对工民建结构抗震的一些看法

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摘要：20世纪70年代以来，人们在总结历次地震灾害的经验中逐渐认识到，对建筑抗震设计而言，结构概念设计比结构计算设计更为重要。经过工民建中多年的抗震探索和研究，总结设计经验引入了概念设计的设计新理念。这种设计理念从宏观角度对建筑抗震结构进行设计，在某些方面弥补了以往设计思路对抗震结构思考的不足之处，为经后的工民建结构抗震设计开辟了新路，本文将就工民建结构抗震的相关看法做出论述。

关键词：认识，重要性，存在问题，应用

Abstract：Since 1970s，people in the summary of the experience of all previous earthquake disasters come to realize, the architecture for seismic design, structure design concept structure calculation is more important than the design. After years of seismic exploration in civil engineering and research, summarizes the design experience into the new design concept design. This kind of design concept from the macroscopic perspective of anti-seismic structure building design, and in some ways to make up for the previous design idea of anti-seismic structure to think of the deficiencies, for the civil engineering structure seismic design of open up new routes, this paper will civil structure seismic related to this view.

Keywords: understanding, importance, and existing problems, applications

中图分类号： TU352.1+1文献标识码：A文章编号：

引言

自从上世纪70年代起,不断的地震灾害让设计人员认识到,针对建筑的抗震设计来说,结构概念的设计的重要性远大于结构计算的设计。纯粹凭借微观的数学、力学计算是难以保证建筑物在经历地震时体现出良好的抗震特点性能。概念设计在通常的工程设计,特别是在结构抗震能力的提高方面发挥了非常重要的作用。概念设计就是从方案的规划和设计开始,运用对建筑结构抗震的准确认识,面对和解决结构设计中碰到的各类问题,包括建筑体型、结构体系、刚度分布和构件延性。在宏观原则的角度对其进行评价、甄别、选择等处理,然后实施必须的计算和构造措施,达到消除建筑物抗震的软肋,加强抗震设计合理性的目的。换句话说,概念设计是在特殊的建筑环境和地理空间下,通过整体概念来设计结构的整体方案,通过总体系和分体系所之间的力学关系和构造破坏机理、试验现象以及经验心得所得到的设计原则和理念,从整体上确定建筑构造的整体布局,进行抗震构造措施的控制。不管在国内还是国外,概念设计都受到普遍重视,它也将发挥更重要的作用。

一.对于概念设计的认识

在当前的科技水平和经济条件下，为了保证组织结构具有可靠的抗震性能，概念设计应充分考虑以下因素：场地条件和场地土的稳定性，建立组织结构计算模型，抗震组织结构体系的选取，材料效用，温度作用以及组织结构的空间作用等。所得出的结论是：构件的最不利受力状态随着构件和地震作用方向而变化 当地震作用方向与结构主轴方向一致时，梁处于最不利受力状态；当地震作用与结构的主轴方向呈 45 度时，大多数柱处于最不利受力状态。结构薄弱部位的处理，如建筑平面外墙转角处的转角窗，限制了角部结构竖向抗侧力构件的设置，如果采用概念设计，解决这一问题的方法是2竖向构件间应设厚板、暗梁等可靠拉结。再如，由于节点部位的重要性，所以引入抗裂性的概念，以此来比较梁、柱节点偏心所引起的节点性能的变化。建议在地震区，不宜采取梁柱偏心过大的节点形式，而且构件节点的承载力不应低于其连接构件的承载力。

二.概念设计的重要性和必要性

随着社会经济的发展和生活水平的提高，人们对建筑结构设计也提出了更高的要求。发展先进计算理论，加强计算机的应用，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与开发，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济已成为当务之急。而且针对建筑结构设计的现状，提倡采用概念设计思想来促进结构工程师的创造性，推动结构设计的发展，是非常有必要的。这就需要工程界和教育界共同的努力，而推广概念设计思想是一种有效的办法，分析如下：

1.建筑抗震设计规范（GB50011―2001）（以下称新抗震规范）以可靠度理论为基础，吸收了延性设计的思想。但对于一些具体问题，例如“中震可修”的设防目标等，规定相当模糊。所以我们不能盲目地照搬照抄规范，应该把规范作为一种指南和参考，并在实际工程应用中作出正确的选择。这就要求我们对整体结构体系与各基本分体系之间的力学关系有透彻的认识，把概念设计应用到实际工作中去。

长期以来，人们认为结构设计很简单，只需遵循规范和手册，等建筑师完成建筑设计后，使用计算机就可以完成结构设计。但这不能充分地运用结构设计者的知识和技能，而且还会与建筑设计方案产生分歧和矛盾。所以我们应考虑在结构设计中如何运用概念设计，比如结构的抗风设计与抗震设计，抗震设计要求能消减外荷载，吸收或转换震动的能量；而抗风设计则要求结构在风的作用下动力效应较小，刚度较大。这一矛盾必然影响结构体系的抗风和抗震性能。为了弥补这一缺陷，需要合理的概念设计与延性构造措施来加以保证。

