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1、建筑结构概念设计 与优化设计 汇报人：苏恒强,结构专业和建筑专业的关系 概念设计 优化设计 设计阶段的主要结构概念 超限高层建筑工程抗震设防审查的技术要点 施工图阶段结构专业需明确的设计条件,一、建筑专业和结构专业的关系,技术的复杂性不断增大，在结构工程与建筑专业之间存在着技术共识的空白 教学和现代信息的分离限制着建筑师和结构工程师之间创造性地互相配合的可能性 建筑空间形式与技术思路之间的不协调，增大以后的设计阶段出现较大矛盾的机会,基本建设工作程序,基本建设工作程序和内容,建筑师 设计思想着眼与总体，而不是个别因素 处理空间形式表现与三种相互关联的功能需求与使用活动有关的、物质的和象征性的需
2、求 结构工程师 教育的专门化模式导致他们向相反的方向考虑技术问题，常常由细部开始，而对总体方案缺乏足够的关心 将建筑物的多种性能组织在一起，满足这些要求，而且应该是最优化的组合,二、概念设计,概念设计是展现先进设计思想的关键。 结构工程师的主要任务：在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。 随着社会分工的细化，大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计，缺乏创新，更不愿（不敢）创新，有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳（害怕承担创新的责任）。,现行的结构设计与计算理论存在许多缺陷或不可计算性。 大部分工程师在一
3、体化计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现。 方案设计阶段不能借助于计算机来实现，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、造价合理的结构方案，为此，需要工程师不断地丰富自己的结构概念，深入、深刻了解各类结构的性能，并能有意识地、灵活地运用它们。,概念设计和数值设计,建筑结构设计按是否考虑地震作用分为：抗震设计和非抗震设计（静力设计）。,错误的概念：认为做好数值设计，再辅助一定的构造措施，就可以保证建筑设计的质量。,为什么要重视概念设计：至今，人们远没有充分认识地震对建筑的作用机理和破坏作用，而且预测地震也几乎不可能。,结构抗震设计的首
4、要问题：提高结构的总体抗震性能，注意结构的概念设计。对建筑布局和结构体系的合理选择在抗震设计中占首要地位。,概念设计：根据地震震害和工程经验等形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。概念设计强调建筑物总体方案和细部构造。,例如：抗震设计要求“强柱弱梁，强剪弱弯 ，强节点弱构件 ”,原因：“强柱弱梁 ”要求柱子不先于梁破坏，梁破坏属于构件破坏，是局部性的，柱子破坏将危及整个结构的安全。“强剪弱弯 ” 要求避免发生剪切破坏，弯曲破坏是延性破坏，是有预兆的如开裂或下挠等，而,剪切破坏是一种脆性的破坏，没有预兆的，瞬时发生，没有防范 。 “强节点弱构件” ：增大节点核
5、心区的组合剪力设计值进行计算。,结构设计的基本原则,结构在使用期间承受各种荷载和作用。在规定的结构设计使用年限内、在规定的条件下结构应具有预定功能要求，概括起来包括:安全性、适用性、耐久性三个方面。,结构的功能要求,安全性,一、结构在正常施工和正常使用条件下，能承受可能出现的各种荷载作用，防止建筑物的破坏；,二、在设计限定的偶然事件发生时和发生后仍能保持必需的整体稳定性，结构仅发生局部的损坏而不至于发生连续倒塌；,汶川大地震中倒塌的建筑物就不具备安全性要求！,安全等级规定：根据建筑物的重要性，即结构破坏时可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，设计结构时应采用相应
