第二讲公益讲座结构概念和性能化

结构的概念设计及基于性能的抗震设计方法的介绍有限单元 编写在人类社会的发展早期，人们的设计控制其实源于对自然界的朴素认识，平衡，对称，均匀，协调。

随着社会的进步，科技的发展，在计算机已经很普及的今天，我们已能够在短短几十分钟之内，我们就能完成一栋几十万平方米的结构分析，当人的意念已被高科技绑架的今天，概念设计尤为重要。

我记得美国CSI公司的创始人，ETABS和SAP2000的发明者爱德华•L•威尔逊在他的专著《结构静力与动力分析》开篇引述了这样一段话：结构工程是这样的一种艺术使用材料这些材料只能估算建立真实的结构这些真实的结构只能近似分析来承受外力这些力不能准确得知以满足我们对公共安全职责的要求当我们对结构的概念设计有深刻的认识之后，抗震性能设计的指标的确定自然水到渠成。

下文从三个方面论述结构的概念设计•建筑结构的合理构成•概念设计的计算体现•概念设计的构造体现•建筑结构的合理构成1.结构的对称性结构的对称性内含于建筑之中，它主要指的是建筑中抗侧力的主体结构的对称。

对称的建筑如平面对称的筒体-框架结构、筒中筒结构，框架剪力墙结构等等，一般容易实现结构的对称性。

不对称的建筑如平面形状复杂的L形、T形、S形等高层建筑，楼电梯间偏于平面一侧或一角的高层建筑等，内含结构的基本对称仍是可以实现的。

这主要取决于结构工程师结合建筑平面的功能和需要进行结构的合理的结构布置，如筒体、剪力墙的合理布置，可以设法调整结构的刚心与建筑物的质心、平面的形心尽量接近，从而实现结构的基本对称。

结构的较大不对称，将引起结构在水平侧力作用下产生较大的扭转变形，因为扭转耦合作用，导致结构抵抗水平作用的能力急剧下降，不利于非结构构件的正常工作，同时造成结构的耗材，成本的较大增加。

所以建筑结构的主体结构对称性非常重要，在建筑平面布置的时候尽可能满足。

【规范体现】《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 表3.4.3-1扭转不规则：在规定水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010 3.4.5 补充规定，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级、超过A级高度的混合结构及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85. 2.结构的均匀性建筑结构的均匀性主要为以下4个方面：① 建筑主体抗侧力结构两个主轴方向的刚度接近，变形特性接近；② 建筑主体抗侧力结构沿竖向断面、构成变化比较均匀，不要突变。

主要指主体结构的层剪切刚度不要突变；③ 建筑主体抗侧力结构的平面布置，应注意同一主轴方向各片抗侧力结构刚度尽量均匀，应避免在结构主体结构的布置中设置某一，二片刚度特别大而延性较差的结构。

若个别构件刚度特别大，在地震中容易首先吸引较大能量，应力特别集中，率先破坏。

抗侧刚度均匀分布，在水平荷载作用下应力分布比较均匀，有利于结构抗震延性的实现④ 建筑主体抗侧力结构的平面布置还应注意中央核心与周边结构的刚度协调均匀，保证主体结构具有较好的抗扭刚度，也就是周边不应过柔，核心不应过刚，以至于扭转过大。

【规范体现】《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 表3.4.3-1侧向刚度不规则：该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层或出屋面小建筑外，局部收进的水平尺寸大于相邻下一层25%楼层承载力突变：抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010 3.5.1 补充规定： 高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和收进。

