建筑结构设计需重视抗震设计
赵永福 姜华 黄耀
【摘要】结构设计分为理论设计和概念设计.理论设计是结构根据计算理论和当时的规范对结构进行计算模型的假设及受力状态的假定的前提下，对结构进行计算分析，然后利用计算分析结果进行设计。地震是一种随机难以掌握的振动，有复杂性和不确定性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数目前尚难做到。本文从这几个方面进行分析探讨。
【关键词】概念设计；抗震设计；结构设计；偶合作用
结构设计分为理论设计和概念设计两个步骤。理论设计是结构工程师根据计算理论和当时的规范，在对结构进行计算模型的假设及受力状态的假定的前提下，对结构进行计算分析，得出数据式的结果，然后利用计算分析结果进行设计。概念设计则是指不经数值计算，尤其在一些难以做出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。在建筑设计方案阶段，从总体出发，采用概念性近似计算方法，能迅速、有效地对结构体系进行构思、比较和选择。这种方法虽有一定误差，但概念清楚、定性准确、采取经验总结汇总的手算简单快捷，能很快选择出最佳方案，具有较好的经济、可靠性能，同时也是施工图设计阶段判断计算机内力分析输出数据可与否的重要依据。
1.概念设计的必要
概念设计应用范围较广泛，几乎组成包含了所有的结构设计。在不确定因素多、受力状态变化较大的抗震设计、基础设计、高层建筑设计中，概念设计的应用尤显重要和突出。概念设计的重要性，主要体现在三方面：
（1）因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性。为了弥补计算理论的缺陷，或实现对世界存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要用概念设计来满足结构设计的目的。
（2）由于在方案设计阶段，初步设计过程是不可能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念，选择效果最好、造价最低的结构方案。概念设计在设计人员中提得比较多，但往往被人们片面地理解，认为其主要是用于一些大的原则，如确定结构方案、结构布置等。其实，在设计中任何地方都离不开科学的概念作指导。
（3）由于计算机计算结果的高精度，容易给结构设计人员带来对结构工作性能出现的可能误解，过分地依赖于计算机和设计软件，进行习惯性、传统的结构设计，对计算结果明显不合理、甚至错误的地方不能及时发现，使许多的建筑结构留下安全隐患。因此，概念设计在结构设计中具有重要的地位。
2.抗震概念设计要求
2.1地震是一种随机难以掌握的振动，有复杂性和不确定性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前尚难做到。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于“计算设计”全部解决下了问题，而必须立足于“概念设计”。结构抗震概念时间的目标是使主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发挥耗散地震能量的作用，在此前提下才能以多遇地震即小震次数作用进行结构计算、构件截面时间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）作用下结构不倒塌给人员逃生时间的目标。
2.2为了保证建筑物具有足够的抗震能力，通过概念设计从宏观上控制结构的抗震性能，应充分考虑以下环节：（1）选择对控制有利的场地及地基，避免地面变形的直接危害，采取措施保证地基的稳定性。（2）进行合理的基础设计，同一结构单元不宜设置在性质不同的地基土上，不宜采用不同的基础形式，设计时宜最大限度地发挥地基的潜力。（3）建筑物的体型应力求简单、规则、对称、质量和刚度变化均匀，以减少地震作用产生的变形、应力集中及扭转反应。（4）选择合理的结构体系，抗震构件力求均匀对称，设置多道抗震防线，避免局部出现薄弱部位，要求结构布置受力明确，传力简捷。（5）各类构件之间要有可靠的连接，并具有必要的强度和变形能力，从而获得整个结构良好的抗震性能。（6）强调结构空间整体性，平面加强连接，竖向确保足够整体刚度。（7）重视对非结构构件的处理，利用其对主体结构的有利影响，避免不合理设置导致对主体结构的有利影响。同时尽量减轻结构自重，减少地基土压力，从而降低向建筑物传输的地震力。
