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设计结构论文范文

摘要：随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,人们对建筑结构设计也提出了更高的要求.概念设计的正确运用妥善地处理了在建筑结构设计遇到的各种问题,使建筑结构设计具有更高的安全性、适用性、可靠性和经济性.文章论述了概念设计的内涵、概念设计与结构设计的区别以及运用概念设计时需要注意的事项.

关键词：建筑结构；概念设计；设计应用；结构设计

中图分类号：TU318　　　　　　文献标识码：A　　　　　　文章编号：1009-2374（2010）13-0149-02

随着科学技术的迅速发展以及计算机结构程序的全面应用,给建筑结构工程师们带来了极大方便,大大提高了设计的效率和质量.但同时也养成了很多设计人员一味地依赖计算机,认为结构设计很简单,只需要按照规范、图集,通过电脑软件计算就可以完成,设计人员成了不过是东拼西凑的计算机画匠而已,对计算的结果也无法判断正误,规范与软件之间的差异更是不了解；对如何加强结构的整体性、合理性、经济性更是没有概念.

发展先进计算理论,加强计算机的应用,加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用,使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急.打破建筑结构设计中的墨守成规,充分发挥结构工程师的创新能力,是相当必要的.这就要求结构工程师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.

一、概念设计

1．所谓概念设计一般是指不经数值计算,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.

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2．运用概念设计的思想,能让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,以至混凝土的等级越用越高,配筋量越来越大,造价越来越高.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.

3．目前在抗震设计中,隔震消能的研究就是一个很好的例子.隔震消能的一般做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.

4．在建筑抗震设计中,更应注重概念设计.这是因为建筑结构的复杂性,发生地震时,地震力的不确定性,人们对地震时结构效应认识的局限性与模糊性,结构抗震分析计算的精确度,材料性能与施工安装时的变异性以及其他不可预测的因素,致使设计计算结果（尤其是经过实用简化后的计算结果）可能和实际相差较大,甚至有些作用效应至今尚无法定量计算出来.因此由于存在上述诸多不确定因素,建筑结构设计计算无法涵盖可能的所有不确定因素.因此,必须重视整体的概念设计,从某种意义上讲,概念设计甚至比分析计算更为重要.

二、概念设计与结构设计的区别

概念设计的过程是依据个人经验,结合建筑功能要求、结构安全等级、抗震设防等级、地质资料、当地材料、当地自然环境等进行的定性设计过程,其概念设计的主要内容包括：确定三缝设置、结构体系、基础形式和埋深、主要构件的几何尺寸等.结构设计则是概念设计的逆向过程,其设计是依据概念设计的总体要求、力学和数学的原理由定量（内力、配筋、稳定和变形）过度到定性（规范规定的构造要求）的一个过程.我们可以对两者的设计过程和要求进行对比,见表1：

从对比表中我们可以看出概念设计的重要性,然而现在我们许多设计人员过于理论化,任何情况下首先讲的是计算结果,而忽视结构构造.甚至于一些单位的总工不参与设计的前期概念设计阶段,而只对着计算书审核设计图纸.有些新参加工作的同志有时拿着书本和计算书与审核人员争论.

三、建筑结构设计中概念设计应注意的问题

1．适宜刚度概念.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,刚度大刚结构自振周期就短,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.

2．充分认识和掌握结构的破坏机制和塑化历程.建筑结构的破坏机制一般分为楼层破坏机制和整体破坏机制,设计人员在设计中应尽量避免结构产生楼层破坏机制,因为这种破坏机制说明结构中存在着薄弱环节,即在其它构件承载能力尚未充分发挥作用之前,整个结构已经提前破坏,设计人员的责任和主要任务就是努力实现理想的建筑结构的整体破坏机制,就是正确布置和掌握塑性铰出现的位置和出现顺序.

3．等强度与耗能设计原则.这是抗震结构总体设计时必须认真考虑的设计原则,在结构设计中一定要避免由于设计考虑不周,或施工的局部缺陷,造成在水平作用下部分主要承重结构提前破坏,整幢建筑物连续破坏的局面.在结构的整体设计上要注意加强薄弱环节,尽量做到等强度,在注意等强度设计原则的同时,一定要注意使建筑结构在恰当的部位具有能消耗大量能量的性能,一个好的结构设计必定是一个好的耗能系统.在选择主要耗能构件时应注意以下几点：（1）耗能构件的屈服应力仍然处于弹性阶段工作的构件的约束,即它们的屈服在整个建筑结构中应该是局部性的,不至于引起整体破坏；（2）耗能构件不应选用主要承受竖向荷载的构件,如柱、剪力墙等；（3）为了更多地消耗地震能量,耗能构件应有相当的数量,且这些耗能构件应有较好的延性.

4．结构延性设计原则.结构延性一般用延性系数表示,它表示的是结构极限变形与屈服变形的比值,该比值越大,结构的延性越好,如果组成整体结构的各个构件均具有较好的延性,那么整体结构本身会有较好的延性.

5．强柱弱梁设计原则.强柱弱梁设计原则,其目的就是为了保证在强地震作用下,柜架结构塑性铰首先在梁上发生面不在柱上发生,通柜架结构出现楼层破坏机制.

四、概念设计的意义

1．展现先进设计思想的关键.概念设计的根本宗旨,是在特定的建筑空间及地理条件下,用整体概念来考虑建筑结构的总体方案,且能有意识地发挥和利用结构总体系与分体系之间的力学特性与关系.运用概念设计从整体上把握结构的各项性能,方能对计算分析的结果进行科学判断和合理取舍.在概念设计之初的方案阶段,能迅速、有效地对结构体系进行构思、比较、分析与选择,可采用概念性设计到工程中去.

2．体现结构设计的原则与灵活.建筑物是一个完整的空间结构,各构件都在以相当复杂的受力方式共同工作,而并非是独立于总体结构体系之外的单独构件.当前在建筑结构设计界,对具体空间结构体系的整体研究上还存在着局限性,以至于在设计过程中采用了许多假定与简化方法.作为结构工程师,一方面在设计过程中既要做到严格遵守和执行相关的强制性规范和要求,坚持结构设计的原则不能改变,另一方面,又不应盲目、教条、机械地照搬照抄,尤其是对推荐性规范和要求,应把它作为一种结构设计中的指导和参考意见,从而可在实际的设计项目中作出更为正确的选择.这就对结构设计工程师提出了要求,要对整体结构体系与各基本分体系之间的力学关系有更为透彻的认识和深入的了解,把建筑结构概念设计应用到实际工作中去.

3．弥补设计、计算理论的不足.目前的结构设计计算水平难以有效地保证结构设计的抗震、抗风性能,尤其是抗震设计.以“5·12汶川大地震”为代表的近几年国内外几次震害的经验教训充分说明,从某种意义上讲,概念设计确实比分析计算更为重要.目前,现行的结构设计理论和计算理论仍然存在着一些缺陷：如对混凝土结构设计,内力计算采用基于弹性理论的计算方法,而截面设计则采用是基于塑性理论的极限状态设计方法,两者的矛盾使计算结果与结构的实际受力状态存在较大差距.为了弥补设计、计算理论的缺陷,或实现对实际存在的大量难以计算的结构构件的设计,也需要概念设计与结构措施来共同满足结构设计的需要.