，对于特殊性岩土包括湿陷性土、红粘土、软土、混合土、填土、膨胀岩土等应进行处理或避开。如对软土层较厚的地基，不但卓越周期愈长，地震波的振幅也放大得愈大，许多大地震发生后，软土区高层建筑破坏率高。沙土液化使整体性和十分结实的钢筋混凝土房屋整体倾倒，我国1966年的邢台地震和1975年的海城地震就是沙土液化造成的大面积建筑物沉陷与开裂。

3.2基础与上部结构协同作用基础不仅仅可以同地基相互作用，同上部结构作用的关系比较繁琐，如建筑的边缘部位荷载很大就是个特例。当建造下部结构时，随着层数的增加，基础钢筋应力也会加大，最高值的地方出现在四五层处，随后根据层数和荷载的加大，应力会不断缩小。此种作用就是上部结构和基础相互工作形成的。如果上部结构高低层数相距不小，且地下室有直通要求，就应该首选整体基础，高低层不分开是有限制的，第一是地基地质较为优秀，也可以选择桩基础。地基沉降量应该比较小，关键是限制好高低层的沉降差。对于天然地基的建筑，高层部分多数选择满堂红基础，单独基础、双向条形是应用底层部分。高层建筑一般会设置通道，主要通往地下车库，通道设置在高层的外壁处，且与外壁平行设置。车道的底板应该设有防水层，确保了高层建筑的整体连接性。

3.3基础选型及特点具体采用桩基础、筏形基础或者箱形基础，主要根据建筑的地理位置结构形式来确定。如果地基土质并不坚硬而建筑物具有很多层数，承担较大的荷载，那么天然地基就达不到要求，桩基础就是不错的选择，其坚实的持力层就会承受上部结构传递下来的荷载。对于高层建筑的桩基础来讲，可以采用钢管桩、混凝土灌注桩、预制钢筋混凝土桩等。在高层建筑中，箱型基础应用得较为普遍，整体刚度不错，且传递给基础的上部结构的荷载比较均匀，对上部结构具有嵌固作用。箱基能够可靠地抵御不均匀沉降，而且和周围土体一起协作，提升抗风和抗震效果。如果地基承载力比较低下，上部荷载比较大，就比较适合筏型基础。由于其较好的刚度，整体性不错，对于上部结构的荷载具有分散效果，减弱不均匀沉降、基地的压力。

4总结

总之，结构概念设计是建筑结构设计的重要内容，工程师对概念设计的掌握是一个不断学习和积累的过程，应该通过力学知识和力学规律建立结构受力与变形规律的各种概念（力学不能只是计算工具），对历次地震震害的关注与对国内外震害教训经验的积累，以及对各类结构试验研究结果的了解和应用，还有大量工程经验的日积月累，深入施工现场，理论联系实际，这样就会在概念设计的知识和能力上逐步前进。

参考文献：

[1]方鄂华《高层建筑钢筋混凝土结构概念设计》

[2]林同炎《结构概念和体系》

[3]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

[4]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010