3.结构概念设计的运用
（1）运用概念设计的思想方法，也使得结构设计的思路得到了拓宽。传统的结构计算理论的研究和结构设计似乎只关注如何提高结构抗力R，以致使砼的强度等级越来越高，配筋量越来越大，造价也越来越高。结构工程师往往只注意到不超过最大配筋率，结果是肥梁、胖柱、深基础处处可见。以抗震设计为例，一般是根据初定的尺寸、砼等级算出结构的刚度，再由结构刚度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，结构刚度越大，地震作用效应也越大，配筋越多，刚度越大，地震力就越强。这样为抵御地震而配的钢筋，增加了结构的刚度，反而使地震作用效应增强。其实，为什么不考虑降低作用效应S呢？目前在抗震设计中，隔震消能的研究就是一个很好的例子。隔震消能的一般作法是在基础与主体之间设柔性隔震层；加设消能支撑（类似于阻尼器的装置）；有的在建筑物顶部装一个“反摆”，地震时它的位移方向与建筑物顶部的位移相反，从对建筑物的振动加大阻尼作用，降低加速度，减少建筑物的位移，来降低地震作用效应。合理设计可降低地震作用效应达60%，并提高屋内物品的安全性。这一研究在国内外正广泛地深入展开。在日本，研究成果已经广泛应用于实际工程中，取得良好的经济、适用效果。而我国由于经济、技术和人们认识的限制，在工程界还未被广泛地应用。
（2）同时，在目前建筑结构抗震鉴定及加固中，概念设计的思想也应得到延伸。在1976年唐山地震中，天津市加固的2万间民房无一倒塌，但天津第二毛纺厂3层的框架厂房，却因偏重于传统构部件的加固，忽视结构总体抗震性能的判断，造成不合理的加固，使抗震薄弱层转移，最终倒塌。抗震验算时不同的楼盖及布置（整体性）决定了采用刚性、刚柔、柔性理论计算。在建筑结构设计中，合理地确定建筑物的刚度是非常重要的。建筑物的刚度不宜太大，刚度大则结构自振周期就短，在地震时结构所承受的地震作用就大，相对后果较重，且造成材料的浪费；刚度也不宜过柔，过柔的建筑结构在地震时就会产生过大的变形，影响其强度、稳定性和正常使用。
（3）抗震验算时应特别注意场地土类别。8度设防建筑物超过5层有条件时，尽量采用剪力墙，可大大改善结构的抗震性能。框架结构应设计成双向梁柱刚接体系，但也允许部分的框架梁搭在另一框架梁上。应加强垂直地震作用的设计，从震害分析，规范给出的垂直地震作用明显不足。
（4）雨蓬不允许从填充墙内挑出。采用的大跨度雨蓬、阳台等处梁应考虑抗扭。考虑抗扭时，扭矩为梁中心线处板的负弯矩乘以跨度的一半。框架梁、柱的混凝土等级宜相差一级。由于某些原因造成梁或过梁等截面较大时，应验算构件的最小配筋率。出屋面的楼梯间不得采用砖混结构。考虑地震作用时必须充分领会和灵活运用抗震概念设计的优化准则和采取相应的构造措施。优化准则“强节弱杆”——防止节点破坏先于构件；“强柱弱梁”——防止杆系发生楼层倾移破坏机制，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，要求杆件的受剪承载力高于受弯承载力；“强压弱拉”——对杆件截面而言，为避免杆件在弯曲时发生受压区砼破裂的脆性破坏，使受拉区钢筋承载力低于受拉区砼受压承载力。
（5）保证措施有两个方面：一是调整或限制构件的荷载效应；二是强制规定必要的构造措施。这连个方面在《高层建筑物混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）有详细的规定，有的则是以强制性条文提出严格要求。如《高层建筑物混凝土结构技术规程》中第6.3.2条的第1点限制梁端截面砼受压区高度与有效高度之比，就是保证梁的变形能力，而它又决定于梁端塑性转动量，而塑性转动量又与截面混凝土受压区的相对高度密切相关；试验研究结果表明，要使钢筋混凝土梁的位移延性系数达到3～4，混凝土受压区相对高度必须控制在0.25～0.35。又如：对钢筋混凝土杆件而言，杆件截面的平均剪应力过高，都会降低箍筋的抗剪效果，平均剪应力较小时，可以避免出现剪切破坏。
在建筑结构设计中还应充分考虑地震的偶合作用；坚持“小震不坏，大震不倒”；多道设防的抗震设计原则，这也是从许多教训中总结的经验。
参考文献
［1］韦润忠简述建筑结构设计中的概念设计和经验［J］.科技资讯，2008（5）：108.
［2］陈教洪谈概念设计在建筑结构设计中的应用［J］.建材与装饰（中旬刊），2008（2）：12.
