关于建筑结构概念设计中协同工作与材料利用率的

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【摘 要】本文从梁类构件的演变、混凝土基本理论的发展、组合构件的发展、整体结构等方面,对建筑结构的协同工作和材料利用率进行了分析和探讨,阐述了建筑结构工程概念设计的重要性.

【关 键 词】建筑结构;概念设计;协同工作;材料利用率

1.概念设计的重要性

(1)在建筑结构设计中,包括概念设计、结构计算、构造要求的设计,概念设计往往更重要.所谓的概念设计一般指不经数值计算,尤其在一些难以作出精确力学分析或在规范中难以规定的问题中,从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制.概念设计是展现先进设计思想的关键,一定程度上它反映了一个结构工程师的设计水平.一个结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计,并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系.一般认为,概念设计做得好的结构工程师,随着他的不懈追求,其结构概念将随他的年龄与实践的增长而越来越丰富,设计成果也越来越创新、完善.遗憾的是,随着社会分工的细化,大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计,缺乏创新,更不愿(不敢)创新,有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳(害怕承担创新的责任).大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天,对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现.随着年龄的增长,导致他们在大学学的那些孤立的基本概念都被逐渐忘却,更谈不上设计成果的不断创新.

(2)强调概念设计的重要,主要还因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性,比如对混凝土结构设计,内力计算是基于弹性理论的计算方法,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法,这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远,为了弥补这类计算理论的缺陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,都需要优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的.同时计算机结果的高精度特点,往往给结构设计人员带来对结构工作性能的误解,结构工程师只有加强结构概念的培养,才能比较客观、真实地理解结构的工作性能.

(3)概念设计之所以重要,还在于在方案设计阶段,初步设计过程是不能借助于计算机来实现的.这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念,选择效果最好、造价最低的结构方案,为此,需要工程师不断地丰富自己的结构概念,深入、深刻了解各类结构的性能,并能有意识地、灵活地运用它们.建筑结构空间整体协同工作设计及建筑材料的充分利用是建筑结构概念设计的重要工作.

2.协同工作与材料利用率

对于建筑结构,协同工作的概念即是要求结构内部的各个构件相互配合,共同工作,也可称其为整体工作.这不仅要求结构构件在承载能力极限状态能共同受力协同工作,同时达到极限状态,还要求他们能有共同的耐久寿命.协同工作设计的目的之一,在于对材料的充分利用.一般来讲,材料利用率越高(即应力水平越高),该结构的协同工作程度也越高,尤其对我国这样一个发展中国家,结构设计的目的即是花最少的钱,做最好的建筑,这就要求设计时对结构材料的充分利用.

2.1从梁类构件的演变来看.如矩形截面梁是最普通的受弯构件,它的材料利用率很低,原因有二:一方面是靠近中和轴的材料应力水平低,另一方面是梁的弯矩沿梁长一般是变化的,这样对等截面梁来说,大部分区段,即使是拉、压边缘,其应力水平均较低.针对梁的这种受力特点,用结构概念分析,主要是因为梁截面存在应变梯度,只有当构件是轴心受力时,材料利用率才可能增大,于是就出现了平面桁架,平面桁架可以理解成“掏空”的梁——将梁中多余材料去除,既经济,又降低自重;故桁架的上弦相应于梁的受压边,下弦相应于受拉钢筋.规则桁架中腹杆的受力(拉、压)与梁中主拉、压应力方向一致,根据上述分析,还可以将桁架的外形设计为与弯矩图相似的形状,从而使桁架的弦杆受力均匀.由于桁架中大量存在压杆,压杆的强度往往由其稳定性决定,而不是由杆件截面材料强度决定,因此,在平面桁架的设计过程中,应设法降低压杆的长细比.如何降低压杆的长细比,单纯增大截面是下策,特别是上弦杆,应努力增加其平面外的刚度(有时上弦采用双杆形成的复合压杆),提供平面外约束(增加支撑),如果把这些平面外的支撑再连接成桁架,这样就使平面桁架变为平面交叉桁架,最后发展为空间网架.空间网架的材料利用率高,应力水平高,故在大跨度、大空间结构中广泛使用,但网架结构中仍然存在压杆,压杆(特别是钢压杆)的应力水平不可能太高(因为随着跨度的增加,网架的高度增大,腹杆的长度将增大,同时节点距离的增大也导致弦杆长度的增大),这样高强材料就不能使用.因此,努力减少或消除结构中的压杆,就使我们找到了悬索结构,悬索结构中所有的“杆件”均为拉杆,这样就使悬索结构中杆件的应力水平极高,材料利用率极大,高强材料得以充分利用,还可施加预应力.因而在超大跨度的结构中,悬索结构(或包括悬索结构的组合结构)是首选的结构类型.

2.2混凝土基本理论的发展来看.林同炎教授认为:钢筋混凝土与预应力混凝土之间的区别在于钢筋混凝土是将混凝土与钢筋两者简单地结合在一起,并让他们自行地共同工作;预应力混凝土是将高强钢筋与高强混凝土能动地结合在一起,使两种材料均产生非常好的性能.反映了人们对混凝土中的协同工作认识和运用过程的加深.


2.3组合构件的发展来看.目前广泛使用的钢——混凝土结构,是将钢结构与混凝土结构相互取长补短形成的一种新型的结构形成.尤其是钢管混凝土,与预应力混凝土相似,更将这两种材料能动地结合起来,实现了结构材料的又一次革命.钢管混凝土的原理有二:

(1)借助钢管对核心混凝土的约束,使核心混凝土有更高的强度

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