摘要:結構設計是土木工程領域中的重要專業(yè)，設計師應加強對力學基本理論和規(guī)范的理解，尤其是規(guī)范中反映的概念設計思想及力學原理，應在結構設計實踐中不斷提高基本專業(yè)技能。針對結構設計人員的基本能力進行思考，希望為從業(yè)人員提供參考。

關鍵詞:結構;設計;能力;平衡;強度

1對結構及構件的初步認識

1.1結構的總體認識

長寬比、高寬比和抗傾覆，是方案設計中應初步考慮的結構因素，要將建筑物看作剛體進行整體分析，結構重量和使用荷載由地基承擔。設計結構應抵抗水平風載、偶然荷載和地震、溫度等間接作用，水平作用大會產生傾覆問題，當水平作用合力與支撐平面不對稱時會發(fā)生扭轉。整體布局越不規(guī)則，抗傾覆、抗扭轉等問題就越突出。

1.2構件類型與受力特征相關

構件分為梁柱等線形構件、墻板等面形構件和獨立基礎、擋土墻等實體構件，構件多為線形和面形，尤其是一維線形構件結構可通過結構力學進行分析，是結構分析的基礎，構件中力的合成、分解和傳遞是設計人員的基本功，力向截面形心簡化為主矢和主矩，在三個坐標軸上可分解成六個分量，對截面而言，構成兩垂直剪力、一扭矩、兩垂直彎矩(平面內外)和一軸力，平面內彎矩為一對上下方向的水平力，平面外彎矩為一對前后反向的水平力，扭矩為一對反向的剪力，分解后的這些力，在不同位置再合成，取極限后即為各處不同方位的應力狀態(tài)，并通過本構關系表現(xiàn)為應變狀態(tài)。起控制作用位置的應力應變狀態(tài)，是結構設計的關鍵，其中壓應力應避免失穩(wěn)，注意應力下的變形控制。

1.3結構內力和變形分析

作用在物體上的外力分為表面力和體積力，即面力和體力，外力引起內力和變形。內力效應微觀表現(xiàn)為布滿各方位截面各點正應力和剪應力效應總和及伴隨的應變。應力應變的控制體現(xiàn)在截面的強度、構件的剛度上。應變是體積尺寸變化(因正應力而發(fā)生的正應變)和形狀改變(因剪應力而發(fā)生的剪應變)的綜合，是變形程度的度量，通過本構關系反映應力。結構要將彈性變形控制在可接受程度內，部分構件在一定程度和范圍可進入塑性變形，以防止脆斷、嚴重破壞和倒塌等，材料延性起到耗能作用。彈性、彈塑性和塑性變形是構件和結構在各種效應下的變形發(fā)展過程，靜定結構無法承擔這個發(fā)展過程，合適的超靜定結構能使結構始終持續(xù)保持平衡。

1.4效應和構造分析

豎向荷載二階效應和水平荷載是結構受力的復雜和不利因素，結構約束位置和約束程度是結構抗力的有利因素，但本質上都要滿足平衡、幾何、本構關系及邊界條件，按力學原則構造。結構分析先著眼于起基本決定性作用的靜定構架，在此基礎上不斷增加分布合理的約束構建超靜定實際結構，結構約束均非一成不變的保持其約束性質，隨外效應的多變性、復雜性而變化，約束失效能否打破結構平衡，將影響結構安全，必要約束不能失效，其他約束失效要控制在合理范圍內。結構約束布置合理，荷載有合理傳遞和被選路徑，這樣超靜定結構在各種作用下，依然保持幾何不變性，就不會發(fā)生結構整體傾覆和穩(wěn)定失效等問題。