6、的安全等级。,建筑安全等级划分为三级。设计中，安全等级用结构重要性系数 反映。,建筑结构的安全等级,适用性,结构在正常使用过程中，变形、裂缝或振动等均不超过规定的限度。满足正常使用要求。,耐久性,结构在正常维护的条件下具有足够的耐久性能，即要求结构在规定的工作环境中，在预定时期内，在正常维护条件下结构能够使用到规定的设计使用年限。,以上功能概括为结构的可靠性（规定的时间、条件下，完成规定功能的能力）。,结构的极限状态,整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态实质上是区分结构可靠与失效的界限。,极限状态分为两类：,承载能力极
7、限状态,正常使用极限状态,安全性,适用性、耐久性,通常对结构构件先按承载能力极限状态进行承载能力计算，然后根据使用要求按正常使用极限状态进行变形、裂缝宽度或抗裂等验算。,建筑结构的设计状态,偶然状况,短暂状况,建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况：,持久状况,在结构使用过程中一定出现，持续时间较长的状况，例如：房屋结构承受家具和正常人员荷载。,在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比持续时间很短的状况。如：结构施工时承受堆料荷载的状况。,在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况。如：结构遭遇火灾、爆炸、撞击、罕遇地震。,均应进行
8、承载能力极限状态设计；对偶然状况，允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而局部破坏，但其剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌的可靠度；对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计；对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计,结构设计原则和方法,由于建筑在设计、施工、使用过程中，以及材料都存在着许多非确定性问题，必须采用概率极限状态设计方法。非确定性问题具体表现为：,由于施工条件及质量控制等因素的影响，实际的结构尺寸及材料强度等均可能有不同程度的变异；,所采用的计算简图和计算理论与实际情况有一定偏差；,建成后结构承受的荷载及所处的环境都有一定的随机性，且是设计时无法确切预知的。,承载力（强度
9、）、刚度、延性为主导的概念设计,指不经数值计算，尤其在一些难以作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。运用概念设计方法方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、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、定性正确，可以避免后期设计阶段出现大问题。,结构设计的力学刚度理论,规范遵照国家标准建筑结构可靠度设计统一标准（GBJ50068）所确定的原则，采用以概率理论为基础的极限状态设计法来进行结构设计 可靠度包括建筑
10、物的安全性、适用性和耐久性 安全性包括两个结构的概念强度和刚度 强度指结构或结构构件所承受的最大荷载，反映了材料的极限承载能力 刚度指结构或构件抵抗外力的变形能力。与建筑设计联系更直接,刚度概念,在相同的力作用下，刚度大的结构（或构件）变形就小，而刚度小的结构（或构件）变形就大；或者，在相连的构件在一个共同作用力作用下，刚度大的构件产生的内力就大，而刚度小的结构产生的内力就小。 建筑形式的选取和构件的布置直接影响最终建筑物的刚度 结构中力的平衡、变形的协调以及由此产生的构件内力及变形通过自身的线刚度（由截面尺寸、结构体型、材料特性三方面确定）以及连接构件的相对刚度的大小来体现。,抗震性能延性：
11、 延性：在初始强度没有明显退化情况下结构或构件的非弹性变形的能力。它包括两个方面的能力： （1）承受较大的非弹性变形，同时强度没有明显下降的能力； （2）利用滞回特性吸收能量的能力。 三种设计方案：（1）较高地震力较低延性方案:保证结构的承载力;（2）中等地震力中等延性方案；（3）较低地震力较高延性方案:保证结构的延性。我国的抗震设计采用的是方案（3），即采用明显小于设防烈度的小震地面运动加速度来确定结构的设计地震作用，并将它与其他荷载内力进行组合，进行截面设计，通过钢筋混凝土结构在屈服后的地震反应过程中形成较为有利的耗能机构，使结构主要的耗能部位具有良好的屈服后变形能力来实现“大震不倒”的目