（注：可以理解为竖向构件，一家之言）3.5.2~3.5.5予以更详细的定量描述。

3.结构的整体性在结构构件的平面布置上，要强调其整体性。

及避免平面尺寸的凹凸不规则，楼板的局部不连续。

对于防震缝的甚至亦要慎重，尽量通过结构构件的调整达到结构的均匀，努力避免设置防震缝。

4.结构的稳健性稳健性的由来：稳健性（robuestness）就是系统的健壮性，音译为鲁棒性。

“robust”或“鲁棒性”，在国内外的科技文献中出现的频率相当高，主要是指在出现某些未知情况下，系统能否保持性能的优越性和稳定性① 抗震结构稳健性的基本特征工程结构设计通常要求满足安全性、适用性和耐久性要求，这些都是在结构正常使用荷载和作用下的所应具有的功能。

而结构的稳健性是针对结构在意外荷载和作用情况下，结构不应产生与其原因不相称的破坏和垮塌，造成不可接受的重大人员伤亡和财产损失。

稳健性是以结构的终极垮塌为目标，是无法接受的安全上限。

而目前设计的安全性是以结构的承载力极限状态为目标来考虑的。

事实上，结构达到的最大极限承载力并不意味着结构的垮塌，延性好的结构更是如此。

由于安全性是针对正常使用荷载和作用来考虑的，而稳健性是针对意外荷载和作用来考虑，所以二者所研究的荷载和作用特征不同。

正常使用荷载和作用是指在设计阶段能够给予充分考虑和估计的荷载和作用，对于正常使用荷载和作用，可以通过合理的设计，保证结构具有足够的安全度。

而意外荷载和作用是在结构设计阶段无法估计的荷载和作用（地震，爆炸，泥石流，火灾，洪水等），且意外荷载尤其有很大的不确定性，多方向性。

对于意外荷载和作用，只能凭借增加结构的稳健性来避免结构产生与其原因不相称的破坏和垮塌。

从结构的稳健性观点来看，构件的安全度与结构的安全度完全是两回事。

基于稳健性原理，对于关键构件应增加安全度，或者将关键构件设计成具有稳健性的构件。

具有稳健性的构件实际上是将关键构件设计成一个子结构。

明确结构体系中不同构件的作用，分清他们的安全层次，是获得结构结构稳健性的前提。

② 提高抗震结构稳健性的措施和途径•采用多重抗震结构体系结构稳健性好的一个重要特征是：当结构中某一构件和结构部分因损伤或者破坏完全退出工作或者部分退出工作，其原来承担的荷载或作用能够由剩余结构有效担当，即结构具有多个有效的备选传力途径。

