概念與措施

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簡介： 協(xié)同工作的原則也是整體工作的原則。在概念設計日益重要的今天 ,要求結構工程師應有深厚的基本理論基礎 ,并能不斷吸取他人先進的設計思想。對自己的作品、設計 (即使是已建成的 ),應經(jīng)常進行深刻的反思 ,對每一項設計都精益求精。本文在強調(diào)概念設計重要性的同時 ,對一些影響結構經(jīng)濟與安全的因素提出探討 ,旨在引起結構設計人員的注意。
關鍵字：結構設計 概念設計

1　概念設計的重要性

　　概念設計是展現(xiàn)先進設計思想的關鍵 ,一個結構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構總體方案的設計 ,并能有意識地處理構件與結構、結構與結構的關系。一般認為概念設計做得好的結構工程師 ,隨著他的不懈追求 , 其結構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 ,大部分結構工程師只會依賴規(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、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構程序設計全面應用的今天 ,對計算機結果明顯不合理、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)行的結構設計理論與計算理論存在許多缺陷或不可計算性 ,比如對混凝土結構設計 ,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 ,這一矛盾使計算結果與結構的實際受力狀態(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構構件的設計 ,都需要優(yōu)秀的概念設計與結構措施來滿足結構設計的目的。同時計算機結果的高精度特點 ,往往給結構設計人員帶來對結構工作性能的誤解 ,結構工程師只有加強結構概念的培養(yǎng) ,才能比較客觀、真實地理解結構的工作性能。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。這就需要結構工程師綜合運用其掌握的結構概念 ,選擇效果最好、造價最低的結構方案 ,為此 ,需要工程師不斷地豐富自己的結構概念 ,深入、深刻了解各類結構的性能 ,并能有意識地、靈活地運用它們。

2　協(xié)同工作與結構體系

　　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。對于建筑結構 ,協(xié)同工作的概念即是要求結構內(nèi)部的各個構件相互配合 ,共同工作。這不僅要求結構構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。結構的協(xié)同工作表現(xiàn)在基礎與上部結構的關系上 ,必須視基礎與上部結構為一個有機的整體 ,不能把兩者割裂開來處理。舉例而言 ,對磚混結構 ,必須依靠圈梁和構造柱將上部結構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 ,還在于當結構受力時 ,結構中的各個構件能同時達到較高的應力水平。在多高層結構設計時 ,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)力結構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 ,結構的造價必將會上升。多高層結構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)力結構 (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)力結構應對稱布置 ,宜設在結構兩端 ,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 ,整個結構的扭轉(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。在高層建筑結構設計中 ,柱軸壓比的限值已成為困擾結構工程師的實際問題 ,隨著建筑高度的增加 ,結構下部柱截面也越來越大 ,而柱的縱向鋼筋卻為構造配筋 ,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 ,而構件的變形能力會極大地影響結構的延性。混凝土基本理論指出 :混凝土構件的曲率延性 ,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 =ρｆｙ ｆｃ)。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。