2對承載能力的理解

持久設計狀況和施工等短暫設計狀況下，承載能力與結構效應反映在平衡基礎上的強度、剛度、穩(wěn)定上，表現(xiàn)力的平衡、變形的協(xié)調和力與變形間的本構關系上。強度是抵抗截面破壞能力，避免脆性破壞的關鍵，剛度是結構和桿件抵抗變形的能力和控制變形的關鍵，穩(wěn)定性是構件和結構保持平衡穩(wěn)定不變性的能力。構件和結構要滿足承載能力極限狀態(tài)，還要滿足正常使用的極限狀態(tài)。對地震設計狀況和偶然設計狀況，地震、偶然作用、風荷載等會打破持久平衡而失穩(wěn)，或者引發(fā)變形能力過差(延性差)，引發(fā)連續(xù)性倒塌。結構具有的強度、剛度體現(xiàn)在其質量性質、分布和構件連接構造上，反映了材料屬性、結構構造與荷載分布的關系�？拐鹪O計應靠延性消能減震，避免共振，避免結構的自振周期與土的卓越周期相等或相近。延性要求必不可少，因為地震狀況下變形較大，這就需要一些構件能適應大變形能力，具有延性。剛度和延性深刻影響著結構的合理性。結構承載力是強度充分發(fā)揮、剛度適度、延性部位能預估并發(fā)揮調整剛度分布、減輕震害作用，使結構在不同工況下都有合理的承載力分布，荷載效應的組合也應根據(jù)不同的目標需要進行不同的代表值組合，如基本組合和標準組合。結構應在承載力基本沒降低時，有足夠剛度保持平面內外穩(wěn)定，以耗能方式通過非線性變形使結構在動荷載或慣性力下依然處于平衡。

3結構設計初步方案的基本要求

結構設計軟件的應用容易淡化結構概念設計，荷載、抗震、各類結構和地基基礎設計規(guī)范等構成結構設計的標準體系，這些標準相互補充，有豐富的概念設計內容，需要熟悉和掌握，以設計出真實反映結構本質的建筑，主要應注意的要點是:

第一，結構在外荷載(包括溫度、偶然作用等)和地震作用下應有明確的作用(荷載)的連續(xù)、直接的傳遞路徑。平面、立面布置的質量、剛度、承載能力分布應有規(guī)則性、對稱性和均勻性;場地、地基、基礎、各構件和上部結構應具有良好的變形協(xié)調性、平穩(wěn)過渡性;好的方案布置是體型規(guī)則、傳力簡捷、儲備充裕、穩(wěn)定合理、適應多變效應作用的超靜定穩(wěn)定的平衡方案。

第二，結構的強度、剛度和延性關系合理，有針對局部抗風、抗暴和整體抗震、抗火性能，強度是結構設計的基礎，延性是結構抗震設計的保障，而剛度是結構彈性階段設計的核心。靜載穩(wěn)定承載力和抗震能力融為一體，結構剛柔并濟提供適宜延性和必要剛度，反映了強度、剛度和延性的相互融合。

第三，抗震中的多遇、設防、罕遇和極罕遇四級地震，貫穿著彈性設計和彈塑性設計各階段，一階分析和二階分析，采取主次不同、順序不同又關聯(lián)的多道設防，以剛為基礎、以柔為補充，著眼結構整體性、連續(xù)性和承載力不降低、剛度可調整并發(fā)揮延性消能。內力和變形各階段是一個相互銜接的動態(tài)調整過程，是內效應重分布的過程。結構設計中的效應與抗力、剛度與延性、靜與動、線性與非線性、必然與偶然、必備與儲備的合理關系，應在結構體系中具有靜效應反應合理直接、內力重分布平穩(wěn)、必要的承載力、適宜的剛度和合理的延性、強化薄弱部位，確保整體穩(wěn)定性，防止意外倒塌，對概念設計進行探索。

4結構設計人員的能力要求

結構設計要保證各設計狀況的承載能力，還應有抗高溫、抗暴、耐久以及抗疲勞性能等，這些性能和分析對結構很重要，筆者側重于分析結構各種狀況和性能的安全承載能力，主要體現(xiàn)在把握結構的功能目標和前提———安全并正常使用、耐久，在安全性方面，結構的材料應滿足材料力學的連續(xù)性、均勻性和各向同性假設和小變形假設，這些假設實際上給出了力學、物理和幾何線性方面的保證。力學和彈性、彈塑性力學的基本方程和力法、位移法等解析解法和有限元等數(shù)值方法，這是結構安全需要滿足的理論前提，也是工程師需要掌握的基本功。

5結語

結構設計博大精深，目前計算機軟件廣泛應用，但部分設計師對結構基本概念的重視程度不足，這會將風險帶到具體設計工作中，本文旨在促進工作人員的理論學習和實踐應用。

參考文獻:

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