【设计之声.原创】概念设计与思维

1.1 概念设计（1）物尽其用力流的传递过程应“物尽其用”，提高材料的利用效率。比如混凝土抗压强度远远大于抗拉强度，应尽量让混凝土构件受压，而不是受拉，受弯。当结构受到弯矩时，弯矩的本质也是拉压应力，拉应力材料的利用率不高。拱的效率高于梁(比普梁构件多了轴力)，桁架结构绩效高于实体结构也体现着以上观点筏板基础设计时，常采用“柱墩”或变厚度筏板，柱墩设置范围较小，主要用来解决柱（或强墙）根部的冲切问题，如果把整块板加厚，则造成浪费。

1.1 概念设计

（1）物尽其用

力流的传递过程应“物尽其用”，提高材料的利用效率。比如混凝土抗压强度远远大于抗拉强度，应尽量让混凝土构件受压，而不是受拉，受弯。当结构受到弯矩时，弯矩的本质也是拉压应力，拉应力材料的利用率不高。拱的效率高于梁(比普梁构件多了轴力)，桁架结构绩效高于实体结构也体现着以上观点

筏板基础设计时，常采用“柱墩”或变厚度筏板，柱墩设置范围较小，主要用来解决柱（或强墙）根部的冲切问题，如果把整块板加厚，则造成浪费。

（2）均匀

刚度的布置应均匀，否则刚度的不均匀会导致力流的不均匀。刚度一般有 X、Y 向刚度，结构周期中某个转角的平动周期不纯，其背后的本质就是该方向两侧刚度不均匀或结构内外相对刚度不合理（产生扭转变形）。X 方向或 Y 方向两端刚度接近（均匀）才位移比小，两端刚度大于中间刚度才会扭转小(偏心荷载作用下），周期比更容易满足。

结构转换层上下之刚度比规定体现对结构竖向刚度均匀变化的要求。在转换层结构中，如果转换梁上的剪力墙布置不均匀，则在转换梁上会产生较大的相对竖向位移，会造成转换梁的超筋。

（3）连续

当柱网纵横方向的长跨与短跨之比≦1.2时，次梁在满足建筑等的前提下（一般墙下布梁），一般尽量沿着跨度多的方向布置，这也是为了实现力流在纵横方向的均匀分配，结构纵向刚度大，就要多承受力，纵向布置次梁，次梁的布置连续，可以充分利用梁端负弯矩协调变形。

楼盖设计时，次梁的布置应连续，如果不连续布置（间断布置或交错布置且间隔很近），扭转会很大，往往主梁超筋或者箍筋计算值会很大。

图1中的牛腿与钢柱刚接，牛腿根部有较大的弯矩，对钢柱不利，可以将牛腿的上下翼缘延伸至钢柱边，形成一个“刚域”，能形成更可靠的连接关系。

图1 节点1

图2中钢梁拼接处属于不连续的地方，于是采用“端板+加劲肋”去加强。

图2 节点2

（4）传力途径短

四边支座的楼板在传力时优先向短方向传递。当柱网长宽比大于 1.5 时，宜采用加强边梁的单向次梁方案。单向次梁应沿着跨度大方向布置，落在跨度小的主梁上，大家一起合力一起跨越大跨度，而不是依附在别人身上跨越长距离,这样做传力路径短比结构布置连续更重要。

在楼盖设计时，次梁在不同位置处布置会产生不同的作用效果，次梁的布置在满足建筑的前提下应尽量离支座近（≥300mm），让传递途径短，如图3所示。

图3 次梁布置

在进行基础设计时，如果采用人工挖孔桩或者旋挖桩等，可以采用墙端部布置桩，让上部剪力墙（类似于深梁，向两边传）的力直接传递给桩，桩之间的承台的梁一般可以构造设置，如图4所示。

图4 桩布置

桁架布置时，支座出斜腹杆撑在最左边或者最右边的底部支座为好，概念设计的角度：传力途径要短。其它斜腹杆的布置可以从光的反射，风的传递过程，找出其它腹杆的布置方式，一拉一压，一般是最好的，但是角度要合适，一般取30~60度（可取45度），力的传递会比较流畅；直腹杆的布置，一般可以隔一布一。如图5所示。

