论结构抗震概念设计

　　2010年12月01日实施的GB50011-2010《建筑抗震设计规范》对概念设计的要求作了全面、符合实际的规定 ,根据汶川地震震害经验，对灾区设防烈度进行了调整，增加了“有关山区场地、框架结构填充墙设置、砌体结构楼梯间、抗震结构施工要求的强制性条文”,使得概念设计在工程中的应用更具体更明确地落到实处 ,切实提高了结构的抗震能力。“概念设计”愈来愈受到国内外工程界的普遍重视。

　　2 关于结构概念设计

　　建筑工程的概念设计一般有建筑方面的概念设计和结构方面的概念设计，它们之间相互影响、相互协调、相互结合。

　　结构概念设计就是以工程概念为依据从有利于提高结构抗震力的概念上 ,用符合工程客观规律和本质的方法 ,对所设计的对象作宏观的控制。目的就是在初步设计前为所设计的工程项目设想一个概念性的总体方案，使今后的设计、施工和使用

　　都能做到“又好、又快、有省”。因而可以认为，概念设计是设计的灵魂，也是整个建筑过程中的灵魂。

　　3 概念设计的主要内容

　　为了保证结构具有足够的抗震可靠性而对建筑工程结构做的概念设计主要考虑了以下因素 :场地条件和场地土的稳定性、建筑物的平、立面布置及其外形尺寸、抗震结构体系的选取、抗侧力构件的布置以及结构质量的分布、非结构构件与主体结构的关系及其两者之间的锚拉材料与施工质量等。

　　下面按照新抗震规范的精髓归纳为以下几点 :

　　1 .选择对建筑抗震有利的场地 ,对危险地段，严禁建造甲、乙类的建筑，不应

　　建造丙类建筑。对于不利地段 ,结构工程师应提出避开要求 ,当无法避开时 ,应采取有效措施 ,这就考虑了地震因场地条件间接引起结构破坏的原因 ,诸如地基土的不均匀沉陷、地震引起的地表错动与地裂。

　　2 .建筑的平立面布置应符合抗震概念设计的要求,不应采用严重不规则的方案。不规则的建筑 ,在结构设计时要进行水平地震作用计算和内力调整 ,并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。借鉴国际的通行做法 ,参考外国规范 ,使我们的设计更加完善合理。

　　3 .结构材料选择与结构体系的确定应符合抗震结构的要求。采用哪一种结构材料 ,什么样的结构体系 ,经技术经济条件比较综合确定。同时力求结构的延性好、强度与重力比值大、匀质性好、正交各向同性 ,尽量降低房屋重心 ,充分发挥材料的强度 ,并提出了结构两个主轴方向的动力特性 (周期和振型 )相近的抗震概念。

　　??4.尽可能设置多道抗震防线。地震有一定的持续时间 ,而且可能多次往复作用 ,根据地震后倒塌的建筑物的分析 ,我们知道地震的往复作用使结构遭到严重破坏 ,而最后倒塌则是结构因破坏而丧失了承受重力荷载的能力。适当处理构件的强弱关系 ,使其形成多道防线 ,是增加结构抗震能力的重要措施。例如单一的框架结构 ,框架就成为唯一的抗侧力构件 ,那么采用“强柱弱梁”型延性框架 ,在水平地震作用下 ,梁的屈服先于柱的屈服 ,就可以做到利用梁的变形消耗地震能量 ,使框架柱退居到第二道防线的位置。

　　5.具有合理的刚度和承载力分布以及与之匹配的延性。提高结构的抗侧移刚度 ,往往是以提高工程造价及降低结构延性指标为代价的。要使建筑物在遭受强烈地震时 ,具有很强的抗倒塌能力 ,最理想的是使结构中的所有构件及构件中的所有杆件都具有较高的延性 ,然而实际工程中很难做到。有选择地提高结构中的重要构件以及关键杆作的延性是比较经济有效的办法。例如上刚下柔的框支墙结构 ,应重点提高转换层以下的各层的构件延性。对于框架和框架筒体 ,应优先提高柱的延性。在工程设计中另一种提高结构延性的办法是结构承载力无明显降低的前提下 ,控制构件的破坏形态 ,减小受压构件的轴压比 (同时还应注意适当降低剪压比 ),提高柱的延性。

　　6.确保结构的整体性。各构件之间的连接必须可靠 ,符合下列要求 :

　　1 )构件节点的承载力不应低于其连接构件的承载力 ,当构件屈服、刚度退化时 ,节点应保持承载力和刚度不变。

　　2 )予埋件的锚固承载力不应低于连接件的承载力。

　　3 )装配式的连接应保证结构的整体性 ,各抗侧力构件必须有可靠的措施以确保空间协同工作。

　　4)结构应具有连续性 ,注重施工质量 ,避免施工不当使结构的连续性遭到削弱甚至破坏。

　　通过执行新抗震规范中的各项规定 ,来保证抗震概念设计的完成通过遵循抗震概念设计的原则 ,使建筑物具有可靠的抗震性能。概念设计决定建筑物的抗震性能 ,如果概念设计不适宜于抗震 ,那么不管多“精密”的计算也无济于事。当然 ,在做好概念设计的基础上也要认真计算做好定量分忻。

