建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)措施_工程管理

1、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)措施在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施至關(guān)重要?？隙ǔ潭壬纤从沉艘粋€(gè)結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)水平,下面就這兩個(gè)問(wèn)題談一下本人的一點(diǎn)看法。1 概念設(shè)計(jì)的重要性概念設(shè)計(jì)是呈現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計(jì)思想的關(guān)鍵,一個(gè)結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來(lái)完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計(jì),并能有意識(shí)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(rèn)為,概念設(shè)計(jì)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(shí)踐的增長(zhǎng)而越來(lái)越豐富,設(shè)計(jì)成果也越來(lái)越創(chuàng)新、完善。圓滿的是,隨著社會(huì)分工的細(xì)化,大部分結(jié)構(gòu)工程師只會(huì)依靠規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)、計(jì)算機(jī)程序做習(xí)慣性傳統(tǒng)設(shè)計(jì),缺乏創(chuàng)新,更不愿(不敢)創(chuàng)

2、新,有的甚至拒肯定新技術(shù)、新工藝的接受(可怕?lián)?dāng)創(chuàng)新的責(zé)任)。大部分工程師在一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)全面應(yīng)用的今日,對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)果明顯不合理、甚至錯(cuò)誤而不能準(zhǔn)時(shí)發(fā)覺(jué)。隨著年齡的增長(zhǎng) ,導(dǎo)致他們?cè)诟咝W(xué)的那些孤立的概念都被漸漸忘卻,更談不上設(shè)計(jì)成果的不斷創(chuàng)新。強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)的重要,主要還由于現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論存在很多缺陷或不行計(jì)算性,比如對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),內(nèi)力計(jì)算是基于彈性理論的計(jì)算方法,而截面設(shè)計(jì)卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法,這一沖突使計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)差之甚遠(yuǎn),為了彌補(bǔ)這類計(jì)算理論的缺陷,或者實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際存在的大量無(wú)法計(jì)算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì),都需要優(yōu)秀的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來(lái)

3、滿意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)計(jì)算機(jī)結(jié)果的高精度特點(diǎn),往往給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的誤會(huì),結(jié)構(gòu)工程師只有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)概念的培育,才能比較客觀、真實(shí)地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。概念設(shè)計(jì)之所以重要,還在于在方案設(shè)計(jì)階段,初步設(shè)計(jì)過(guò)程是不能借助于計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運(yùn)用其把握的結(jié)構(gòu)概念,選擇效果最好、造價(jià)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,深化、深刻了解各類結(jié)構(gòu)的性能,并能有意識(shí)地、敏捷地運(yùn)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(shè)計(jì)和制造中,對(duì)于任一個(gè)工業(yè)產(chǎn)品,我們均不盼望其在遠(yuǎn)未達(dá)到其設(shè)計(jì)壽命(負(fù)荷、功能)時(shí),它的某些部件(或零件)即消失破

4、壞。對(duì)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(gè)構(gòu)件相互協(xié)作,共同工作。這不僅要求結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承載力量極限狀態(tài)能共同受力,協(xié)同工作,同時(shí)達(dá)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(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的關(guān)系上,必需視基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)為一個(gè)有機(jī)的整體,不能把兩者割裂開(kāi)來(lái)處理。舉例而言,對(duì)磚混結(jié)構(gòu) ,必需依靠圈梁和構(gòu)造柱將上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接成一個(gè)整體,而不能單純依靠基礎(chǔ)自身的剛度來(lái)抵擋不勻稱沉降,全部圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置,都必需圍繞這個(gè)中心。對(duì)協(xié)同工作的理解,還在于當(dāng)結(jié)構(gòu)受力時(shí),結(jié)構(gòu)中的各個(gè)構(gòu)件能同時(shí)達(dá)到較高的應(yīng)力水平。在多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡可能避開(kāi)短柱,其主要的目的是使同層各柱在

5、相同的水平位移時(shí),能同時(shí)達(dá)到最大承載力量,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(lái)越大,從而造成高層建筑的底部數(shù)層消失大量短柱,為了避開(kāi)這種現(xiàn)象的消失,對(duì)于大截面柱,可以通過(guò)對(duì)柱截面開(kāi)豎槽,使矩形柱成為田形柱,從而增大長(zhǎng)細(xì)比,避開(kāi)短柱的消失,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(dá)到最大的水平承載力;而對(duì)于梁的跨高比的限制,一般還沒(méi)有充分熟悉到。實(shí)際上與長(zhǎng)短柱混雜的效果一樣,長(zhǎng)、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(fù)彎矩也很大,其配筋全部由水平力打算,豎向荷載基本不起作用,甚至于梁端正彎矩鋼筋也會(huì)消失超筋現(xiàn)象,同