3　協(xié)同工作與材料利用率

　　協(xié)同工作設計的另一個目的 ,還在于對材料的充分利用。一般來講 ,材料利用率越高 (即應力水平越高 ),該結構的協(xié)同工作程度也越高 (從優(yōu)化設計的角度 ,盡管結構性能最好的方案 ,不一定是材料利用率最高 ),尤其對我國這樣一個發(fā)展中國家 ,結構設計的目的即是花最少的錢 ,做最好的建筑 ,這就要求設計時對結構材料的充分利用 ,這從梁類構件的演變可以看出。矩形截面梁是最普通的受彎構件 ,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力水平低 ,另一方面是梁的彎矩沿梁長一般是變化的 ,這樣對等截面梁來說 ,大部分區(qū)段 ,即使是拉、壓邊緣 ,其應力水平均較低。針對梁的這種受力特點 ,用結構概念分析 ,主要是因為梁截面存在應變梯度 ,只有當構件是軸心受力時 ,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 ,又降低自重 ;故桁架的上弦相應于梁的受壓邊 ,下弦相應于受拉鋼筋。規(guī)則桁架中腹桿的受力 (拉、壓 )與梁中主拉、壓應力方向一致 ,根據(jù)上述分析 ,還可以將桁架的外形設計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 ,壓桿的強度往往由其穩(wěn)定性決定 ,而不是由桿件截面材料強度決定 ,因此 ,在平面桁架的設計過程中 ,應設法降低壓桿的長細比。單純增大截面是下策 ,特別是上弦桿 ,應努力增加其平面外的剛度 (有時上弦采用雙桿形成的復合壓桿 ),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 ,應力水平高 ,故在大跨度、大空間結構中廣泛使用 ,但網(wǎng)架結構中仍然存在壓桿 ,壓桿 (特別是鋼壓桿 )的應力水平不可能太高 (因為隨著跨度的增加 ,網(wǎng)架的高度增大 ,腹桿的長度將增大 ,同時節(jié)點距離的增大也導致弦桿長度的增大 ),這樣高強材料就不能使用。因此 ,努力減少或消除結構中的壓桿 ,就使我們找到了懸索結構 ,懸索結構中所有的“桿件”均為拉桿 ,這樣就使懸索結構中桿件的應力水平極高 ,材料利用率極大 ,高強材料得以充分利用 ,還可施加預應力。因而在超大跨度的結構中 ,懸索結構 (或包括懸索結構的組合結構 )是首選的結構類型。就混凝土基本理論的發(fā)展來看 ,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。林同炎教授認為 :鋼筋混凝土與預應力混凝土之間的區(qū)別在于鋼筋混凝土是將混凝土與鋼筋兩者簡單地結合在一起 ,并讓他們自行地共同工作 ,預應力混凝土是將高強鋼筋與高強混凝土能動地結合在一起 ,使兩種材料均產(chǎn)生非常好的性能。反映了人們對混凝土中的協(xié)同工作認識和運用過程的加深。目前廣泛使用的鋼 -混凝土結構 ,是將鋼結構與混凝土結構相互取長補短形成的一種新型的結構形成。尤其是鋼管混凝土 ,與預應力混凝土相似 ,更將這兩種材料能動地結合起來 ,實現(xiàn)了結構材料的又一次革命。鋼管混凝土的原理有二 :

　　1 )借助鋼管對核心混凝土的約束 ,使核心混凝土有更高的強度和變形能力 ;

　　2 ) 核心混凝土又對鋼管壁的穩(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 1 7～ 2 0 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?,對結構抗震的延性設計意義巨大 ,也使超高層建筑底層柱的軸壓比限制問題迎刃而解。從上述結構構件的演化 ,推而廣之 ,在結構設計中 ,只有當構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)濟性也就越好。對框架結構 ,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) ,則該結構方案的經(jīng)濟性一般不好 ,故對非地震區(qū)的框架結構 ,其框架柱應優(yōu)先設計為小偏心受壓。這里就出現(xiàn)了一個矛盾 , 在地震作用下 ,大部分柱可能處于大偏心受壓狀態(tài)工作 ,截面設計時 ,大量柱的配筋僅僅是為萬一發(fā)生地震而增加的 ,這些鋼材在不發(fā)生地震時 ,將不起絲毫作用 ,這顯然是不經(jīng)濟的 ,與抗震設計的整體思想也不相符。為避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn) ,一方面應設法加強結構整體性 ,必要時 ,在某些樓層設置剛性轉(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 ,對柱的設計 ,可將整個樓層面的柱設計為多肢柱 ,使多肢柱的每一根桿件都能處于軸心受力狀態(tài) ,如對鋼管混凝土柱 ,只有在小偏心受壓(或接近軸壓 )時 ,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件中使用時 ,更宜將其設計成雙肢、三肢或四肢組成的組合構件。

4　結　語

　　協(xié)同工作的原則也是整體工作的原則。在概念設計日益重要的今天 ,要求結構工程師應有深厚的基本理論基礎 ,并能不斷吸取他人先進的設計思想。對自己的作品、設計 (即使是已建成的 ),應經(jīng)常進行深刻的反思 ,對每一項設計都精益求精。本文在強調(diào)概念設計重要性的同時 ,對一些影響結構經(jīng)濟與安全的因素提出探討 ,旨在引起結構設計人員的注意。