探讨房屋建筑结构设计中的概念与措施

探究房屋建筑结构设计中的概念与措施1　概念设计的重要性　　概念设计是展现出先进设备设计思想的关键，一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来已完成结构总体方案的设计，并能有意识地处置构件与结构、结构与结构的关系。一般指出，概念设计夸奖的结构工程师，随着他的不懈执着，其结构概念将随他的年龄与实践中的快速增长而更加非常丰富，设计成果也更加创意、完备。

失望的是，随着社会分工的细化，大部分结构工程师只不会倚赖规范、设计手册、计算机程序做到习惯性传统设计，缺少创意，更加不愿(不肯)创意，有的甚至拒绝接受对新技术、新工艺的接纳(惧怕分担创意的责任)。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用于的今天，对计算机结果显著不合理、甚至错误而无法及时发现。随着年龄的快速增长，造成他们在大学习的那些孤立无援的概念都被渐渐遗忘，更加谈不上设计成果的不断创新。

　　特别强调概念设计的最重要，主要还因为现行的结构设计理论与计算出来理论不存在许多缺失或不可计算性，比如对混凝土结构设计，内力计算出来是基于弹性理论的计算方法，而横截面设计毕竟基于塑性理论的无限大状态设计方法，这一对立使计算结果与结构的实际受力状态差之太远，为了填补这类计算出来理论的缺失，或者构建对实际不存在的大量无法计算出来的结构构件的设计，都必须杰出的概念设计与结构措施来符合结构设计的目的。同时计算机结果的高精度特点，往往给结构设计人员带给对结构工作性能的误会，结构工程师只有强化结构概念的培育，才能较为客观、现实地解读结构的工作性能。　　概念设计之所以最重要，还在于在方案设计阶段，初步设计过程是无法借助计算机来构建的。

这就必须结构工程师综合运用其掌控的结构概念，自由选择效果最差、耗资低于的结构方案，为此，必须工程师大大地非常丰富自己的结构概念，了解、深刻印象理解各类结构的性能，并能有意识地、灵活性地运用它们。　　2　协同工作与材料利用率　　协同工作设计的另一个目的，还在于对材料的充分利用。一般来讲，材料利用率越高(即形变水平越高)，该结构的协同工作程度也越高(从优化设计的角度，尽管结构性能最差的方案，不一定是材料利用率最低)，特别是在对我国这样一个发展中国家，结构设计的目的即是花上最多的钱，做到最差的建筑，这就拒绝设计时对结构材料的充分利用，这从梁类构件的演进可以显现出。

矩形横截面梁是最普通的受弯构件，它的材料利用率很低，原因有二：一方面是附近中和轴的材料形变水平较低，另一方面是梁的弯矩沿梁长一般是变化的，这样对等横截面梁来说，大部分区段，即使是纳、力边缘，其形变水平皆较低。针对梁的这种受力特点，用结构概念分析，主要是因为梁横截面不存在突发事件梯度，只有当构件是轴心受力时，材料利用率才有可能减小，于是就经常出现了平面桁架，平面桁架可以解读成挪用的梁将梁中多余材料除去，既经济，又减少可调;故桁架的开合适当于梁的挤压边，下弦适当于不受纳钢筋。规则桁架中腹杆的受力(纳、力)与梁中主拉、力形变方向完全一致，根据上述分析，还可以将桁架的外形设计为与弯矩图相近的形状，从而使桁架的弦杆受力均匀分布。

由于桁架中大量不存在压杆，压杆的强度往往由其稳定性要求，而不是由杆件横截面材料强度要求，因此，在平面桁架的设计过程中，不应设法减少压杆的长细比。　　全然减小横截面是下策，尤其是上弦杆，不应希望减少其平面外的刚性(有时开合使用双杆构成的填充压杆)，获取平面外约束(减少承托)，如果把这些平面外的承托再行连接成桁架，这样就使平面桁架变成平面交叉桁架，最后发展为空间网架。空间网架的材料利用率低，形变水平低，故在大跨度、大空间结构中普遍用于，但网架结构中依然不存在压杆，压杆(尤其是钢压杆)的形变水平不有可能太高(因为随着跨度的减少，网架的高度减小，腹杆的长度将减小，同时节点距离的减小也造成弦杆长度的减小)，这样高强材料就无法用于。因此，希望增加或避免结构中的压杆，就使我们寻找了桥面结构，桥面结构中所有的杆件皆为拉杆，这样就使桥面结构中杆件的形变水平极高，材料利用率很大，高强材料以求充分利用，还可产生预应力。

因而在超大跨度的结构中，桥面结构(或还包括桥面结构的人组结构)是选用的结构类型。就混凝土基本理论的发展来看，也反映了使各种材料充分发挥性能，并互相协同工作的特点。林同炎教授指出：钢筋混凝土与预应力混凝土之间的区别在于钢筋混凝土是将混凝土与钢筋两者非常简单地融合在一起，并让他们自行地联合工作，预应力混凝土是将高强钢筋与高强混凝土依存地融合在一起，使两种材料皆产生十分好的性能。体现了人们对混凝土中的协同工作了解和运用过程的加剧。

　　目前普遍用于的钢-混凝土结构，是将钢结构与混凝土结构互相取长补短构成的一种新型的结构构成。特别是在是钢管混凝土，与预应力混凝土相近，更加将这两种材料依存地融合一起，构建了结构材料的又一次革命。钢管混凝土的原理有二：1)利用钢管对核心混凝土的约束，使核心混凝土有更高的强度和变形能力;2)核心混凝土又对钢管壁的平稳获取了有效地可信的承托。

钢管混凝土的无限大承载力远大于钢管和核心混凝土两者的承载力之和，大约为两者之和的17～20倍，其无限大变形能力是普通钢筋混凝土的几倍甚至几十倍，这是钢材与混凝土的又一次理想融合。它的经常出现，使传统意义上的挤压毁坏特征由脆性变成延性，对结构抗震的延性设计意义极大，也使超高层建筑底层柱的轴压比容许问题迎刃而解。　　从上述结构构件的进化，推而广之，在结构设计中，只有当构件就越多正处于轴心受力状态，其材料的利用率才可以低，经济性也就越少。对框架结构，线脚载有起到下，框架柱宜正处于小偏心挤压下工作，若大量柱正处于大偏心挤压工作状态，则该结构方案的经济性一般很差，故对非地震区的框架结构，其框架柱不应优先设计为小偏心挤压。

这里就经常出现了一个对立，在地震起到下，大部分柱有可能正处于大偏心挤压状态工作，横截面设计时，大量柱的配筋意味着是为万一发生地震而减少的，这些钢材在不发生地震时，将不起丝毫起到，这似乎是不经济的，与抗震设计的整体思想也不吻合。为防止这种现象的经常出现，一方面不应设法强化结构整体性，适当时，在某些楼层设置刚性切换层，从而增大整体弯矩，增大引发柱倾斜变形的局部弯矩;另一方面，对柱的设计，可将整个楼层面的柱设计为多肢柱，使多肢柱的每一根杆件都能正处于轴心受力状态，如对钢管混凝土柱，只有在小偏心挤压(或相似轴压)时，钢管和核心混凝土才能更佳地协同工作，在偏心距较小的挤压构件中用于时，更加宜将其设计出双肢、三肢或四肢构成的人组构件。　　最后，协同工作的原则也是整体工作的原则。在概念设计日益最重要的今天，拒绝结构工程师理应很深的基本理论基础，并能大大汲取他人先进设备的设计思想。

对自己的作品、设计(即使是已竣工的)，不应常常展开深刻印象的反省，对每一项设计都精益求精。.。