潘月坤250061山东大学土建学院
摘要：抗震概念设计一直贯穿于钢结构设计中的各个阶段，是建筑抗震设计的一个重要组成部分。概念设计是利用近似计算的方法对建筑钢结构体系进行构思、比较以及选择，其宗旨是在特定的建筑环境里，用整体概念来考虑总体方案。本文简要介绍了钢结构抗震结构体系以及抗震概念设计的含义，分析了概念设计在钢结构抗震设计中具体应用，希望能够对建筑钢结构体系的研究提供一定的借鉴。
关键词：概念设计；钢结构；抗震设计
前言
随着我国建筑技术的进一步发展，钢结构也越来越广泛的被用于建筑施工当中。钢结构具有良好的抗震性，而且钢结构施工周期比较短，具有延展性好、节能环保等众多优点。在美国等发达国家，钢结构建筑占据了国内建筑总量的五成以上。尤其是日本这一地震多发国，钢结构建筑已经占据日本建筑的65%以上。2008年汶川地震，绵阳体育馆成为了安置地震灾民的主要场所，主要是因为这一建筑在地震中没有受到损害，而这一建筑正是钢结构建筑。在对钢结构进行抗震概念设计的时候，需要设计者从每次震害中吸取经验教训，以减少地震作用为设计原则，既要经济合理，又要安全可靠。
一、钢结构抗震结构体系
在建筑施工中，常见的钢结构体系有中心支撑钢框架结构、偏心支撑钢框架结构以及纯框架结构等。中心支撑钢框架结构抗侧刚度比较大，适用于楼层比较多的钢结构建筑，但是由于支撑构件的滞回能力差、耗散地震能量也十分有限，导致了其抗震性并不是很好。偏心支撑钢框架结构则能够很好的耗散地震能量，主要原因是其能够通过偏心连梁的剪切屈服以耗散地震的能量，保证在达到支撑效果的同时不丧失建筑整体稳定性。偏心支撑钢框架结构在抗震性上要优于中心支撑钢框架结构。相比之下，纯框架结构具有抗震性能好、延性好等特点，但是其抗侧刚度比较差，这个钢结构框架并不适合高层建筑施工之用。
二、抗震概念设计的含义
在总结历次地震灾害的教训以后发现，对于设计者来说，结构抗震的“概念设计”要比“数值计算”更加的重要。”概念设计“是钢结构抗震设计的首要问题，其反映结构抗震性能的好坏。笔者所说的“概念设计”主要是指设计者在进行结构设计的时候，需要着眼于结钢整体地震反应，做到既要把握整体又要兼顾关键部位，从根本上解决结构抗震设计中可能出现的问题，有效的提高建筑结构自身的整体抗震能力。
地震具有很强的随机性、复杂性和不稳定性，目前想要准确的预测建筑物可能遭遇的地震特性及参数，基本上是很难做到的。因此建筑结构抗震问题不能简单的依靠“计算设计”来解决，而需要立足于工程抗震基本理论和经验总结，从“概念设计”的角度出发，着眼于结构的总体地震反应，全面且合理的解决结构设计的基本问题。
三、钢结构抗震概念设计具体应用
(一)钢结构适用范围
一般情况下，钢结构适用的范围比较广泛，通常用于高层结构、体积复杂的结构、大跨度结构、有较大振动的结构、高温车间、密封性比较高的结构、荷载量比较大的结构、经常拆装卸的结构等。直观的来说，体育馆、高层大厦、歌剧院、电视塔、工厂、仓棚、临时建筑等都适合使用钢结构。
（二）结构选型与结构布置
由于结构选型设计的范围比较广泛，因此需要在经验丰富的工程师的指导下进行。事实上，钢结构设计的整个过程都应该是“概念设计”。通常情况下，钢结构有框架、网架、平面架、轻钢、索膜、塔桅等结构类型。在进行结构选型的时候要首先考虑到不同结构类型的特点。例如在轻钢工业厂房中，如果有较大的移动荷载或者悬挂荷载的时候就需要考虑采用网架。在建筑施工允许的情况下，框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架要更经济、实用。在地震烈度高或者不规则高层建筑中，需要选择核心为支撑框架、周边有巨型SRC柱的结构体系，但是我国大部分的高层建筑或者不规则建筑使用核心筒加外框的结构体系，这对抗震是极为不利的。结构布置需要根据荷载分布情况、体系特征等进行综合性考虑，尽可能的限制移动荷载或者大荷载的影响范围，建筑柱间抗侧应设有多道防线，支持的分布需要均匀，其形心也需要尽可能的靠近侧向力的作用线。
