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結(jié)構(gòu)設計中的概念設計與結(jié)構(gòu)措施一
1.概念設計的重要性
概念設計是展現(xiàn)先進設計思想的關(guān)鍵,一個結(jié)構(gòu)工程師的主要任務就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設計,并能有意識地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。一般認為,概念設計做得好的結(jié)構(gòu)工程師,隨著他的不懈追求,其結(jié)構(gòu)概念將隨他的年齡與實踐的增長而越來越豐富,設計成果也越來越創(chuàng)新、完善。遺憾的是,隨著社會分工的細化,大部分結(jié)構(gòu)工程師只會依賴規(guī)范、設計手冊、計算機程序做習慣性傳統(tǒng)設計,缺乏創(chuàng)新,更不愿(不敢)創(chuàng)新,有的甚至拒絕對新技術(shù)、新工藝的采納(害怕承擔創(chuàng)新的責任)。大部分工程師在一體化計算機結(jié)構(gòu)程序設計全面應用的今天,對計算機結(jié)果明顯不合理、甚至錯誤而不能及時發(fā)現(xiàn)。隨著年齡的增長,導致他們在大學學的那些孤立的概念都被逐漸忘卻,更談不上設計成果的不斷創(chuàng)新。
強調(diào)概念設計的重要,主要還因為現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性,比如對混凝土結(jié)構(gòu)設計,內(nèi)力計算是基于彈性理論的計算方法,而截面設計卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設計方法,這一矛盾使計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)差之甚遠,為了彌補這類計算理論的缺陷,或者實現(xiàn)對實際存在的大量無法計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設計,都需要優(yōu)秀的概念設計與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設計的目的。同時計算機結(jié)果的高精度特點,往往給結(jié)構(gòu)設計人員帶來對結(jié)構(gòu)工作性能的誤解,結(jié)構(gòu)工程師只有加強結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng),才能比較客觀、真實地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。
概念設計之所以重要,還在于在方案設計階段,初步設計過程是不能借助于計算機來實現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運用其掌握的結(jié)構(gòu)概念,選擇效果最好、造價最低的結(jié)構(gòu)方案,為此,需要工程師不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念,深入、深刻了解各類結(jié)構(gòu)的性能,并能有意識地、靈活地運用它們。
2.協(xié)同工作與結(jié)構(gòu)體系
協(xié)同工作的概念廣泛存在于工業(yè)產(chǎn)品的設計和制造中,對于任一個工業(yè)產(chǎn)品,我們均不希望其在遠未達到其設計壽命(負荷、功能)時,它的某些部件(或零件)即出現(xiàn)破壞。對于建筑結(jié)構(gòu),協(xié)同工作的概念即是要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各個構(gòu)件相互配合,共同工作。這不僅要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承載能力極限狀態(tài)能共同受力,協(xié)同工作,同時達到極限狀態(tài),還要求他們能有共同的耐久壽命。結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作表現(xiàn)在基礎與上部結(jié)構(gòu)的關(guān)系上,必須視基礎與上部結(jié)構(gòu)為一個有機的整體,不能把兩者割裂開來處理。舉例而言,對磚混結(jié)構(gòu),必須依靠圈梁和構(gòu)造柱將上部結(jié)構(gòu)與基礎連接成一個整體,而不能單純依靠基礎自身的剛度來抵御不均勻沉降,所有圈梁和構(gòu)造柱的設置,都必須圍繞這個中心。
對協(xié)同工作的理解,還在于當結(jié)構(gòu)受力時,結(jié)構(gòu)中的各個構(gòu)件能同時達到較高的應力水平。在多高層結(jié)構(gòu)設計時,應盡可能避免短柱,其主要的目的是使同層各柱在相同的水平位移時,能同時達到最大承載能力,但隨著建筑物的高度與層數(shù)的加大,巨大的豎向和水平荷載使底層柱截面越來越大,從而造成高層建筑的底部數(shù)層出現(xiàn)大量短柱,為了避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn),對于大截面柱,可以通過對柱截面開豎槽,使矩形柱成為田形柱,從而增大長細比,避免短柱的出現(xiàn),這樣就能使同層的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在相近的水平位移下,達到最大的水平承載力;而對于梁的跨高比的限制,一般還沒有充分認識到。實際上與長短柱混雜的效果一樣,長、短梁在同一榀框架中并存,也是極為不利的,短跨梁在水平力的作用下,剪力很大,梁端正、負彎矩也很大,其配筋全部由水平力決定,豎向荷載基本不起作用,甚至于梁端正彎矩鋼筋也會出現(xiàn)超筋現(xiàn)象,同時,由于梁的剪力增大,也會使支承柱的軸力大幅增大,這種設計是不符合協(xié)同工作原則的,同時,結(jié)構(gòu)的造價必將會上升。多高層結(jié)構(gòu)設計的主要目的即是為了抵抗水平力的作用,防止扭轉(zhuǎn),為有效的抵抗水平力作用,平面上兩個正交方向的尺寸宜盡量接近,目的是保證這兩個方向上的“慣性矩”相等,以防止一個方向強度(穩(wěn)定性)儲備太大,而另一個方向較弱,因此,抗側(cè)力結(jié)構(gòu)(柱、剪力墻)宜設置在四周,以增大整體的抗側(cè)剛度及抗扭慣性矩,同時,應加大梁或樓層的剛度,使柱(或剪力墻)能承擔較大的整體彎矩,這就是“轉(zhuǎn)換層”的概念。防止扭轉(zhuǎn)的目的,是因為在扭轉(zhuǎn)發(fā)生時,各柱節(jié)點水平位移不等,距扭轉(zhuǎn)中心較遠的角柱剪力很大,而中柱剪力較小,破壞由外向里,先外后里。為防止扭轉(zhuǎn),抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應對稱布置,宜設在結(jié)構(gòu)兩端,緊靠四周設置,以增大抗扭慣性矩。因此,高層或超高層建筑中,盡管角柱軸壓比較小,但其在抗扭過程中作用卻很大(若角柱先壞,整個結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度或強度下降,中柱必定依次破壞),同時,在水平力的作用下,角柱軸力的變化幅度也會很大,這樣勢必要求角柱有較大的變形能力。由于角柱的上述作用,角柱設計時在承載力和變形能力上都應有較多考慮,如加大配箍,采用密排箍筋柱、鋼管混凝土柱。
目前,部分已建建筑在其四角設置巨型鋼管柱,從而極大地增強了角柱的強度和抗變形能力。在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中,柱軸壓比的限值已成為困擾結(jié)構(gòu)工程師的實際問題,隨著建筑高度的增加,結(jié)構(gòu)下部柱截面也越來越大,而柱的縱向鋼筋卻為構(gòu)造配筋,即使采用高強混凝土,柱截面也不會明顯降低。實際上,柱的軸壓比大小,直接反映了柱的塑性變形能力,而構(gòu)件的變形能力會極大地影響結(jié)構(gòu)的延性。混凝土基本理論指出:混凝土構(gòu)件的曲率延性,即彎曲變形能力主要取決于截面的相對受壓區(qū)高度和受壓區(qū)邊緣混凝土的極限變形能力。相對受壓區(qū)高度主要取決于軸壓比、配筋等,混凝土的極限變形能力主要取決于箍筋的約束程度,即箍筋的形式和配箍特征值(λ=ρfyfc)。因此,為了增大柱在地震作用下的變形能力,控制柱的軸壓比和改善配箍具有同樣的意義,因而采用密排螺旋箍筋柱或鋼管混凝土均可以提高柱軸壓比的限值。
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