6、時(shí),由于梁的剪力增大,也會(huì)使支承柱的軸力大幅增大,這種設(shè)計(jì)是不符合協(xié)同工作原則的,同時(shí),結(jié)構(gòu)的造價(jià)必將會(huì)上升。多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的即是為了反抗水平力的作用,防止扭轉(zhuǎn),為有效的反抗水平力作用,平面上兩個(gè)正交方向的尺寸宜盡量接近,目的是保證這兩個(gè)方向上的“慣性矩”相等,以防止一個(gè)方向強(qiáng)度(穩(wěn)定性)儲(chǔ)備太大,而另一個(gè)方向較弱,因此,抗側(cè)力結(jié)構(gòu)(柱、剪力墻)宜設(shè)置在四周,以增大整體的抗側(cè)剛度及抗扭慣性矩,同時(shí),應(yīng)加大梁或樓層的剛度,使柱(或剪力墻)能擔(dān)當(dāng)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,是由于在扭轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí),各柱節(jié)點(diǎn)水平位移不等,距扭轉(zhuǎn)中心較遠(yuǎn)的角柱剪力很大,而中柱剪力較小,破

7、壞由外向里,先外后里。為防止扭轉(zhuǎn),抗側(cè)力結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)稱布置,宜設(shè)在結(jié)構(gòu)兩端,緊靠四周設(shè)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(guò)程中作用卻很大(若角柱先壞,整個(gè)結(jié)構(gòu) 的扭轉(zhuǎn)剛度或強(qiáng)度下降,中柱必定依次破壞),同時(shí),在水平力的作用下,角柱軸力的變化幅度也會(huì)很大,這樣勢(shì)必要求角柱有較大的變形力量。由于角柱的上述作用,角柱設(shè)計(jì)時(shí)在承載力和變形力量上都應(yīng)有較多考慮,如加大配箍,采納密排箍筋柱、鋼管混凝土柱。目前,部分已建建筑在其四角設(shè)置巨型鋼管柱,從而極大地增加了角柱的強(qiáng)度和抗變形力量。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,柱軸壓比的限值已成為困擾結(jié)構(gòu)工程師的實(shí)際問(wèn)題,隨著建筑高度的

8、增加,結(jié)構(gòu)下部柱截面也越來(lái)越大,而柱的縱向鋼筋卻為構(gòu)造配筋,即使采納高強(qiáng)混凝土,柱截面也不會(huì)明顯降低。實(shí)際上,柱的軸壓比大小,直接反映了柱的塑性變形力量,而構(gòu)件的變形力量會(huì)極大地影響結(jié)構(gòu)的延性?；炷粱纠碚撝赋?混凝土構(gòu)件的曲率延性,即彎曲變形力量主要取決于截面的相對(duì)受壓區(qū)高度和受壓區(qū)邊緣混凝土的極限變形力量。相對(duì)受壓區(qū)高度主要取決于軸壓比、配筋等,混凝土的極限變形力量主要取決于箍筋的約束程度,即箍筋的形式和配箍特征值(=fyfc)。因此,為了增大柱在地震作用下的變形力量,掌握柱的軸壓比和改善配箍具有同樣的意義,因而采納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。3 協(xié)同工作與材料利

9、用率協(xié)同工作設(shè)計(jì)的另一個(gè)目的,還在于對(duì)材料的充分利用。一般來(lái)講,材料利用率越高(即應(yīng)力水平越高),該結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作程度也越高(從優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度,盡管結(jié)構(gòu)性能最好的方案,不肯定是材料利用率最高),尤其對(duì)我國(guó)這樣一個(gè)進(jìn)展中國(guó)家,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的即是花最少的錢(qián),做最好的建筑,這就要求設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)材料的充分利用,這從梁類構(gòu)件的演化可以看出。矩形截面梁是最一般的受彎構(gòu)件,它的材料利用率很低,緣由有二:一方面是靠近中和軸的材料應(yīng)力水平低,另一方面是梁的彎矩沿梁長(zhǎng)一般是變化的,這樣對(duì)等截面梁來(lái)說(shuō),大部分區(qū)段,即使是拉、壓邊緣,其應(yīng)力水平均較低。針對(duì)梁的這種受力特點(diǎn),用結(jié)構(gòu)概念分析,主要是由于梁截面存在應(yīng)變梯度

10、,只有當(dāng)構(gòu)件是軸心受力時(shí),材料利用率才可能增大,于是就消失了平面桁架,平面桁架可以理解成“掏空”的梁將梁中多余材料去除,既經(jīng)濟(jì),又降低自重;故桁架的上弦相應(yīng)于梁的受壓邊,下弦相應(yīng)于受拉鋼筋。規(guī)章桁架中腹桿的受力(拉、壓)與梁中主拉、壓應(yīng)力方向全都,依據(jù)上述分析,還可以將桁架的形狀設(shè)計(jì)為與彎矩圖相像的外形,從而使桁架的弦桿受力勻稱。由于桁架中大量存在壓桿,壓桿的強(qiáng)度往往由其穩(wěn)定性打算,而不是由桿件截面材料強(qiáng)度打算,因此,在平面桁架的設(shè)計(jì)過(guò)程中,應(yīng)設(shè)法降低壓桿的長(zhǎng)細(xì)比。單純?cè)龃蠼孛媸窍虏?特殊是上弦桿,應(yīng)努力增加其平面外的剛度(有時(shí)上弦采納雙桿形成的復(fù)合壓桿),供應(yīng)平面外約束(增加支撐),假如把這

