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。