结构概念设计在结构布置中的应用

摘要：结合工作经验，对结构概念设计提出了自己的理解，并从四个方面介绍了结构概念设计在结构布置中的应用：楼板的作用、结构两个主轴方向的动力特性宜相近、通过分析荷载传递路径优化结构布置、计算假定与实际受力情况相一致。了解结构概念设计知识，可以提高结构工程师对结构的理解，拓宽结构工程师在进行结构布置时的思路。

关键词：结构概念设计；结构布置；楼板的作用；兩主轴方向的动力特性；荷载传递路径；计算假定

中图分类号：TU318.2文献标志码：A

0引言

在平时的校审工作中，总能发现一些结构工程师对于结构布置缺乏概念，盲目迷信模型计算结果，认为只要模型计算通过，就万事大吉了。事实上，模型能算过只能说明在基于软件及规范的一系列假设的前提下，可以满足规范的相关基本要求，并不代表这个结构方案就是合理的，没有安全隐患的，甚至于有些东西软件考虑的也不是很完善或者根本没有考虑。这时就需要清晰的结构概念设计思想作支撑，灵活运用自身知识进行分析判断。

结构概念设计与模型计算分析二者是相互依存的关系，必须先有经过结构概念设计的结构方案，其次再是建入模型进行计算分析，最后根据分析结果对所布置的结构方案进行优化调整。

本文结合自身的工作经验，将从四个方面介绍结构概念设计在结构布置中的应用，希望可以起到抛砖引玉的作用。

1结构概念设计的含义

相信很多结构工程师从入行开始就或多或少听说过“结构概念”这个名词，感觉似乎深不可测的样子，实则不然。

GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》［1］第2.1.9条对建筑抗震概念设计给出的解释为：“根据地震灾害和工程经验等所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。”个人理解的结构概念设计：“即不需经过模型计算，仅通过一些结构概念设计思想就能布置出大致合理的结构体系。”也就是说，拥有结构概念设计思想，就可以相对容易地布置出合理的结构方案，并能有针对性地对结构薄弱部位进行加强。

2结构概念设计在结构布置中的应用

从四个方面对结构概念设计及其在结构布置中的应用进行介绍并举例说明。

2.1楼板的作用

楼板的作用除了传递竖向荷载以外，更重要的是传递水平荷载（风荷载、地震作用），并将单个结构构件拉结为一个整体联合受力。

很多结构工程师对楼板传递水平荷载的作用认识不足，仅仅因为模型里面楼板都是单独进行计算，好像并没有参与结构的整体计算，就认为楼板于传递水平荷载没有作用，这种理解是片面的，也是极端错误的。

那么，楼板为何可以传递水平荷载，毕竟常见的楼板厚度仅仅为100～120 mm。实际上楼板传递水平荷载的能力主要取决于楼板的平面内刚度EI。对于同一个等级的混凝土，弹性模量E是常数，而惯性矩I=bh312 ，虽然b（楼板厚度）很小，但是h（即承受水平荷载方向的建筑有效楼板宽度）却很大，h的3次方则更大。故在楼板没有经过大幅度削弱（比如开大洞）的楼层可以近似认为该楼层楼板的平面内刚度为无限大。也就是说，结构平面有连续楼板的地方，水平荷载可以通过楼板顺利传递并分配给与之相交的竖向构件。而没有楼板的地方，水平荷载只能通过诸如梁或者围合的剪力墙筒体进行传递。理解了这一点，可以轻易地找到结构平面的薄弱点，故而进行有针对性的加强。

比如常见的“凹”形结构平面，见图1。水平荷载Fx通过楼板A传递给急剧收截面后的楼板C再传递给楼板B。通过上面的结构概念，可以很容易地得出结论，即仅仅依靠楼板C来传递水平荷载可能是不够的，如果增加拉结板D或者E，将更有利于水平荷载的传递，见图2。

需要注意的是，这里需要增加拉结板是概念分析的结果，因为如果不增设拉结板，A或者B上半部分的楼板就不能直接传递水平荷载。当然，规范中也有相关的说明，如DB51T 5058-2020《四川省抗震设防超限高层民用建筑工程界定标准》［2］第4.1.2条条文说明中指出：“凹进平面在凹口设置连梁或者拉板，当满足拉板宽度不小于2 m、厚度不小于150 mm，且凹口宽度与拉板宽度之比不大于4时，可视为无凹口。”即当增设的拉板能够有效协调两侧的变形时，可以不算凹凸不规则。由此可以看出，虽然结构概念设计不能像规范规定那样给出具体的数值，但通过分析，至少可以判断出凹口处需要进行加强，这在结构设计前期已经足够了。

2.2结构两个主轴方向的动力特性宜相近

对于某建筑结构来说，通常可以确定两个主轴方向，分别设为X轴和Y轴。当结构两个方向的抗侧刚度不一样时，在同样大小的水平荷载作用下，势必出现两种不同的变形，当变形大于一定范围，结构将出现破坏。试想，如果结构X轴与Y轴的抗侧刚度差异很大，比如Y轴的刚度比X轴小很多的情况下，在水平荷载作用下，不管X轴的刚度有多大，结构如果要破坏则始终会先出现在Y轴。