2.概念设计的重要性，还体现在方案设计阶段。初步设计过程是不能借助计算机来实现的，这就需要结构工程师综合运用结构概念，选择最为可靠、经济的结构方案。为此，需要工程师不断地丰富自己的设计理念，深入了解各类结构的性能，并能有意识地、灵活地运用它们。运用概念性近似估算方法，可以在设计方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择。所得方案往往概念清晰、定性准确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的经济可靠性能。同时，这也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。美国一些著名学者和专家曾说过：“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题。”计算软件的选择和使用不当，也会造成结构设计的不合理，甚至影响到建筑物本身的安全性。应用概念设计的思想，可以避免此类情况的发生。

3.新抗震规范提出了在建筑物内设置地震反应观测系统的要求，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。所以在结构概念设计中还应该注意结构与场地的共振问题。例如在唐山地震时，天津塘沽地区的7-10层框架结构房屋破坏严重，而3-5层的砖混结构住宅却只有轻微损坏。后来经调查发现，框架房屋的自振周期和场地的卓越周期一致导致共振，而3-5层砖混住宅的自振周期远低于场地的卓越周期，因此破坏较轻。

4.建筑结构的抗震设计，存在着许多模糊而且不确定的因素。例如地震作用是一种随机性很强而且循环往复的荷载，建筑物的地震破坏机理又十分复杂，要准确计算或预测建筑物所遭遇的地震特性和参数，还难以做到。风荷载的脉动性与涡流作用情况也是如此。因为建筑物受到的地震作用难以确定，所以适用、安全、经济的结构体系必须注重概念设计。

三.结构抗震模式存在问题

结构抗震模式存在诸多的问题，在工程师完成初步的设计方案后，通常会选用计算机软件进行整体的分析设计，但是由于计算机软件自身的缺陷就会导致计算机所设计出来的方案存在严重的问题，而这些问题如果不能及时的发现，就会在建筑施工中出现问题。结构抗震模式存在着许多不确定的因素，地震是一种地球内部随机的、不确定的、破坏性极大的地质运动，目前国际上尚没有准确对地震发生的时间、强度进行准确预测的方法和措施，而通常建筑物遭到地震破坏的作用机理又十分复杂，结构设计中根本没有有效规避地震危害的措施，因此，要提高建筑物的抗震性能，就要将结构设计与概念设计相结合，使其双方能够相互作用，达到最佳的状态组合，从而提高建筑物的抗震能力，达到建筑结构抗震设计的目标。

四.应用

1.概念设计要保证结构抗震设计的可靠性

结构抗震设计的目的一般是使建筑结构在强度、刚度及节能性等方面取得最佳的效果，从而满足结构抗震设计的要求。在当前的建筑科技水平和经济条件子啊，为了保证结构设计具有可靠的抗震性能，概念设计在于结构设计相结合的过程中，必须要充分考虑场地条件和原材料质量条件的关键因素。抗震概念设计的一般原则强调的是设计不能陷入简单计算的误区，若结构设计存在严重不规则，整体性差等问题，仅按照我国目前的结构抗震设计计算水平，是很难保证结构的抗震性能的，所以，应用概念设计的原理，并结合大量地震灾害和设计试验研究成果，所得出的结论是：建筑构件的最不利受力状态应随着构件和地震作用的方向而发生变化。概念设计要在保证结构抗震设计的可靠性的基础上，对结构设计进行全面的考察，查找不足，并采取必要的措施，提高整个结构设计的抗震性能。

2.结构抗震模式中薄弱部位要采用概念设计进行综合

结构抗震模式中最薄弱部位，如建筑平面外墙转角处的转角窗，通常是限制了角部结构竖向抗侧力构件的设置，这就需要概念设计进行处理。上文提到过，结构设计中存在许多问题，而这些问题都是结构设计本身所不能解决的，由于结构设计本身的局限性，就需要概念设计发挥自身的设计优势来补充结构设计中的不足，在结构设计完成后，要从宏观的角度对整个建筑抗震结构设计方案进行检验和审核，并找出其中存在的问题，针对问题制定适合的概念设计方案，以弥补结构设计方案中的不足。结构抗震设计中的薄弱部位更应该采用概念设计进行重点的综合设计，从而保证建筑设计的总体抗震质量。

总结

我国多年的建筑抗震设计经验，并在总结工民建中多年的抗震探索和研究的基础上，我们发现要解决结构设计中的诸多问题，必须在结构设计中引入概念设计这一全新的设计理念，这种设计理念可以从宏观的角度对建筑的抗震结构进行全面的设计，在某些关键方面可以弥补一些结构设计思想中对抗震结构思考不足的地方，这也就为我国今后的工民建结构抗震模式设计开辟了新的道路。建筑抗震设计体系正由传统的硬性抗震转为柔性抗震的发展体系中。

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