门式刚架吊车梁上部的柱间支撑布置斜腹杆撑在下面，也是为了满足概念设计“传力途径短”，如图6所示。

图5

图6

（5）力沿着刚度大部位传递

力流总是沿着刚度大或“增大”的方向自发传递，如果减小门式钢架中钢梁中部段的截面，端部截面的应力比会增加。如果柱顶点铰接，钢梁应力比会增大，如果柱角点铰接，钢梁应力比也会增大，都恰好应证了这个道理。在装配式剪力墙结构中，次梁如果采用图 7的节点，也可以用此道理来解释。

图 7 次梁与中间梁的连接

注：次梁与主梁现浇在一起，由于次梁端部高度变小，次梁中间段高度不变，于是次梁中间部分的刚度相比次梁端部的刚度变大，力流沿着刚度大的方向传递，导致次梁端部弯矩变小，更趋近于铰接，这与次梁沿着梁长整段高度变小，次梁与主梁的支座（中间）更趋近于固结的道理不一样。

（6）变形协调

可以人为改变结构布置或结构刚度，付出一定的代价后，改变力流的方向。比如板的内力一般自发向板的短边传递，但可以通过设置次梁，改变力流的分布。比如柱底弯矩通过独立基础的协调后，弯矩转化为力矩，作用在土上，墙底弯矩或墙肢底部轴力大小不同时对承台产生的弯矩通过承台协调后，弯矩转化为力矩，作用在桩身上便成了轴力。
箱基的底板、面板以及筏基的底板的弯曲计算包括局部弯曲和整体弯曲两部分，当地基不是很均匀，板厚从小增大到一定厚度时，可以发现局部弯曲与整体弯曲协调的过程。

混凝土在装配式构件拼装时通过预留空间起着“协调”的作用，从而保证结构的安全性，比如梁柱节点通过预留空间让混凝土去协调，预制板上现浇一定厚度的混凝土去协调，边缘构件部分通过现浇混凝土去协调等，从而把不同的构件较好的连接在一起，保证结构或构件的安全性能，有时，预留空间也能解决“钢筋打架”的问题。

减小和加大梁高。减小梁高使梁所受内力减小，在通常情况下对调整超筋是十分有效的，但是在结构位移接近限值的情况下，可能造成位移超限。加大连梁高度连梁所受内力加大，但构件抗力也加大，可能使连梁不超筋，且可以减小位移，但是这种方法可能受建筑对梁高的限制，且连梁高度加大超过一定限值，构造需加强，也造成了钢筋用量的增加。

1.2 设计思维

（1）借物

钢结构设计中用牛腿，装配式设计中框梁上挑垛（图8），楼梯梯梁上挑垛（图9）剪力墙竖向连接用套筒，都属于借物，形成一个支座关系或者“连续”关系。

图8 梁上挑垛

图9 梯梁挑垛

钢结构节点中常常借助第三物（端板、加劲肋板、连接板或“刚域”），在不同位置处布置螺栓及连接焊缝去形成不同构件之间可靠的连接（刚接或铰接）。图10中钢柱与钢梁通过柱顶设置端板与螺栓，形成刚接。图10中钢梁左右两端通过10mm厚的节点板将左右两端钢梁腹板进行焊接，上下翼缘与节点板进行焊接形成刚接。

图10 节点3

图11中垂直相交的主次梁通过主梁中的与上下翼缘形成稳定支座关系的加劲肋板形成可靠的连接，主梁中和轴附近布置螺栓与次梁线相连去承受剪力，当次梁翼缘与主梁翼缘之间进行焊接时，又形成固结连接，此节点中钢主梁平面外有楼板等保证其平面外稳定。

图11 节点4

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cscsu2010

2016年05月17日 19:48:20

2楼

本帖最后由 cscsu2010 于 2016-5-17 19:53 编辑

人工挖孔桩或者灌注桩在进行布置时，一般应扩底，可以减小桩间距，对于常规工程，一般剪力墙下布置2～3个人工挖孔桩，桩的最小中心距为：1.5D或D+1.5m（但D>2m），当不扩底时，桩间距应满足非挤土灌注桩的要求：2.5d。当人工挖孔桩端部落在岩石上时，不考虑侧摩阻时，扩底后净间距不得小于500m，扩底属于借物。

门式刚架中柱间支撑，屋面支撑、桁架的腹杆，都是属于借物，让力流以拉压轴力的方式传递另一端，形成力臂，去平衡弯矩

预应力结构设计时，在梁板端部与底部提前施加预应力，去平衡使用时的荷载，属于借物去形成相对刚度，去增大受拉区的相对“总拉力”；构件布置成拱形，也属于借物在支座处与跨中
形成力臂关系，从而平衡跨中弯矩（两端支座非固端时），去承受更大的荷载。

