结构设计基本能力探析

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摘要:结构设计是土木工程领域中的重要专业，设计师应加强对力学基本理论和规范的理解，尤其是规范中反映的概念设计思想及力学原理，应在结构设计实践中不断提高基本专业技能。针对结构设计人员的基本能力进行思考，希望为从业人员提供参考。

关键词:结构;设计;能力;平衡;强度

1对结构及构件的初步认识

1.1结构的总体认识

长宽比、高宽比和抗倾覆，是方案设计中应初步考虑的结构因素，要将建筑物看作刚体进行整体分析，结构重量和使用荷载由地基承担。设计结构应抵抗水平风载、偶然荷载和地震、温度等间接作用，水平作用大会产生倾覆问题，当水平作用合力与支撑平面不对称时会发生扭转。整体布局越不规则，抗倾覆、抗扭转等问题就越突出。

1.2构件类型与受力特征相关

构件分为梁柱等线形构件、墙板等面形构件和独立基础、挡土墙等实体构件，构件多为线形和面形，尤其是一维线形构件结构可通过结构力学进行分析，是结构分析的基础，构件中力的合成、分解和传递是设计人员的基本功，力向截面形心简化为主矢和主矩，在三个坐标轴上可分解成六个分量，对截面而言，构成两垂直剪力、一扭矩、两垂直弯矩(平面内外)和一轴力，平面内弯矩为一对上下方向的水平力，平面外弯矩为一对前后反向的水平力，扭矩为一对反向的剪力，分解后的这些力，在不同位置再合成，取极限后即为各处不同方位的应力状态，并通过本构关系表现为应变状态。起控制作用位置的应力应变状态，是结构设计的关键，其中压应力应避免失稳，注意应力下的变形控制。

1.3结构内力和变形分析

作用在物体上的外力分为表面力和体积力，即面力和体力，外力引起内力和变形。内力效应微观表现为布满各方位截面各点正应力和剪应力效应总和及伴随的应变。应力应变的控制体现在截面的强度、构件的刚度上。应变是体积尺寸变化(因正应力而发生的正应变)和形状改变(因剪应力而发生的剪应变)的综合，是变形程度的度量，通过本构关系反映应力。结构要将弹性变形控制在可接受程度内，部分构件在一定程度和范围可进入塑性变形，以防止脆断、严重破坏和倒塌等，材料延性起到耗能作用。弹性、弹塑性和塑性变形是构件和结构在各种效应下的变形发展过程，静定结构无法承担这个发展过程，合适的超静定结构能使结构始终持续保持平衡。

1.4效应和构造分析

竖向荷载二阶效应和水平荷载是结构受力的复杂和不利因素，结构约束位置和约束程度是结构抗力的有利因素，但本质上都要满足平衡、几何、本构关系及边界条件，按力学原则构造。结构分析先着眼于起基本决定性作用的静定构架，在此基础上不断增加分布合理的约束构建超静定实际结构，结构约束均非一成不变的保持其约束性质，随外效应的多变性、复杂性而变化，约束失效能否打破结构平衡，将影响结构安全，必要约束不能失效，其他约束失效要控制在合理范围内。结构约束布置合理，荷载有合理传递和被选路径，这样超静定结构在各种作用下，依然保持几何不变性，就不会发生结构整体倾覆和稳定失效等问题。

