浅析建筑结构设计中的概念设计与结构设计

浅析建筑结构设计中的概念设计与结构设计
阿不力孜•买买提明
摘要：在概念设计日益凸显的今天，就要求结构工程师拥有深厚的基本理论知识，特别是在结构设计规范的可靠度、设计计算和配筋构造方面就应有重大更新和补充，并且能不断吸取先进设计思想理念。对自己的设计，应该经常反思，以求精益求精。
关键词：结构设计；概念设计；计算；措施
在建筑设计中，概念设计的凸显和科学计算的重要。它反映了结构工程师的水平，下面就这个问题谈谈本人的看法。
概念设计的重要性，主要因为结构设计理论与计算理论存在许多缺陷，比如对混凝土结构设计，内力计算是基于弹性理论计算方法，而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法，这使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远，为了弥补这类缺陷，或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件设计，都需要概念设计与结构措施来满足结构设计。同时计算机结果的高精度，往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解，结构工程师只有加强结构概念，才能比较客观、真实地理解结构性能。
概念设计重要，还在于方案设计阶段，初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构师综合运用其掌握概念，选择效果最好、造价最低的方案，为此，需要工程师不断地丰富自己的结构概念，了解各类结构的性能，并能有意识地运用它们。
在协同工作的概念广泛存在于设计中，我们均不希望其在未达设计寿命时，某些部件出现破坏。对于建筑结构，协同工作的概念是要求结构内部各构件相互配合，共同工作。这不仅要求结构构件在承载能力极限状态能共同受力，协同工作，同时达到极限状态，还要有相同的耐久性。结构协同工作表现在基础与上部结构的关系上，必须视基础与上部结构为一个有机整体，不能把两者分开处理。如砖混结构，必须依靠圈梁和构造柱将上部结构与基础连成整体，而不能单纯依靠基础刚度来抵御不均匀沉降，所有圈梁和构造柱设置，必须围绕这个中心。
在高层建筑结构设计中，柱轴压比的限值结构师面临的实际问题，随着建筑高度增加，结构下部柱截面增大，而柱纵向钢筋却为构造配筋，即使用高强混凝土柱截面也不会明显降低。实际上，柱的轴压比大小，反映柱的塑性变形能力，而柱变形能力影响结构的延性。混凝土基本理论指出．混凝土构件的弯曲变形能力主要取决于截面相对受压区高度和受压区边缘混凝土的极限变形能力。相对受压区高度取决于轴压比、配筋等，混凝土极限变形能力取决于箍筋的约束程度。为了增大柱在地震作用下的变形能力，控制柱的轴压比和改善配箍有同样的意义。
对单构件作优化设计前几步主要是对结构整体合理性的计算和调整，这一步则主要进行结构单个构件内力和配筋计算，包括梁，柱，剪力墙轴压比计算，构件截面优化设计等，主要有五点：
（1）软件对混凝土梁计算显示超筋信息有以下情况：1）当梁的弯矩设计值M大于梁的极限承载弯矩Mu时，提示超筋；2）规范对混凝土受压区高度限制：四级及非抗震：ξ≤ξb；二、三级：ξ≤0.35（计算时取AS ’＝0.3 AS ）一级： ξ≤0.25（计AS ’＝0.5 AS ）当ξ不满足以上要求时，程序提示超筋；3）《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.5%，当大于此值时，提示超筋；4）混凝土梁斜截面计算要满足最小截面的要求，如不满足则提示超筋。
　（2）剪力墙超筋分三种情况：1）剪力墙暗柱超筋：软件给出的暗柱最大配筋率是按照4%控制的，而各规范均要求剪力墙主筋的配筋面积以边缘构件方式给出，没有最大配筋率。所以程序给出的剪力墙超筋是警告信息，设计人员可以酌情考虑；2）剪力墙水平筋超筋则说明该结构抗剪不够，应予以调整；3）剪力墙连梁超筋大多数情况下是在水平地震力作用下抗剪不够。规范中规定允许对剪力墙连梁刚度进行折减，折减后的剪力墙连梁在地震作用下基本上都会出现塑性变形，即连梁开裂。设计人员在进行剪力墙连梁设计时，还应考虑其配筋是否满足正常状态下极限承载力的要求。

　　（3）柱轴压比计算：柱轴压比的计算在《高规》和《抗震规范》中的规定并不完全一样，《抗震规范》第6.3.7条规定，计算轴压比的柱轴力设计值既包括地震组合，也包括非地震组合，而《高规》第6.4.2条规定，计算轴压比的柱轴力设计值仅考虑地震作用组合下的柱轴力。软件在计算柱轴压比时，当工程考虑地震作用，程序仅取地震作用组合下的的柱轴力设计值计算；当该工程不考虑地震作用时，程序才取非地震作用组合下的柱轴力设计值计算。因此设计人员会发现，对于同一个工程，计算地震力和不计算地震力其柱轴压比结果会不一样。

　　（4）剪力墙轴压比计算：为了控制在地震力作用下结构的延性，新的《高规》和《抗震规范》对剪力墙均提出了轴压比的计算要求。需要指出的是，软件在计算断指剪力墙轴压比时，是按单向计算的，这与《高规》中规定的短肢剪力墙轴压比按双向计算有所不同，设计人员可以酌情考虑。

　　（5）构件截面优化设计：计算结构不超筋，并不表示构件初始设置的截面和形状合理，设计人员还应进行构件优化设计，使构件在保证受力要求的德条件下截面的大小和形状合理，并节省材料。但需要注意的是，在进行截面优化设计时，应以保证整体结构合理性为前提，因为构件截面的大小直接影响到结构的刚度，从而对整体结构的周期、位移、地震力等一系列参数产生影响，不可盲目减小构件截面尺寸，使结构整体安全性降低。
满足规范抗震措施的要求在施工图设计阶段，还必须满足规范规定的抗震措施要求。《混凝土规范》、《高规》和《抗震规范》对结构的构造提出了非常详尽的规定，这些措施是很多震害调查和抗震设计经验的总结，也是保证结构安全的最后一道防线。

　　（1）设计软件进行施工图配筋计算时，要求输入合理的归并系数、支座方式、钢筋选筋库等，如一次计算结果不满意，要进行多次试算和调整。

　　（2）生成施工图以前，要认真输入出图参数，如梁柱钢筋最小直径、框架顶角处配筋方式、梁挑耳形式、柱纵筋搭接方式，箍筋形式，钢筋放大系数等，以便生成符合需要的施工图。软件可以根据允许裂缝宽度自动选筋，还可以考虑支座宽度对裂缝宽度的影响。

　　（3）施工图生成以后，设计人员还应仔细验证各特殊或薄弱部位构件的最小纵筋直径、最小配筋率、最小配箍率、箍筋加密区长度、钢筋搭接锚固长度、配筋方式等是否满足规范规定的抗震措施要求。规范这一部分的要求往往是以黑体字写出，属于强制执行条文，万万不可以掉以轻心。

　　（4）最后设计人员还应根据工程的实际情况，对计算机生成的配筋结果作合理性审核，如钢筋排数、直径、架构等，如不符合工程需要或不便于施工，还要做最后的调整计算。
在概念设计日益重要的今天，要求结构工程师应有深厚的基本理论基础，并能不断吸取先进设计思想。对自己的设计，应经常进行反思，要都精益求精。

参考文献
[1] GB 50010-2002 混凝土设计规范
[2] JGJ3-2002 高层建筑混凝土结构技术规程
[3] JGJ99-98 高层民用建筑钢结构技术规程