在加固设计中，如果梁高受限，可以借助钢梁来满足刚度强度要求。生活中做事说话的正确方式是引导与比喻，通过一个第三方（参照物）去把事情完成，在做结构设计时，常常参考别人做
过的同类型的工程项目，参考图集等，这些都是参照物，借物。

（2）类比
钢结构设计与混凝土结构设计类比，比如钢梁与混凝土梁（翼缘与腹板受力分析）类比、加钢梁翼缘厚度的效果类比于多放一排面筋或底筋（抗弯），钢柱与混凝土柱类比。混凝土结构设计中，不连续的地方要加强，比如边缘构件要加强，板边需要加强，角柱需要加强，底柱和顶柱子需要加强，可以类比钢结构设计中，不连续的地方（节点处）也应加强。
在理解结构设计时，可以用生活中一些易理解的现象来帮助类比理解，比如地震类似于紧急刹车或紧急加速、大底盘结构比独立结构稳当与坐着比站着稳当是一个道理、脚张开比脚并立稳当，于是建筑结构要控制高宽比、体重大的人容易摔到，于是结构自重不应太大，避免地震力过大、楼板开洞使得水平力在该开洞位置处传力中断，造成应力集中，和当把洗车用的水管直径减小，压强会增大是一个道理、剪力墙结构中连梁超筋，有时可减小梁高，弱化连梁的作用，让墙自己多承担一点，和生活中用手拉人时把手放松一点一个道理。桩基础布置在墙的两端还是墙身中间部位，可以类比是踩在脚根疼还是脚心疼一个道理。生活中做事要有连续性，可以类比结构设计时，梁的布置应尽量连续（一般沿着跨度多的方向布置、梁端部悬挑等）、墙的布置要连续（转角处布翼缘）。在生活中，有时做事要直接找负责人或领导，这样做事更直接，可以类比结构设计中，结构的布置的要尽量传力直接且短（贯通布置）
在装配式建筑中不同构件之间的拼装（竖向还是水平构件），都可以用板模型来类比，即通过确定不同的支座，形成两边支座的单向板、三边板、四边支座的双边板等。
钢结构中节点的做法可以与混凝土结构进行类比。图2、图10及图11中螺栓可以类比混凝土结构中梁、柱中的纵筋，图10及图11中端板中布置不同方向的加劲肋，可以类比混凝土板中布置不同方向的次梁。圆钢管与构件进行焊接时，圆钢管可以类比混凝土圆柱子中布置纵筋。
加固设计中，不同方向布置的碳纤维可以类比梁柱纵筋、箍筋，钢板也可以采用类比纵筋、箍筋。

（3）极限思维
阴阳生万物，阴阳即极端。很多东西，用极端的思维方法会很容易明白，比如把梁的
两个支座中一个支座刚度变为无穷小（或足够软）去解释力沿刚度大的位置传递。

（4）相对
力流可以改变构件的刚度，预应力结构可以这样理解，通过控制定值强度，人为改变
预应力的形状与位置，产生不同的变形效果，刚度也即相对刚度。
控制扭转的关键在于“加减法”及 X 方向或 Y 方向两端刚度接近（均匀），要加的
墙位置很重要，好钢用在刀刃上才更有效，而方法的背后，在于一个外墙与内墙的相对刚度，
而不是外墙的绝对刚度大小，理解了相对刚度，就明白了“减法”在刚度调整过程中的重要
作用。减法的过程中也要控制 X 方向或 Y 方向两端刚度接近（均匀），否侧又产生扭转变形。
构件中的固结、简支（或铰接）与相对刚度密切相关。当双向板为整间大楼板（板厚较厚时），二邻边为小跨度板（板厚度较小），由于两者的刚度相差过于悬殊，往往不宜一固定端待之（对于小跨度板来说，是固定端）。当支承端跨板的边梁为宽扁梁或近乎深梁，由于边梁的抗扭刚度甚大，边梁又可作为楼板的固定端部。
结构静力学的位移法也是刚度法，把实际的结构抽象为数学模型（计算简图）是结构分析的第一步。决定联系的主要因素就是结构各部分的刚度的比值，即结构的各部分的相对刚度。超静定结构的受力状态取决于各部分的相对刚度，计算简化来源于刚度的简化，相对刚度大的部分简化为无限大刚度，相对刚度小的部分简化为零刚度。
图中12（a）和图13（a）中的梁，主要左跨的转动刚度为右跨的20倍以上，其计算简图可分别为图1-12（b）和1-13（b）。在工程结构设计的精度范围之内，可以这样认为，如果与某梁相连的其他构件的总刚度比这根梁大很多（比如4倍或4倍以上），则该梁端部可视为完全固结，如果相连杆件的总刚度为该梁刚度的1~3倍，则端部约束介于完全刚接与铰接之间，按弯矩分配法计算。

