結構概念設計一

結構概念設計（一）結構概念設計的重要性和豐富內涵，目前，往往在嚴格的規(guī)范規(guī)定和一體化的程序計算中淡化了。結構概念設計不是某種具體的方法，它貫穿在結構設計的每一個步驟，包括方案布置（建筑體形結構的總體布置）、結構計算、結構構造等，它是結構工程師的基本功，每個結構設計人員都應該掌握和運用概念設計。一、什么是概念設計：概念設計是相對于量化的計算而言，通過力學規(guī)律、震害教訓、試驗研究、工程實踐經驗等建立設計概念、設計對策和措施，它比量化計算更能有效地從宏觀上處理好結構的安全問題，特別是抗震安全。對于整個設計過程，概念設計與計算相輔相成，但是，由于地震作用的不確定性，必須有概念設計作引導和判斷；計算設計常常是在概念設計的指導下完成（事物矛盾的兩個方面，設計工作由概念設計、計算設計兩方面組成，是事物矛盾的兩個方面相輔相成的關系，概念設計是主要方面，沒有概念設計無從做起，沒有概念設計指導的計算沒有實際使用意義，沒有計算這個工具概念設計也無從做判斷）。結構概念設計是高層建筑結構設計的重要內容，工程師對概念設計的掌握是一個不斷學習和積累的過程，應該通過力學知識和力學規(guī)律建立結構受力與變形規(guī)律的各種概念（力學不能只是計算的工具），對歷次地震震害的關注與對國內外震害教訓經驗的積累，以及對各類結構試驗研究結果的了解和應用，還有工程經驗的日積月累，深入施工現場，理論聯系實際，這樣就會在概念設計的知識和能力上逐步前進。地震作用影響因素極為復雜，是一種隨機的、尚不能預見和準確計算的外部作用，目前規(guī)范給出的計算方法還是一種半經驗半理論的方法，抗震結構的設計應該是綜合概念設計、計算和構造措施等完整的系列設計。由于地震的不可預見性及地震作用的不確定性，抗震設防的結構必須重視概念設計。概念設計涉及的面很廣，從方案、結構布置到計算簡圖的選取，從截面配筋到構件的配筋構造等都存在概念設計的內容?？拐鹨?guī)范2.1.8條把抗震概念設計定義為根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程。并在3.4.1條以強制性條文的形式規(guī)定“建筑設計應符合抗震概念設計要求”。高規(guī)1.0.5條對結構抗震設計而言，概念設計比計算設計更重要，在做好概念設計的基礎上，進行結構定量計算分析及采取可靠的抗震構造措施是建筑結構設計中應遵守的原則。二、抗震設防目標：（抗震設防思想）小震不壞，中震可修，大震不倒。當遭受低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震影響時，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用；當遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的地震影響時，可能損壞，經一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用；當遭受高于本地區(qū)抗震設防烈度預估的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞（即三水準目標）。三水準烈度的力學工作狀態(tài)（從受力角度看）：第一水準烈度地震（小震）結構處于彈性工作狀態(tài)，可以采用彈性體系動力理論進行結構和地震反應分析，滿足強度要求，構件應力完全與按彈性反應譜理論分析的計算結果相一致；第二水準烈度地震（中震）結構越過屈服極限，進入非彈性變形階段，但結構的彈塑性變形被控制在某一限度內，震后殘留的永久變形不大；第三水準烈度地震（大震）建筑物雖然破壞比較嚴重，但整個結構的非彈性變形仍受控制，與結構倒塌的臨界變形尚有一段距離，從而保障了建筑內部人員安全。