　　4 结构概念设计的人生随想

　　合理的建筑结构体系应该是刚柔相济的。结构太刚则变形能力差，强大的破坏力瞬间袭来时，需要承受的力很大，容易造成局部受损最后全部毁坏;而太柔的结构虽然可以很好的消减外力，但容易造成变形过大而无法使用甚至全体倾覆。结构是刚多一点好，还是柔多一点好?刚到什么程度或柔到什么程度才算合适呢?这些问题历来都是专家们争论的焦点，现今的规范给出的也只是一些控制的指标，但无法提供“放之四海皆准”的精确答案。最后，专家们达成难以准确言传的共识：刚柔相济乃是设计者的追求。

　　安全的结构体系是层层设防的，灾难来临，所有抵抗外力的结构都在通力合作，前仆后继。这时候，如果把“生存”的希望全部寄托在某个单一的构件上，是非常非常危险的。多肢墙比单片墙好，框架剪力墙比纯框架好等等，就是体现了多道防线的设计思路。也许我们会自信计算的正确性，但更要牢记绝对安全的防备构件是存在的，还是应该多多考虑：当第一道防线跨了，第二道防线能顶住吗?或者能顶住多少?还有没有第三、第四道防线?

　　“强柱弱梁”、“强剪弱弯”等是建筑结构设计中非常重要的概念。有人问：为什么不是“强柱强梁”“强剪强弯”呢?为什么所有构件都很强的结构体系反而不好，甚至会有安全隐患呢?

　　这里面首先包含着一个简单的道理：绝对安全的结构是没有的。简单地说，虽然整个结构体系是由各种构件协调组成一体，但各个构件担任的角色不尽相同，按照其重要性也就有轻重之分。一旦不可意料的破坏力量突然袭来，各个构件协作抵抗的目的，就是为了保住最重要的构件免遭摧毁或者至少是最后才遭摧毁，这时候牺牲在所难免，让谁牺牲呢?明智之举是要让次要构件先去承担灾难。“宁为玉碎，不为瓦全”，如果平均用力，可能会“玉石俱粉”，损失则更大矣!在建筑结构中，柱倒了，梁会跟着倒;而梁倒了，柱还可以不倒的。可见柱承担的责任比梁大，柱不能先倒。为了保证柱是在最后失效，我们故意把梁设计成相对薄弱的环节，使其破坏在先，以最大限度减少可能出现的损失。如果梁柱等同看待，企图让他们都“坚不可摧”，则可能会造成同时破坏，后果会更糟糕，损失会更大。

　　所以关键时刻要分清主次，抓大放小，也就是要取大舍小。有舍才有得，舍是为了得。但取谁舍谁，真是个难题。整个社会缩小了就象建筑结构体系。人们竟不住要自问：在冥冥众生中，我是一根梁还是一根柱?我能做一根梁还是能做一根柱?我愿做一根梁还是愿做一根柱?取舍在所难免时，我是被“取”还是被“舍”?

　　在结构体系中，所谓关节，是指变化相聚之处，或变化出现的地方。不同类型的构件相接处，同一构件截面改变之处，是关节。广义上，诸如结构错层之处，体量改变之处，转换层亦是关节。关节无处不在，因为结构体系乃是变化的统一。外力突然袭来之时，对于单一的构件，力量的传递简明，因而容易控制。对于复杂的结构体系，关节的复杂性难于预测和控制,即使从理论上保证了每个组成构件的强度和刚度，但因关节的普遍存在，力量的传递往往不能畅通而出现集中甚至中断，破坏由此而发生。历次灾害表明，从节点开始破坏的建筑占了相当大的比例。

　　所以理想的结构体系当然是浑然一体的——也就是没有任何关节的，这样的结构体系使任何外力都能迅速传递和消减。基于这个思路，设计者要做的就是要尽可能地把结构中各种各样的关节“打通”，使力量在关节处畅通无阻。中医上云：“通则不痛，痛则不通”，结构就象一个人，气穴若不能畅通，症结和隐患就会产生。在设计的四项基本原则中，“刚柔相济”，“多道防线”，“抓大放小”是设计概念中的战略问题，但要想得让这些战略思想得以实现，靠的是“打通关节”这个原则作为保证的，结构设计的具体操作，最后全都归到“打通关节”的贯彻和实施上来。

　　其实处理和成就世间万物，必须使动为动，静为静，才能平衡;必须动者动之，静者静之，才能持久;必须知其本源，施以规则，顺之导之，才能达至繁荣昌盛。一切的一切，以顺应自然为始，达到平衡为终，诸多规则，只是手段，只为平衡，只为畅通。

　　5 结束语

　　结构抗震设计有许多不确定或不确知的因素，很难做到对结构进行精确的抗震计算，并得到结构在地震作用下的真实反应。因此结构的抗震设计除了必须进行细致的计算分析外，要特别注重结构的概念设计。如采用规则结构，确定明确的计算简图，选取对建筑抗震适宜的建筑场地，设计延性结构，采用轻质高强建筑材料，设置多道抗震设防，加强结构的整体稳定性，重视结构的抗震构造措施等方面，只有这样才能保证结构良好的抗震性能。

　　参考文献：

　　[1] 林同炎著，《结构概念与体系》. 中国建筑工业出版社,1999.

　　[2] 罗福午，等《建筑结构概念设计与案例》.清华大学出版社，2003

　　[3] GB 50011-2010 徐培福，等《建筑抗震设计规范》. 中国建筑工业出版社,