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結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施二
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3.協(xié)同工作與材料利用率
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,不一定是材料利用率最高),尤其對(duì)我國(guó)這樣一個(gè)發(fā)展中國(guó)家,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的即是花最少的錢,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)件的演變可以看出。矩形截面梁是最普通的受彎構(gòu)件,它的材料利用率很低,原因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,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,主要是因?yàn)榱航孛娲嬖趹?yīng)變梯度,只有當(dāng)構(gòu)件是軸心受力時(shí),材料利用率才可能增大,于是就出現(xiàn)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)則桁架中腹桿的受力(拉、壓)與梁中主拉、壓應(yīng)力方向一致,根據(jù)上述分析,還可以將桁架的外形設(shè)計(jì)為與彎矩圖相似的形狀,從而使桁架的弦桿受力均勻。由于桁架中大量存在壓桿,壓桿的強(qiáng)度往往由其穩(wěn)定性決定,而不是由桿件截面材料強(qiáng)度決定,因此,在平面桁架的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)設(shè)法降低壓桿的長(zhǎng)細(xì)比。
單純?cè)龃蠼孛媸窍虏?,特別是上弦桿,應(yīng)努力增加其平面外的剛度(有時(shí)上弦采用雙桿形成的復(fù)合壓桿),提供平面外約束(增加支撐),如果把這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?,最后發(fā)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)中仍然存在壓桿,壓桿(特別是鋼壓桿)的應(yīng)力水平不可能太高(因?yàn)殡S著跨度的增加,網(wǎng)架的高度增大,腹桿的長(zhǎng)度將增大,同時(shí)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,努力減少或消除結(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)中所有的“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。就混凝土基本理論的發(fā)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)。鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土之間的區(qū)別在于鋼筋混凝土是將混凝土與鋼筋兩者簡(jiǎn)單地結(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)生非常好的性能。反映了人們對(duì)混凝土中的協(xié)同工作認(rèn)識(shí)和運(yùn)用過程的加深。
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)力混凝土相似,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,使核心混凝土有更高的強(qiáng)度和變形能力;2)核心混凝土又對(duì)鋼管壁的穩(wěn)定提供了有效可靠的支撐。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17~20倍,其極限變形能力是普通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理想結(jié)合。它的出現(xiàn),使傳統(tǒng)意義上的受壓破壞特征由脆性變?yōu)檠有?,?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。這里就出現(xiàn)了一個(gè)矛盾,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,這顯然是不經(jīng)濟(jì)的,與抗震設(shè)計(jì)的整體思想也不相符。為避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn),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,使多肢柱的每一根桿件都能處于軸心受力狀態(tài),如對(duì)鋼管混凝土柱,只有在小偏心受壓(或接近軸壓)時(shí),鋼管和核心混凝土才能更好地協(xié)同工作,在偏心距較大的受壓構(gòu)件中使用時(shí),更宜將其設(shè)計(jì)成雙肢、三肢或四肢組成的組合構(gòu)件。
最后,協(xié)同工作的原則也是整體工作的原則。在概念設(shè)計(jì)日益重要的今天,要求結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)有深厚的基本理論基礎(chǔ),并能不斷吸取他人先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想。對(duì)自己的作品、設(shè)計(jì)(即使是已建成的),應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行深刻的反思,對(duì)每一項(xiàng)設(shè)計(jì)都精益求精。
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