结构的破坏要强调整体破坏。

具有整体破坏的结构，其结构的重要性层次明确，通常可分为整体性关键构件、一般构件、次要构件和赘余构件。

比如设置消能构件作为赘余构件。

框剪结构就是典型的多到防线，增加结构稳健性。

•尽量形成超静定结构抗震结构的稳健性与结构的超静定次数密切相关，超静定次数越多，结构的冗余度越大，结构的稳健性越高。

•增强整体性抗震结构的稳健性是结构整体性好的关键，其不仅与构件材料本身强度有关，更重要的是结构构件之间连接的可靠性。

5.荷载的传力直接荷载的传力直接是结构设计的基本要素之一。

其含义是使建筑物所受到的荷载能够通过最简洁明确快速的方式和途径从荷载作用点传递到最终持力点。

① 垂直重力荷载的传力直接水平体系的布置，应尽量是垂直重力荷载以最短的路径传递到竖向构件墙、柱上去。

在正常工作条件下，垂直重力荷载并不以人为的计算假定来传递的，而是根据实际结构布置中构件的竖向刚度来转移，即刚度大的构件将比刚度小的构件吸引更多的重力荷载。

竖向构件的布置，应尽量使竖向构件在垂直重力荷载作用下的压应力水平接近均匀，以避免竖向构件之间压应力的二次转移。

这点同样适用于基础设计，要注意使基础反力水平接近、刚度均匀。

转换结构的布置，应尽量使上部结构竖向构件传来的垂直重力荷载通过转换层一次至多两次传递，即能传递到下部结构的竖向构件上去。

② 水平荷载的传力直接地震作用和风荷载一般主要表征为水平荷载。

高层建筑结构抵抗水平荷载主要依靠其空间整体抗侧力结构。

整体抗侧力结构必须体系明确、传力直接，抗侧移力结构一般由框架、剪力墙、筒体、支撑等组成。

它们宜尽量贯通连续，若它们沿竖向有变化，则变化要缓慢均匀。

作为一个实际的高层建筑结构，其抗侧力结构通常是一个三维的空间结构，为要使此空间结构中各部分抗侧力结构都能有效地参加抗侧力结构工作，发挥作用，最基本的要求是楼屋盖要具有一定的刚度和承载力，以能有效地传递水平力，协调空间结构中各部分抗侧力结构工作。

高层建筑填充墙宜尽量采用轻质材料，且与主体结构柔性连接；应尽量避免采用砖墙等重材料，尽量避免与主体结构拉结塞紧等刚性连接。

这是因为具有一定刚度的重填充墙与主体结构刚性连接后，将使整个结构水平荷载下受力不明确，结构刚度被放大，传力不直接，而极有可能造成主体结构出现薄弱环节和隐患。

6.结构的合理刚度楼屋盖结构的合理刚度楼屋盖结构刚度合理，主要是指楼屋盖梁板截面尺寸要选择合理、布置适当。

主体抗侧力结构的合理刚度主体抗侧力结构的刚度合理是高层建筑设计的重要指标之一。

首先主体抗侧力结构的刚度要满足规范规定的水平位移、整体稳定、结构延性的要求，保证高层建筑结构能正常工作，同时高层结构主体抗侧力结构的刚度不宜过大。

合理的高层建筑主体抗侧力结构刚度以满足和略大于规范值即可，结构的延性和安全储备主要来源于合理的结构构造和精心的设计。

•概念设计的计算体现概念是对所研究问题的定性解答，而计算则是定量解答。

概念设计的内容需要计算进行量化。

二者相符相成。

下文通过一些实例具体讲解，分析二者之间的辩证统一。

“强剪弱弯”,“强柱弱梁”，“强节点弱构件”的计算体现。

钢筋混凝土构件设计的一般目标是，不仅使构件具有足够的刚度和强度，而且使其强度尽可能由弯曲而不是剪切或者/锚固控制。

规范对设计的要求，是希望构件能在剪切或者约束/锚固破坏前发挥出其抗弯曲或者轴向荷载的能力。

•强剪弱弯如前所述，钢筋混凝土构件设计的目的，是采用弯曲而不是剪力或者其他延性小的破坏机理控制其强度。

为保证梁在受剪破坏前能发挥出全部弯曲强度，ACI第21章要求梁的抗剪抗剪设计应建立在最大可能受弯强度对应的剪力基础上，而不是侧向荷载分析中得出的总剪力设计值。

最大可能受弯强度，产生于梁的末端。

此弯矩是通过假设受拉钢筋应力等于1.25f y及强度降低系数等于1.0算出。

对f y采用系数1.25是考虑到钢筋的实际屈服可能会大于规定的屈服应力（试验表明一般要大10%到25%），同样也考虑到，当梁端发生塑性铰时钢筋很可能会变形而硬化。

我国《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010 规定与ACI类似，略有差别。

Vൌη୴ୠ൫Mୠ୪൅Mୠ୰൯l୬൅V Gୠ我国规定一、二、三级的框架梁和抗震墙的连梁其梁端的弯矩值按组合弯矩值设计，只有一级框架结构和9度的一级框架梁按梁端实配钢筋面积（计入受压筋和相关楼板配筋）和材料强度标准值计算。

•强柱弱梁当前广泛采用的钢筋混凝土刚性（即抗弯）框架的设计方法，使大部分明显的非弹性效应或者塑性铰出现在梁上，而不是在柱上。

这种做法称之为强柱弱梁，为的是在地震作用引起大侧向位移时，能保证框架的稳定性。