(三)预估截面和结构分析
在对刚结构布置结束以后，需要首先对构件截面进行初步估算，主要是对支撑以及梁柱等截面形状、尺寸等进行假定。钢梁应选择轧制或焊接H型钢截面、槽钢截面等。截面高度要根据支座及荷载的情况在1/20-1/50的跨度之间选择。翼缘宽度可以根据梁间侧向支撑的间距的l/b限值确定。在确定截面高度、翼缘宽度之后，要对板面厚度进行预估，一般要按照规范中局部稳定的构造来进行预估。柱截面应根据双向受弯、单向受弯或者轴心受压的情况不同，选择钢管或者H型钢截面等。而且，构件截面的选择并没有特定的要求，结构工程师应根据构件受力情况的不同，合理的选择美观、经济、实用性强的截面。与此同时，在钢结构进行概念设计的时候要针对结构的不同选择不同的分析方式。对于典型的结构可以通过查找力学手册之类的工具书直接获得相应数据进行分析；简单的结构则可以通过手算进行分析；复杂结构必须要建立模型进行分析，并运行模型程序，针对运行情况作详细的结构分析。
(四)工程判定以及构件、节点设计
想要正确的使用结构软件，首先需要“工程判定”输出结果的可靠程度。例如，评估总剪力、变形特征等。不同的工程软件有不同的适用条件，工程设计中的计算和精确的力学计算经常会出现一定的差距，为了获得实用性强的设计方法，有的时候设计师可以选用误差较大的假定，但是对于这种误差要通过“适用条件、概念及构造”的方式来保证结构的安全性。工程师不能够过分的信赖结构软件，恰当的使用概念设计和工程判定对建筑钢结构设计是十分必要的。
在构件设计中，首先要做的就是材料选择，比较常用的有类似于A3的Q235和类似于16Mn的Q345，当进行稳定控制的时候宜选用前者，当强度起控制作用的时候可选择后者。对于钢结构抗震设计来说，连接节点设计是其中一项重要的内容，事实上，在结构分析前就应该对节点的形式进行充分的思考和确定。连接节点的方法有两种：等强设计、实际受力设计。在进行具体设计的过程中，节点设计需要包含以下几方面的内容：焊接的尺寸及形式、栓接方式的选择、连接板和梁腹板的选择、安装螺栓以及现场焊接等施工空间、构件吊装顺序、制造厂的工艺水平等。
(五)图纸编制
钢结构设计图分为设计图以及施工详图两种，这两种钢结构设计图也分属于两个阶段。设计单位提供设计图，钢结构制造公司会根据设计图编制施工详图，有时候设计单位也为代为编制。具体来讲，设计图是制造厂编制施工详图的依据，内容完整度及深度都要达到一定程度，但是不能够太过冗余。设计图中要针对设计依据、技术数据、荷载资料、设计要求、材料选用及材料要求、构件界面选用、结构布置、结构的主要节点构造等都需要有详细的说明，以便制造厂能够顺利编制施工详图。施工详图也可以叫做放样图、加工图等，其编制深度仅需满足车间直接加工制造即可，施工详图与设计图中不完全相同的需要单独绘制，并附有详细的材料表加以标注。
四、结论
钢结构设计人员在日常工作中要学会熟练运用概念设计，并将这一设计理念熟练的运用到钢结构工程的整个施工过程之中，并根据不同地区对地震的防护要求选择不同的钢结构。只有如此才能够保证钢结构建筑设计方案的严谨性和科学性，才能为社会创造更多的精品工程和安全建筑。
参考文献
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