因此，结构抵抗水平荷载的能力就像水桶装水的能力一样，装水的多少不取决于最高的那块木头，而仅取决于最低的木头。故结构布置时，应使结构两个主轴方向拥有相近的动力特性，才能保证结构无明显的短板。GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》［1］第3.5.3条3款也进行了相关的说明：“结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。”

假设一个长矩形平面的结构，X方向3跨，Y方向1跨，每跨长度均为8 m，见图3。如果均采用正方形的柱子截面且框架梁截面相同，则无论该结构X方向的刚度有多大，最终破坏都将取决于Y方向的刚度。故正确的做法是加大Y方向的梁柱截面尺寸或减小X方向的梁柱截面尺寸，让X、Y方向的动力特性相近，见图4。这样不仅充分利用了结构材料（柱子面积相同，只是调整了长宽比），而且结构两主轴方向侧向刚度亦无明显的短板。

需要注意的是，并没有在模型计算后才发现结构X轴和Y轴的刚度差异较大，而是在建模型之前就已经通过概念设计大致明确了梁柱截面的相对大小。

2.3通过分析荷载传递路径优化结构布置

需要始终明确一个概念，即结构分析的目的是为了让结构能够更好地传递荷载，而结构可以传递荷载与结构能合理传递荷载之间可能差着十万八千里。

比如说结构局部错层部位，见图5。通过简单受力分析可知，在水平荷载F作用下，梁将产生扭矩，而当水平荷载足够大时，梁将发生扭转破坏。值得注意的是，对于梁类构件，相对于受扭，我们更希望它在面内受弯。为避免梁受扭，让梁的受力趋于合理，可以通过楼板加腋的方式，让水平荷载顺畅传递，见图6。由于低板处加腋将影响建筑功能，而仅靠单侧加腋板并不能完全消除错层处水平荷载对梁的扭转作用，故尚应加强该梁配筋，如增设抗扭腰筋。

再比如梁上柱，见图7。LZ柱底沿着Y方向的弯矩可以通过KL平面内受弯抵抗，但是LZ柱底沿着X方向的弯矩却只能通过KL受扭传递，当X方向弯矩过大时，KL将会出现受扭破坏。根据应尽量避免结构构件受扭的概念，应该在X方向增设专门抵抗弯矩的次梁，见图8。

上述两个例子可知，如果没有结构概念而仅靠模型计算，显然模型是不会告诉你这里不合理的，最多就是受扭计算结果大一些罢了。

2.4计算假定与实际受力情况相一致

2008年汶川地震以前，很多结构工程师都忽略了框架结构中楼梯的斜撑作用，导致大地震发生时大量的框架结构在楼梯处首先出现破坏，造成生命和财产的重大损失。

归根到底，这就是结构概念不清晰，导致计算假定与实际受力情況不符，楼梯剖面及传力见图9。从图9中可以看出，在水平荷载H作用下，如果TB下端均采用刚性连接，则水平荷载H一部分通过上面楼层的水平构件传递给侧边柱子，一部分通过TB1和PTB传递给侧边的KZ，还有一部分则通过TB2传递给下面楼层的水平构件。而模型中框架结构的计算简图却只有两侧的KZ及中间的水平构件，这显然是不合理的。

楼梯间所在开间由于梯板的斜撑作用，势必导致该开间的侧向刚度大于其它跨，故而该跨实际的地震剪力偏大，容易造成楼梯处结构首先破坏。

通过概念分析可以知道，要解决这个问题，要么在模型计算中就考虑楼梯的斜撑作用，要么就采取一定措施释放斜撑的力，让其不对主体结构产生影响。释放斜撑的力可以在TB下部采用滑动支座来解决，见图10。当楼梯下端均采用滑动支座时，在水平力H作用下，TB1将无法传递水平荷载给PTB，TB2也无法传递水平荷载给下面楼层水平构件，这样就能最大限度地保证结构计算假定与实际受力情况相一而这些仅仅靠模型计算是无法得知的，因为建立模型时，就只考虑了楼梯相应的荷载，而忽略了其作用，自然而然是得不出结果的。

3结束语

本文主要从四个方面介绍了结构概念设计在结构布置

中的应用：楼板的作用、结构两个主轴方向的动力特性宜相近、通过分析荷载传递路径优化结构布置、计算假定与实际受力情况相一致，并说明了模型计算的局限性。

了解结构概念设计知识可以提高结构工程师对结构的理解，并拓宽结构工程师在进行结构布置时的思路。

参考文献

［1］建筑抗震设计规范： GB 50011-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社， 2016.

［2］四川省抗震设防超限高层民用建筑工程界定标准： DB51T 5058-2020 ［S］.成都：西南交通大学出版社， 2020.

［作者简介］赵纯阳（1992—），男，本科，一级注册结构工程师，从事结构设计工作。