11、些平面外的支撐再連接成桁架,這樣就使平面桁架變?yōu)槠矫娼徊骅旒?最終進(jìn)展為空間網(wǎng)架?？臻g網(wǎng)架的材料利用率高,應(yīng)力水平高,故在大跨度、大空間結(jié)構(gòu)中廣泛使用,但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中仍舊存在壓桿,壓桿(特殊是鋼壓桿)的應(yīng)力水平不行能太高(由于隨著跨度的增加,網(wǎng)架的高度增大,腹桿的長(zhǎng)度將增大,同季節(jié)點(diǎn)距離的增大也導(dǎo)致弦桿長(zhǎng)度的增大),這樣高強(qiáng)材料就不能使用。因此,努力削減或消退結(jié)構(gòu)中的壓桿,就使我們找到了懸索結(jié)構(gòu),懸索結(jié)構(gòu)中全部的“桿件”均為拉桿,這樣就使懸索結(jié)構(gòu)中桿件的應(yīng)力水平極高,材料利用率極大,高強(qiáng)材料得以充分利用,還可施加預(yù)應(yīng)力。因而在超大跨度的結(jié)構(gòu)中,懸索結(jié)構(gòu)(或包括懸索結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu))是首選的結(jié)構(gòu)類型

12、。就混凝土基本理論的進(jìn)展來(lái)看,也體現(xiàn)了使各種材料充分發(fā)揮性能,并相互協(xié)同工作的特點(diǎn)。林同炎教授認(rèn)為:鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土之間的區(qū)分在于鋼筋混凝土是將混凝土與鋼筋兩者簡(jiǎn)潔地結(jié)合在一起,并讓他們自行地共同工作,預(yù)應(yīng)力混凝土是將高強(qiáng)鋼筋與高強(qiáng)混凝土能動(dòng)地結(jié)合在一起,使兩種材料均產(chǎn)生特別好的性能。反映了人們對(duì)混凝土中的協(xié)同工作熟悉和運(yùn)用過(guò)程的加深。目前廣泛使用的鋼-混凝土結(jié)構(gòu) ,是將鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相互取長(zhǎng)補(bǔ)短形成的一種新型的結(jié)構(gòu)形成。尤其是鋼管混凝土,與預(yù)應(yīng)力混凝土相像,更將這兩種材料能動(dòng)地結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)材料的又一次革命。鋼管混凝土的原理有二:1)借助鋼管對(duì)核心混凝土的約束,使核心混凝土

13、有更高的強(qiáng)度和變形力量;2)核心混凝土又對(duì)鋼管壁的穩(wěn)定供應(yīng)了有效牢靠的支撐。鋼管混凝土的極限承載力遠(yuǎn)大于鋼管和核心混凝土兩者的承載力之和,約為兩者之和的172 0倍,其極限變形力量是一般鋼筋混凝土的幾倍甚至幾十倍,這是鋼材與混凝土的又一次抱負(fù)結(jié)合。它的消失,使傳統(tǒng)意義上的受壓破壞特征由脆性變?yōu)檠有?對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的延性設(shè)計(jì)意義巨大,也使超高層建筑底層柱的軸壓比限制問(wèn)題迎刃而解。從上述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的演化,推而廣之,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,只 有當(dāng)構(gòu)件越多處于軸心受力狀態(tài),其材料的利用率才可以高,經(jīng)濟(jì)性也就越好。對(duì)框架結(jié)構(gòu),豎向載作用下,框架柱宜處于小偏心受壓下工作,若大量柱處于大偏心受壓工作狀態(tài),則該結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟(jì)性一般不好,故對(duì)非地震區(qū)的框架結(jié)構(gòu),其框架柱應(yīng)優(yōu)先設(shè)計(jì)為小偏心受壓。這里就消失了一個(gè)沖突,在地震作用下,大部分柱可能處于大偏心受壓狀態(tài)工作,截面設(shè)計(jì)時(shí),大量柱的配筋僅僅是為萬(wàn)一發(fā)生地震而增加的,這些鋼材在不發(fā)生地震時(shí),將不起絲毫作用,這明顯是不經(jīng)濟(jì)的,與抗震設(shè)計(jì)的整體思想也不相符。為避開(kāi)這種現(xiàn)象的消失,一方面應(yīng)設(shè)法加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性,必要時(shí),在某些樓層設(shè)置剛性轉(zhuǎn)換層,從而加大整體彎矩,減小引起柱彎曲變形的局部彎矩;另一方面,對(duì)柱的設(shè)計(jì),可將整個(gè)樓層面的柱設(shè)計(jì)為多肢柱,使多肢柱的每一根