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概念设计在结构设计中的应用
陈德发
摘要：概念设计是要运用人的思维和判断力，从宏观上决定建筑结构设计的基本问题。概念设计从整体上保证了结构的抗震要求，在遵循整体布置合理的情况下，再考虑细部设计，使工程设计质量和延性都得到很大的提高。依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）（简称《高规》）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（简称《抗震规范》）中有关加强抗震概念设计的部分内容，总结结构的基本设计要求。因而，工程技术人员在建筑、结构设计过程中必须充分运用抗震概念设计的优化准则及其相应的构造措施，确保工程质量。
关键词：概念设计；抗震设计；整体；细部设计；优化
中图分类号：TU311.3 文献标识码：A
APPLICATION OF CONCEPTUAL DESIGN IN
STRUCTURE DESIGN
CHEN De-fa
(Wu fang Design Co. Ltd. ganzhou, 341000,china)
Abstract: Conceptual design is to use people's thinking and common sense, determined from the design of building structures on the macro fundamental issues. The first, conceptual design ensure antiseismic design on the whole. Then, to make the project design quality and ductility on the detail design. According to the part of enhancing seismic conceptual design of technical specification for concrete structure of tall building(JGJ3-2002)and the code for seismic design of buildings(GB50011-2010),this paper represents simplicity, entirety, regularity, uniformity, rigidity, capability of seismic and so on of structure by engineering examples. Engineers must make use of seismic conceptual design optimization and constructional detail in the design of engineering structure in order to assure engineering design quality.
Key words: conceptual design; antiseismic design; on the whole; detail design; optimization

在结构分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、结构材料的非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，同时也存在着不准确性。因此，工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决，而必须立足于“概念设计”。概念设计是指设计人员从结构的宏观整体出发，用结构系统的观点，着眼于结构整体反应，正确地解决总体方案、材料使用、分析计算、截面设计和细部构造等问题，力求得到最为经济、合理的结构设计方案以达到合理抗震设计的目的。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。地震能量的聚散，如果仅集中在少数薄弱部位，必会导致结构过早破坏，目前各种抗震设计方法的前提之一就是假定整个结构能发挥耗散地震能量的作用，在此前提下才能以多遇地震（小震）作用进行结构计算、构件截面设计并辅以相应的构造措施，必要时采用弹性时程分析法进行补充计算，试图达到罕遇地震（大震）作用下结构不倒塌的目标[1-2]。
1.抗震概念设计基本要求
强调的是设计不能陷入只凭计算的误区，若结构严重不规则，整体性差，仅按目前的结构设计计算水平，是难以保证结构的抗震、抗风性能，尤其是抗震性能。因此，要求建筑师与结构工程师要共同把好初步设计这一环节。
（1）结构的简单性。《抗震规范》第3.5.2条以强制性条文“结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。”来突显简单性在抗震概念设计的重要性[4]。只有结构简单，才能够对结构的计算模型、内力与位移分析，限制薄弱部位的出现易于把握，因而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。《抗震规范》第3.4.2条和《高规》[3]第4.1.3条表明“建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面布置宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。”建筑平面比较规则，不应采用严重不规则的平面布置，对A级高度建筑宜平面简单、规则、对称、减小偏心；而对B级高度建筑则应简单、规则、减小偏心。平面布置均匀规则，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。结构布置均匀、建筑平面规则，有利于防止薄弱的子结构过早破坏、倒塌，使地震作用能在各子结构之间重分布，增加结构的赘余度数量，发挥整个结构耗散地震能量的作用。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。
（3）结构的刚度和抗震能力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强度及延性的综合反映。结构刚度的选择既要减少地震作用效应又要注意控制结构变形的增大，过大抗扭刚度和抵抗扭转振动的能力。
（4）结构的整体性在高层建筑结构中，楼盖对于结构的整体性起到非常重要的作用，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，而且要求这些子结构能协同承受地震作用，特别是当竖向抗侧力子结构布置不均匀或布置复杂或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内力，并与竖向子结构有效连接，当结构空旷、平面狭长、平面凹凸不规则，楼盖开大洞口时更应特别注意，设计中不能错误认为，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，就可以削弱楼盖体系。
2.优化准则及措施
考虑地震作用时必须充分领会和灵活运用抗震念设计的优化准则和采取相应的构造措施[5-8]。
（1）优化准则：“强柱弱梁”——防止杆系发生楼层倾移坏机制，要求柱的抗弯能力高于梁的抗弯能力；“强剪弱弯”——防止构件剪力破坏，要求杆件的受承载力高于受弯承载力；“强节点弱构件”——对结构而言，为避免结构的整体性倒塌，在罕遇地震情况下，必须使构件破坏先于节点破坏。
（2）保证措施保证措施有两个方面：一是调节或限制构件的荷载效应，二是强制规定必要的构措施。
这两个方面在《抗震规范》和《高规》都有明确规定：通过位移比限定扭转效应；刚重比保证稳定性；周期比提高整体刚度；刚度比限定竖向不规则；轴压比提高柱子的延性；剪重比保证大周期结构的抗震性能。
3.结论
本文仅对《高规》和《抗震规范》中有关加强概念设计的部分内容加以理解和研究。作为土木工程技术人员在工程设计中，应从整体宏观的观点出发，在设计的整个过程中更好地运用概念设计，综合处理好建筑功能、技术、艺术、安全可靠性和经济合理等几方面内容，从而创造出更加安全、适用、经济美观的高层建筑。

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