Fe不壞e50550200:水準下鋼筋獨框架結構破麻程度與層間位移角的大致對應關系Fe不壞e50550200:水準下鋼筋獨框架結構破麻程度與層間位移角的大致對應關系二水淮烈度對應關系三水準設防目標是通過“兩階段設計”來實現的。第一階段設計是承載力驗算（也稱為結構設計階段）第一步采用第一水準烈度的地震動參數，先計算出結構在彈性狀態(tài)下的地震作用效應，與風、重力等荷載效應組合，并引入承載力抗震調整系數，進行構件截面設計，從而滿足第一水準的強度要求（承載力）。第二步采用同一地震參數計算出結構彈性層間位移角，使其不超過規(guī)定的限值；同時采取相應的抗震構造措施，保證結構具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能，從而自動滿足第二水準的變形要求。對大多數結構可只進行第一階段設計，而通過概念設計和抗震構造措施來滿足第三水準設計要求。經過第一階段設計，結構應該實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準目標。第二階段設計是彈塑性變形驗算（即大震）：采用第三水準烈度的地震動參數，計算出結構（特別是柔弱樓層和抗震薄弱環(huán)節(jié)）的彈塑性層間位移角，使之小于《抗震規(guī)范》限值（倒塌變形值），并結合采取必要的抗震構造措施，從而滿足第三水準的防倒塌要求。第一水準烈度（眾值烈度）：根據我國華北、西北和西南地區(qū)地震發(fā)生概率的統(tǒng)計分析，50年內超越概率約為63%的地震烈度，即所謂多遇地震烈度（眾值烈度）比基本烈度約低一度半。第二水準烈度（基本烈度）【即設防烈度】：50年內，一般場地條件下，可能遭遇的超越概率為10%的地震烈度值，相當于474年一遇的烈度值。第三水準烈度（罕遇地震烈度）：50年內，一般場地條件下，超越概率為2?3%的地震烈度值，相當于1600?2500年一遇，約比基本烈度高1度左右。卓越周期：反應譜峰值對應的周期可近似代表場地的卓越周期（卓越周期是指地震動功率譜中能量占主要部分的周期）。建筑物的自振周期與地震動的卓越周期接近，使建筑物發(fā)生共振加劇破壞，因此建筑物的自振周期應避開卓越周期。硬土中反應譜的峰值對應的周期較短，即硬土的卓越周期短，軟土的卓越周期長，而且地震反應值的范圍也比硬土大。所以，長周期的高層建筑結構在軟土地基上的地震反應會更大。三、地震作用的特點：地震傳播產生地面運動，通過基礎影響上部結構，上部結構產生振動，稱為結構的地震反應，包括加速度、速度和位移反應。（1） 地震波可以分解為六個振動分量：兩個水平分量、一個豎向分量和三個轉動分量。對建筑物構成破壞的主要是水平振動和扭轉振動。地面水平振動使結構產生移動和搖擺，扭轉振動使結構扭轉，扭轉對房屋破壞性很大，但目前尚無法計算，主要采用概念設計方法加大結構的抵抗能力，以減小破壞程度。地面豎向振動只在震中附近的高烈度區(qū)影響房屋結構，因此，大多數結構的設計計算主要考慮水平地震作用。（2） 地面運動的特性用三個特征量來描述：強度（由振幅值大小表示）、頻譜和持續(xù)時間。強烈地震的加速度或速度幅值一般很大，但如果地震時間很短，對建筑物的破壞性可能不大；而有時地面運動的加速度或速度幅值并不太大，而地震波的卓越周期（頻譜分析中能量占主導地位的頻率成分）與建筑物的結構基本周期接近，或者振動時間長，都可能對建筑物造成嚴重影響。因此，強度、頻譜與持續(xù)時間被稱為地震三要素。地面運動的特性除了與震源所在的位置、深度、地震發(fā)生的原因、傳播距離等因素有關外，還與地震傳播經過的區(qū)域和建筑物所在區(qū)域的場地土性質有密切關系。（3） 不同性質的土層對地震波包含各種頻率成分的吸收和過濾效果不同。地震波在傳播過程中，振幅逐漸衰減，在土層中高頻率成分易被吸收，低頻率成分振動傳播得更遠。