12、标。,概念设计应实施多道防线、刚柔结合的基本理念,应将复杂的变成简单。将结构的受力与传力设计成简单、直接、明确，尽可能避免出现以抗扭为主导的关键性传力构件。 应尽可能使结构平面布置的正交抗侧力刚心与风荷载作用中心或质心靠近，以避免或减少在风荷载或地震作用下产生的扭转效应及相应的破坏； 沿建筑物竖向布置的抗侧力刚度构件宜均匀、连续，避免出现软弱层和层间位移角、内力及其传力路径的突变。如不可避免时，应有效协调上下层剪切刚度、弯曲刚度和轴压刚度的平稳过渡。,结构内部的各个构件相互配合，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，还要求他们能有共同的耐久寿命。
13、 结构的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的整体，不能把两者割裂开来处理。举例而言，对砖混结构 ，必须依靠圈梁和构造柱将上部结构与基础连接成一个整体，而不能单纯依靠基础自身的刚度来抵御不均匀沉降，所有圈梁和构造柱的设置，都必须围绕这个中心。,结构体系,当结构受力时，结构中的各个构件能同时达到较高的应力水平。 应尽可能避免短柱，使同层各柱在相同的水平位移时，能同时达到最大承载能力。对于大截面柱，可以通过对柱截面开竖槽，使矩形柱成为田形柱，从而增大长细比，避免短柱的出现，使同层的抗侧力结构在相近的水平位移下，达到最大的水平承载力。,长、短梁与长短柱混杂的效果一样，
14、在同一榀框架中并存，也是极为不利的，短跨梁在水平力的作用下，剪力很大，梁端正、负弯矩也很大，其配筋全部由水平力决定，竖向荷载基本不起作用，甚至于梁端正弯矩钢筋也会出现超筋现象，同时，由于梁的剪力增大，也会使支承柱的轴力大幅增大，这种设计是不符合协同工作原则的，同时，结构的造价必将会上升。因此，宜应对梁的跨高比进行限制。,为有效的抵抗水平力作用，平面上两个正交方向的尺寸宜尽量接近，目的是保证这两个方向上的“惯性矩”相等，以防止一个方向强度（稳定性）储备太大，而另一个方向较弱，因此，抗侧力结构（柱、剪力墙）宜设置在四周，以增大整体的抗侧刚度及抗扭惯性矩，同时，应加大梁或楼层的刚度，使柱（或剪力墙）
15、能承担较大的整体弯矩。,扭转发生时，各柱节点水平位移不等，距扭转中心较远的角柱剪力很大，而中柱剪力较小，破坏由外向里，先外后里。为防止扭转，抗侧力结构应对称布置，宜设在结构两端，紧靠四周设置，以增大抗扭惯性矩。高层或超高层建筑中，尽管角柱轴压比较小，但其在抗扭过程中作用却很大（若角柱先坏，整个结构的扭转刚度或强度下降，中柱必定依次破坏），同时，在水平力的作用下，角柱轴力的变化幅度也会很大，这样势必要求角柱有较大的变形能力。由于角柱的上述作用，角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑，如加大配箍，采用密排箍筋柱、钢管混凝土柱。,应遵循能有效增大高层建筑抵抗侧向力和侧移的能力，尽可能增大抗侧力
16、结构竖向分体系抗倾覆力臂的有效宽度，将抗倾覆的竖向构件布置在结构平面的最外边缘。 使绝大部分的竖向荷载直接由最主要的抗倾覆构件来承担，使抗倾覆构件收到预压，从而减小倾覆引起的拉力，有助于房屋的稳定。 在竖向结构分体系中，合理布置剪力墙或柱间支撑，可以有效抵抗楼层层间剪力。完全以抗弯为主的框架来抵抗水平剪力要耗费更多的材料和成本。,材料利用率,材料利用率越高（即应力水平越高），该结构的协同工作程度也越高；结构设计的目的即是花最少的钱，做最好的建筑，这就要求设计时对结构材料的充分利用。这从梁类构件的演变可以看出。 矩形截面梁是最普通的受弯构件，它的材料利用率很低。原因有二：一方面是靠近中和轴的材料应力水平低，另一方面是梁的弯矩沿梁长一般是变化的，这样对等截面梁来说，大部分区段，即使是拉、压边缘，其应力水平均较低。针对梁的这种受力特点，用结构概念分析，主要是梁截面存在应变梯度的原因。,当构件是轴心受力时，材料利用率才可能增大，于是就出现了平面桁架，平面桁架可以理解成“掏空”的梁将梁中多余材料去除，既经济，又降低自重；故桁架的上弦相应于梁的受压边，下弦相应于受拉钢筋。规则