【摘要】结构设计分为理论设计和概念设计.理论设计是结构根据计算理论和当时的规范对结构进行计算模型的假设及受力状态的假定的前提下，对结构进行计算分析，然后利用计算分析结果进行设计。地震是一种随机难以掌握的振动，有复杂性和不确定性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数目前尚难做到。本文从这几个方面进行分析探讨。
【关键词】概念设计；抗震设计；结构设计；偶合作用
结构设计分为理论设计和概念设计两个步骤。理论设计是结构工程师根据计算理论和当时的规范，在对结构进行计算模型的假设及受力状态的假定的前提下，对结构进行计算分析，得出数据式的结果，然后利用计算分析结果进行设计。概念设计则是指不经数值计算，尤其在一些难以做出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。在建筑设计方案阶段，从总体出发，采用概念性近似计算方法，能迅速、有效地对结构体系进行构思、比较和选择。这种方法虽有一定误差，但概念清楚、定性准确、采取经验总结汇总的手算简单快捷，能很快选择出最佳方案，具有较好的经济、可靠性能，同时也是施工图设计阶段判断计算机内力分析输出数据可与否的重要依据。
1.概念设计的必要
概念设计应用范围较广泛，几乎组成包含了所有的结构设计。在不确定因素多、受力状态变化较大的抗震设计、基础设计、高层建筑设计中，概念设计的应用尤显重要和突出。概念设计的重要性，主要体现在三方面：
（1）因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性。为了弥补计算理论的缺陷，或实现对世界存在的大量无法计算的结构构件的设计，都需要用概念设计来满足结构设计的目的。
（2）由于在方案设计阶段，初步设计过程是不可能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念，选择效果最好、造价最低的结构方案。概念设计在设计人员中提得比较多，但往往被人们片面地理解，认为其主要是用于一些大的原则，如确定结构方案、结构布置等。其实，在设计中任何地方都离不开科学的概念作指导。
（3）由于计算机计算结果的高精度，容易给结构设计人员带来对结构工作性能出现的可能误解，过分地依赖于计算机和设计软件，进行习惯性、传统的结构设计，对计算结果明显不合理、甚至错误的地方不能及时发现，使许多的建筑结构留下安全隐患。因此，概念设计在结构设计中具有重要的地位。
2.抗震概念设计要求
2.1地震是一种随机难以掌握的振动，有复杂性和不确定性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前尚难做到。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于“计算设计”全部解决下了问题，而必须立足于“概念设计”。结构抗震概念时间的目标是使主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发挥耗散地震能量的作用，在此前提下才能以多遇地震即小震次数作用进行结构计算、构件截面时间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）作用下结构不倒塌给人员逃生时间的目标。
2.2为了保证建筑物具有足够的抗震能力，通过概念设计从宏观上控制结构的抗震性能，应充分考虑以下环节：（1）选择对控制有利的场地及地基，避免地面变形的直接危害，采取措施保证地基的稳定性。（2）进行合理的基础设计，同一结构单元不宜设置在性质不同的地基土上，不宜采用不同的基础形式，设计时宜最大限度地发挥地基的潜力。（3）建筑物的体型应力求简单、规则、对称、质量和刚度变化均匀，以减少地震作用产生的变形、应力集中及扭转反应。（4）选择合理的结构体系，抗震构件力求均匀对称，设置多道抗震防线，避免局部出现薄弱部位，要求结构布置受力明确，传力简捷。（5）各类构件之间要有可靠的连接，并具有必要的强度和变形能力，从而获得整个结构良好的抗震性能。（6）强调结构空间整体性，平面加强连接，竖向确保足够整体刚度。（7）重视对非结构构件的处理，利用其对主体结构的有利影响，避免不合理设置导致对主体结构的有利影响。同时尽量减轻结构自重，减少地基土压力，从而降低向建筑物传输的地震力。