2对承载能力的理解

持久设计状况和施工等短暂设计状况下，承载能力与结构效应反映在平衡基础上的强度、刚度、稳定上，表现力的平衡、变形的协调和力与变形间的本构关系上。强度是抵抗截面破坏能力，避免脆性破坏的关键，刚度是结构和杆件抵抗变形的能力和控制变形的关键，稳定性是构件和结构保持平衡稳定不变性的能力。构件和结构要满足承载能力极限状态，还要满足正常使用的极限状态。对地震设计状况和偶然设计状况，地震、偶然作用、风荷载等会打破持久平衡而失稳，或者引发变形能力过差(延性差)，引发连续性倒塌。结构具有的强度、刚度体现在其质量性质、分布和构件连接构造上，反映了材料属性、结构构造与荷载分布的关系。抗震设计应靠延性消能减震，避免共振，避免结构的自振周期与土的卓越周期相等或相近。延性要求必不可少，因为地震状况下变形较大，这就需要一些构件能适应大变形能力，具有延性。刚度和延性深刻影响着结构的合理性。结构承载力是强度充分发挥、刚度适度、延性部位能预估并发挥调整刚度分布、减轻震害作用，使结构在不同工况下都有合理的承载力分布，荷载效应的组合也应根据不同的目标需要进行不同的代表值组合，如基本组合和标准组合。结构应在承载力基本没降低时，有足够刚度保持平面内外稳定，以耗能方式通过非线性变形使结构在动荷载或惯性力下依然处于平衡。

3结构设计初步方案的基本要求

结构设计软件的应用容易淡化结构概念设计，荷载、抗震、各类结构和地基基础设计规范等构成结构设计的标准体系，这些标准相互补充，有丰富的概念设计内容，需要熟悉和掌握，以设计出真实反映结构本质的建筑，主要应注意的要点是:第一，结构在外荷载(包括温度、偶然作用等)和地震作用下应有明确的作用(荷载)的连续、直接的传递路径。平面、立面布置的质量、刚度、承载能力分布应有规则性、对称性和均匀性;场地、地基、基础、各构件和上部结构应具有良好的变形协调性、平稳过渡性;好的方案布置是体型规则、传力简捷、储备充裕、稳定合理、适应多变效应作用的超静定稳定的平衡方案。第二，结构的强度、刚度和延性关系合理，有针对局部抗风、抗暴和整体抗震、抗火性能，强度是结构设计的基础，延性是结构抗震设计的保障，而刚度是结构弹性阶段设计的核心。静载稳定承载力和抗震能力融为一体，结构刚柔并济提供适宜延性和必要刚度，反映了强度、刚度和延性的相互融合。第三，抗震中的多遇、设防、罕遇和极罕遇四级地震，贯穿着弹性设计和弹塑性设计各阶段，一阶分析和二阶分析，采取主次不同、顺序不同又关联的多道设防，以刚为基础、以柔为补充，着眼结构整体性、连续性和承载力不降低、刚度可调整并发挥延性消能。内力和变形各阶段是一个相互衔接的动态调整过程，是内效应重分布的过程。结构设计中的效应与抗力、刚度与延性、静与动、线性与非线性、必然与偶然、必备与储备的合理关系，应在结构体系中具有静效应反应合理直接、内力重分布平稳、必要的承载力、适宜的刚度和合理的延性、强化薄弱部位，确保整体稳定性，防止意外倒塌，对概念设计进行探索。

4结构设计人员的能力要求

结构设计要保证各设计状况的承载能力，还应有抗高温、抗暴、耐久以及抗疲劳性能等，这些性能和分析对结构很重要，笔者侧重于分析结构各种状况和性能的安全承载能力，主要体现在把握结构的功能目标和前提———安全并正常使用、耐久，在安全性方面，结构的材料应满足材料力学的连续性、均匀性和各向同性假设和小变形假设，这些假设实际上给出了力学、物理和几何线性方面的保证。力学和弹性、弹塑性力学的基本方程和力法、位移法等解析解法和有限元等数值方法，这是结构安全需要满足的理论前提，也是工程师需要掌握的基本功。

5结语

结构设计博大精深，目前计算机软件广泛应用，但部分设计师对结构基本概念的重视程度不足，这会将风险带到具体设计工作中，本文旨在促进工作人员的理论学习和实践应用。

参考文献:

［1］林同炎.结构概念和体系［M］．北京:中国建筑工业出版社，1985:11－14.

［2］郝亚民，江见鲸.建筑结构概念设计与选型［M］．北京:机械工业出版社，2015:3.

［3］丁大钧，蒋永生.土木工程概论［M］．北京:中国建筑工业出版社，2010:11.

作者:贾雪 单位:吉林省建筑材料工业设计研究院