图12 连续梁的支座简化（一）图13 连续梁的支座简化（二）

图14所示，为一门式刚架及其弯矩图。Q=20KN/m，刚架跨度8m，高度6m进行计算，如果横梁的截面尺寸增大，立柱的截面尺寸减小，弯矩趋向于图14（b），横梁弯矩接近于简支梁的弯矩图，跨中弯矩很大，这种内力状态是不利的。反之，如果立柱截面尺寸增大，横梁截面尺寸减小，弯矩图将趋向图14（c），横梁弯矩图接近于固端梁的弯矩图，立柱的弯矩值夜很大，是不利的。适当调整梁柱的截面尺寸，可以使横梁跨中弯矩与支座弯矩大体相等，同时也减小立柱的弯矩值。

图14 门式刚架及其弯矩图

悬臂支承在基础上的两根柱子，独立作用，柱在水平荷载作用下的抗弯能力很小（15a），通过加设铰水平构件可以得到改善（图15b），铰接水平构件无法约束柱顶变形，无法提高悬臂柱的抗弯刚度，最好的办法是让水平构件与柱顶刚接（图15c），这样水平构件与柱可以相互约束转动，使柱子产生反弯曲，改变反弯点位置，让弯矩从柱底分配一部分到梁端，让柱底轴力（拉压力）分担一部分弯矩（图16）。在真正的框架中，框架的作用程度主要由梁柱刚度比决定，如果单柱刚度比梁刚度要大，则大部分倾覆力矩将由每个柱的抗弯作用承担。如果梁刚度更大些，则柱子内弯矩要减小，成对的轴力将分担很大一部分倾覆力矩，这样抗弯作用将由独立柱受弯转为整个框架受弯，独立柱的抗弯力臂很小，而成对的柱形成的框架力臂很大。
梁与柱的线刚度比是很重要的因素，是横梁框架作用程度标志。当梁与柱的刚度比减小时，柱顶将有很大转动，当梁柱刚度比为1:1时，反弯点大约在柱高的3/4处，框架作用程度是完全框架作用的1/2；作为近似估算，当梁柱刚度比小于1:1时，可以认为没有框架作用。在实际设计中，几乎没有梁柱线刚度比能达到3~4的，除了在跨度很大（L>24m）的单向密肋楼盖的边支承框架梁柱线刚度比能达到2~3外，其它一般不会超过1.5~2.0。

图15 水平荷载作用的两柱平面结构
图16 弯矩分布图
（5）正反思维
“刚度”的基本概念：结构或构件抵抗外力的变形能力。可刚度看不见、摸不着，可以借助“正反思维”，从变形的角度去理解刚度的内涵。结构设计最关键就是控制变形与相对变形，变形有水平位移、竖向位移、转角（扭转变形等）、相对水平位移、相对竖向位移、相对转角等。概念设计中的结构布置连续，也是控制构件的变形。

（6）二八定律：
任何一组事物中，起主要作用的是少数。比如外围、拐角的剪力墙抵抗水平风荷载与水平地震作用的贡献最大。独立基础受到较大弯矩时，独立基础外围部分的贡献更大（力臂更大）。分清结构或构件中的主次要因素后，便可更有效的根据结构或构件计算指标调整结构或构件布置以满足规范要求。
（7）避
当变形协调需要较大代价时，可采用避的方式，有时高层建筑比较复杂，采用桩基础，核心筒部位一般采用大承台+桩基础，其它部位采用小承台+桩基础，如果连在一起，不同部位的变形不一样，协调需要很大的代价。
（8）“一”
《道德经》第四十二章:道生一，一生二，二生三，三生万物，一切都可以归于“一”。
一个建筑中，很多构件都可以简化为悬臂梁、简支梁、连续梁模型，单向板、悬挑板与梁的计算模型有很多类似的地方；地下室外墙可以简化为梁模型，整个建筑可以简化为一根悬臂梁模型

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