3.结构概念设计的运用
（1）运用概念设计的思想方法，也使得结构设计的思路得到了拓宽。传统的结构计算理论的研究和结构设计似乎只关注如何提高结构抗力R，以致使砼的强度等级越来越高，配筋量越来越大，造价也越来越高。结构工程师往往只注意到不超过最大配筋率，结果是肥梁、胖柱、深基础处处可见。以抗震设计为例，一般是根据初定的尺寸、砼等级算出结构的刚度，再由结构刚度算出地震力，然后算配筋。但是大家知道，结构刚度越大，地震作用效应也越大，配筋越多，刚度越大，地震力就越强。这样为抵御地震而配的钢筋，增加了结构的刚度，反而使地震作用效应增强。其实，为什么不考虑降低作用效应S呢？目前在抗震设计中，隔震消能的研究就是一个很好的例子。隔震消能的一般作法是在基础与主体之间设柔性隔震层；加设消能支撑（类似于阻尼器的装置）；有的在建筑物顶部装一个“反摆”，地震时它的位移方向与建筑物顶部的位移相反，从对建筑物的振动加大阻尼作用，降低加速度，减少建筑物的位移，来降低地震作用效应。合理设计可降低地震作用效应达60%，并提高屋内物品的安全性。这一研究在国内外正广泛地深入展开。在日本，研究成果已经广泛应用于实际工程中，取得良好的经济、适用效果。而我国由于经济、技术和人们认识的限制，在工程界还未被广泛地应用。
（2）同时，在目前建筑结构抗震鉴定及加固中，概念设计的思想也应得到延伸。在1976年唐山地震中，天津市加固的2万间民房无一倒塌，但天津第二毛纺厂3层的框架厂房，却因偏重于传统构部件的加固，忽视结构总体抗震性能的判断，造成不合理的加固，使抗震薄弱层转移，最终倒塌。抗震验算时不同的楼盖及布置（整体性）决定了采用刚性、刚柔、柔性理论计算。在建筑结构设计中，合理地确定建筑物的刚度是非常重要的。建筑物的刚度不宜太大，刚度大则结构自振周期就短，在地震时结构所承受的地震作用就大，相对后果较重，且造成材料的浪费；刚度也不宜过柔，过柔的建筑结构在地震时就会产生过大的变形，影响其强度、稳定性和正常使用。
（3）抗震验算时应特别注意场地土类别。8度设防建筑物超过5层有条件时，尽量采用剪力墙，可大大改善结构的抗震性能。框架结构应设计成双向梁柱刚接体系，但也允许部分的框架梁搭在另一框架梁上。应加强垂直地震作用的设计，从震害分析，规范给出的垂直地震作用明显不足。
（4）雨蓬不允许从填充墙内挑出。采用的大跨度雨蓬、阳台等处梁应考虑抗扭。考虑抗扭时，扭矩为梁中心线处板的负弯矩乘以跨度的一半。框架梁、柱的混凝土等级宜相差一级。由于某些原因造成梁或过梁等截面较大时，应验算构件的最小配筋率。出屋面的楼梯间不得采用砖混结构。考虑地震作用时必须充分领会和灵活运用抗震概念设计的优化准则和采取相应的构造措施。优化准则“强节弱杆”——防止节点破坏先于构件；“强柱弱梁”——防止杆系发生楼层倾移破坏机制，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，要求杆件的受剪承载力高于受弯承载力；“强压弱拉”——对杆件截面而言，为避免杆件在弯曲时发生受压区砼破裂的脆性破坏，使受拉区钢筋承载力低于受拉区砼受压承载力。
（5）保证措施有两个方面：一是调整或限制构件的荷载效应；二是强制规定必要的构造措施。这连个方面在《高层建筑物混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）有详细的规定，有的则是以强制性条文提出严格要求。如《高层建筑物混凝土结构技术规程》中第6.3.2条的第1点限制梁端截面砼受压区高度与有效高度之比，就是保证梁的变形能力，而它又决定于梁端塑性转动量，而塑性转动量又与截面混凝土受压区的相对高度密切相关；试验研究结果表明，要使钢筋混凝土梁的位移延性系数达到3～4，混凝土受压区相对高度必须控制在0.25～0.35。又如：对钢筋混凝土杆件而言，杆件截面的平均剪应力过高，都会降低箍筋的抗剪效果，平均剪应力较小时，可以避免出现剪切破坏。
在建筑结构设计中还应充分考虑地震的偶合作用；坚持“小震不坏，大震不倒”；多道设防的抗震设计原则，这也是从许多教训中总结的经验。
参考文献
［1］韦润忠简述建筑结构设计中的概念设计和经验［J］.科技资讯，2008（5）：108.
［2］陈教洪谈概念设计在建筑结构设计中的应用［J］.建材与装饰（中旬刊），2008（2）：12.
