建筑结构悟道

最近，阅读结构设计大师、名人的专注，感悟结构设计之道。以下为我个人的理解与感悟。
结构设计要拆分，可分成上部结构和基础两大部分，与结构设计密切相关的还有地基。因为这块极大程度地影响基础设计。
建筑结构犹如一根竖向悬臂梁，结构设计的任务是在给定的外在条件下，设计该梁（上部结构），使之在满足再给定外在条件下的强度、刚度、整体稳定、局部稳定、以及舒适度的要求。梁身设计完毕后，还应将该梁与地基（即梁的基座）进行有效的结合，使梁身（上部结构）传来的力及荷载能合理有效地分散到基座中（地基），而保证基座的不破坏。而基座与梁身的连接即基础构件应满足平稳传力以及保证自身强度、刚度的功能。
现行的结构设计方法，将上部结构、基础及地基分割开来的传统设计方法不能很好地考虑三者之间的相互耦合作用。只是简单地将上部结构的荷载传递给基础、基础再分散给地基，而不考虑地基对基础的反作用以及基础对上部结构的反作用，以及基础和上部结构作为一个整体的相互作用。这种简化的设计方法有时偏于安全，有时偏于不安全。这对于刚工作的结构工程师很难从概念上理解结构作为一个整体的真正受力状况。
建筑结构作为一个整体，与地基进行相互作用，他们之间的关系是耦合的。而不是单纯的线性关系。现简要说明其相互关系，上部结构将其所受的外力通过其自身的刚度进行内力分配调整然后传递给基础，基础通过其自身的传递作用将上部荷载传递给地基，地基由于其自身大变形的原因，若基础传给地基的荷载是不均匀的，将产生变形差，而此变形差会在基础中产生基础内力，而此内力即为基础的设计内力。当地基产生不均匀沉降时，由于基础与上部结构是为一整体，故此产生的内力需在基础与上部结构之间进行分配。而分配的原则就是刚度原理。若基础为独立基础，相当于基础刚度为零，此时变形差产生的次内力全部由上部结构承担。若基础的刚度较大，则基础中将分配一部分内力，而另一部分内力将由上部结构消化掉。因而，上部结构与基础之间由于沉降变形差引起的次内力通过刚度原理在基础和上部结构中进行分配，而在设计中，我们经常是不考虑此部分次应力的影响的。故规范上有一个沉降差的要求。
我发现将建筑结构与地基基础作为相互耦合的一个整体来看待之后，结构设计的脉络一下子清晰起来，概念非常明确。
现行规范有一个地基基础及上部结构共同作用计算的要求，但实际工程中能按如此计算的较少，并且目前也只有几个大单位可以做此工作。因此，在目前这种状况下，我们可以运用概念设计进行定性设计，使我们设计的作品在大的方向及原则是正确的，从而减少安全隐患。