浅谈目前工程结构设计方法及要点

　　摘要：工程结构在长期使用过程中,需要安全地承受各种荷载和环境的作用。目前采用的概率极限状态设计法将前两种设计方法中所考虑的结构实际工作状态都概括在内,比以往的设计法更为先进和科学。
　　关键词：结构设计；设计方法；工程结构
　　
　　我们每一个设计人员比较关心的问题是怎么样正确的运用设计软件进行结构设计计算以满足新的规范。新的建筑结构设计规范在结构可靠度、设计计算、配筋构造方面均有重大更新和补充,特别是对抗震及结构的整体性、规则性作出了更高的要求,使结构设计不可能一次完成。结构设计的目标,是在可接受的概率水平上,保证结构在规定的设计使用期限内能够满足预定的功能要求。在使用期内结构可能达到的各种临界状态可分为两大类:承载能力极限状态和正常使用极限状态。目前采用的概率极限状态设计法将前两种设计方法中所考虑的结构实际工作状态都概括在内,比以往的设计法更为先进和科学。概率极限状态设计法在结构设计中的应用与发展经历了漫长的过程。结构设计方法经历了容许应力设计法破损阶段设计法极限状态设计法的过程。
　　一、现行的结构设计方法
　　现行的《建筑结构设计统一标准》采用以概率理论为基础的结构极限状态设计准则,使建筑结构的设计更符合经济合理、安全适用的原则。概率极限状态设计法更科学、更合理。但该法在运算过程中还带有一定程度的近似,只能视作近似概率法。并且光凭极限状态设计也很难估计建筑物的真正承载力。事实上,建筑物是一个空间结构,各种构件以相当复杂的方式共同工作,并非是脱离总的结构体系的单独构件。
　　概念设计是指不经数值计算,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,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。运用概念性近似估算的方法,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,易于手算。所得到的方案概念清晰、定性正确,避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算,具有较好的经济可靠性能。同时,也是判断计算机内分析输出数据可靠与否的主要依据。
　　目前,人们在具体的空间结构体系研究上还有一定的局限性,在设计过程中采用了许多假定与简化。作为结构工程师不应盲目的照搬照抄规范,应该把它作为一种指南、参考,并在实
　　际设计中作出正确的选择。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。在目前建筑结构抗震鉴定及加固中,概念设计的思想得到应用和发展。传统的结构计算理论的研究和结构设计往往只关注如何提
　　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。
　　随着计算机程序的应用,部分结构工程师只会依靠规范、设计手册、计算机程序做习惯性的传统设计,缺乏创新思想。部分工程师在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。随着年龄的增长,导致他们在大学学的那些概念被逐渐忘却,更谈不上设计成果的不断创新。强调概念设计的重要,主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性,比如对混凝土结构设计,内力计算是基于弹性理论的计算方法,而截面设计是基于塑性理论的极限状态设计方法。这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远,为了弥补这类计算理论缺陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的计,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的。
　　二、工程结构设计中的要点
　　（1）整体参数计算出来，正确设置。
　　首先设计人员要根据新规范的具体规定和软件手册对参数意义的描述，以及工程的实际情况，对软件初始参数和特殊构件进行正确设置,必须对每个参数确定其合理取值，才能保证后续计算结果的正确性。有些参数包括振型组合数、最大地震力作用方向和结构基本周期等，在计算前很难估计，需要经过测试才能得到，将这些对全局有控制作用的整体参数先行计算出来，正确设置，否则其后的计算结果与实际差别很大。
　　（2）整体结构的科学性
　　整体结构的科学性和合理性是规范特别强调内容。用于控制结构的主要指标为:周期比、位移比、轴压比、剪重比、刚度比、刚重比、层间受剪承载力之比、参与阵型质量比、倾覆力矩比、楼层最大位移与层高之比，这些指标要满足规范限值的要求，也不应超出规范过多。
　　（3）前几步主要是对结构整体合理性的计算和调整，这一步则主要进行结构单个构件内力和配筋计算，包括梁、柱、剪力墙轴压比计算，构件截面优化设计等。软件对混凝土梁计算显示超筋信息有以下情况:①当梁的弯矩设计值M大于梁的极限承载弯矩Mu时,提示超筋。②规范对混凝土受压区高度限制:四级及非抗震:ξ≤ξb；二、三级:ξ≤0.35（计算时取AS’＝0.3AS）；一级:ξ≤0.25（计算时取AS’＝0.5AS）。当ξ不满足以上要求时,程序提示超筋。③《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.5%，当大于此值时
　　，提示超筋。④混凝土梁斜截面计算要满足最小截面的要求，如不满足则提示超筋。
　　剪力墙超筋分3种情况:①剪力墙暗柱超筋:软件给出的暗柱最大配筋率是按照4%控制的，而各规范均要求剪力墙主筋的配筋面积以边缘构件方式给出，没有最大配筋率，所以程序给出的剪力墙超筋是警告信息，设计人员可以酌情考虑；②剪力墙水平筋超筋则说明该结构抗剪不够，应予以调整;③剪力墙连梁超筋大多数情况下是在水平地震力作用下抗剪不够。规范中规定允许对剪力墙连梁刚度进行折减,折减后的剪力墙连梁在地震作用下基本上都会出现塑性变形，即连梁开裂。
　　剪力墙轴压比计算:为了控制在地震力作用下结构的延性，新的《高规》和《抗震规范》对剪力墙均提出了轴压比的计算要求。需要指出的是，软件在计算断指剪力墙轴压比时，是按单向计算的，这与《高规》中规定的短肢剪力墙轴压比按双向计算有所不同，设计人员可以酌情考虑。
　　构件截面优化设计:计算结构不超筋，并不表示构件初始设置的截面和形状合理,设计人员还应进行构件优化设计,使构件在保证受力要求的条件下截面的大小和形状合理，并节省材料。但需要注意的是，在进行截面优化设计时，应以保证整体结构合理性为前提,因为构件截面的大小直接影响到结构的刚度，从而对整体结构的周期、位移、地震力等一系列参数产生影响，不可盲目减小构件截面尺寸，使结构整体安全性降低。
　　三、结束语：
　　结构设计方法经历了容许应力设计法破损阶段设计法极限状态设计法的过程。通过大量工程经验的日积月累,精心设计才能够做出技术先进、安全可靠、经济合理的各种建筑的结构设计。
　　[参考文献]
　　[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)[M]•北京:中国建筑工业出版社,2002•
　　[2]《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》(JCJ6-99)[M]•北京:中国建筑工业出版社,1999•
　　[3]《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)[M]•北京:中国建筑工业出版社,1992•

《浅谈目前工程结构设计方法及要点》

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