在震中附近或巖石等堅硬土壤中，地震波中短周期成分豐富。在距震中較遠的地方，或當沖積土層厚、土壤又較軟時，短周期成分被吸收而導致長周期成分為主，這對高層建筑十分不利。當深層地震波傳到地面時，土層又會將振動放大，土層性質不同，放大作用也不同。軟土的放大作用較大。（4） 建筑物本身的動力特性對建筑物是否破壞和破壞程度也有很大影響。建筑物動力特性是指建筑物的自振周期、振型與阻尼，它們與建筑物的質量和結構的剛度有關。通常質量大、剛度大、周期短的建筑物在地震作用下的慣性力較大；剛度小、周期長的建筑物位移較大，但慣性力較小。特別是當地震波的卓越周期與建筑物自振周期相近時，會引起類共振，結構的地震反應加劇。四、建筑地震災害及啟示（一）根據以往地震經驗導致建筑破壞的直接原因分為三種情況：（1） 地震引起的山崩、滑坡、地陷、地面裂縫或錯位等地面變形對其地面上部建筑物的直接危害；（2） 地震引起的砂土液化、軟土震陷等地基失效，對上面建筑物所造成的破壞；（3） 建筑物在地面運動激發(fā)下產生劇烈震動過程中，因結構強度不足過大變形、連接破壞、構件失穩(wěn)或整體傾覆而破壞。當今，抗震科學尚處于較低水平，試驗手段和技術還不能確切模擬地震對建筑物的破壞作用，因而地震區(qū)建筑物的破壞狀況便成為探索地震破壞作用和結構震害機理最直接和最全面的大型結構試驗。因此，有必要在充分吸收歷次地震經驗和教訓的基礎上，結合現代技術，在基本理論、計算方法和構造措施等多方面研究改進建筑的抗震設計技術，以進一步提高房屋建筑的抗震可靠度。二)幾次大地震的經驗教訓三)歷次地震總結出的規(guī)律性認識場地地基方面2.房屋體形方面3.結構體系方面4.剛度分布方面5.構件形式方面6.非結構方面國內外的歷次地震中建筑物破壞的情況各有特點，但仍然有些共性的規(guī)律性的情況，這些共性的、規(guī)律的東西對抗震設計有重要的參考價值和指導作用，其中規(guī)律性的震害有如下幾方面：1.場地地基方面：斷層錯動、滑坡、地陷等地面變形對建筑物的破壞非常嚴重，工程場地選址時要注意避開抗震危險地段；砂土液化引起地基不均勻沉陷，導致上部結構破壞或整體傾斜；在具有深厚軟弱土層的場地上，高層建筑的破壞率顯著增高；當建筑的基本周期與場地卓越周期相近時，破壞程度將因共振效應而加重房屋體形方面：平面復雜的房屋，如L形、Y形等破壞率顯著增高；有大底盤的高層建筑裙房頂面與主樓相連接處樓板面積突然減小的樓層破壞程度加重；房屋高寬比值較大且上面各層剛度很大的高層建筑，底層框架柱因地震傾覆力矩引起的巨大壓力而發(fā)生剪壓破壞；相鄰結構或毗鄰建筑因相互間的縫隙寬度不夠而發(fā)生碰撞破壞。結構體系方面：相對于框架體系而言，采用框架-剪力墻體系的房屋，破壞程度較輕，特別有利于保護填充墻和建筑裝修免遭破壞；采用“框架+填充墻”體系的房屋，在框架平面內嵌砌體填充墻時，柱上端易發(fā)生剪切破壞；外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發(fā)生短柱型剪切破壞；采用鋼筋砼板柱體系的房屋，或因樓板沖切破壞，或因樓層側移過大，柱頂、柱腳破壞，各層樓板墜落，重疊在地面；采用“底部純框架+上部砌體結構”體系的房屋，相對柔弱的底層破壞程度十分嚴重；采用“框架+填充墻”體系的房屋，當底層為開敞式的純框架，底層同樣遭到嚴重破壞；采用單跨框架結構體系的房屋，因結構整體冗余度較少，強震作用下易發(fā)生整體倒塌。剛度分布方面：采用L形、三角形等不對稱平面的建筑，地震時因發(fā)生扭轉振動而使震害加重；矩形平面建筑、電梯豎筒等抗側力構件的布置存在偏心時，同樣發(fā)生扭轉振動而使震害加重。構件形式方面：鋼筋砼多肢剪力墻的窗下墻(連梁)常發(fā)生斜裂縫或交叉裂縫；在框架結構中，絕大多數情況下，柱的破壞程度重于梁和板；鋼筋砼框架如在同一樓層中出現長、短柱并用的情況，短柱破壞嚴重；配置螺旋