建筑结构设计的概念设计及结构措施

在建筑结构设计中,概念设计与结构措施至关重要。一定程度上它反映了一个结构工程师的设计水平,下面就这两个问题谈一下本人的一点看法。

1概念设计的重要性

概念设计是展现先进设计思想的关键,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概念都被逐渐忘却,更谈不上设计成果的不断创新。

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。

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。

2协同工作与结构体系

协同工作的概念广泛存在于工业产品的设计和制造中,对于任一个工业产品,我们均不希望其在远未达到其设计寿命(负荷、功能)时,它的某些部件(或零件)即出现破坏。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。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。结构的协同工作表现在基础与上部结构的关系上,必须视基础与上部结构为一个有机的整体,不能把两者割裂开来处理。举例而言,对砖混结构,必须依靠圈梁和构造柱将上部结构与基础连接成一个整体,而不能单纯依靠基础自身的刚度来抵御不均匀沉降,所有圈梁和构造柱的设置,都必须围绕这个中心。

对协同工作的理解,还在于当结构受力时,结构中的各个构件能同时达到较高的应力水平。在多高层结构设计时,应尽可能避免短柱,其主要的目的是使同层各柱在相同的水平位移时,能同时达到最大承载能力,但随着建筑物的高度与层数的加大,巨大的竖向和水平荷载使底层柱截面越来越大,从而造成高层建筑的底部数层出现大量短柱,为了避免这种现象的出现,对于大截面柱,可以通过对柱截面开竖槽,使矩形柱成为田形柱,从而增大长细比,避免短柱的出现,这样就能使同层的抗侧力结构在相近的水平位移下,达到最大的水平承载力;而对于梁的跨高比的限制,一般还没有充分认识到。实际上与长短柱混杂的效果一样,长、短梁在同一榀框架中并存,也是极为不利的,短跨梁在水平力的作用下,剪力很大,梁端正、负弯矩也很大,其配筋全部由水平力决定,竖向荷载基本不起作用,甚至于梁端正弯矩钢筋也会出现超筋现象,同时,由于梁的剪力增大,也会使支承柱的轴力大幅增大,这种设计是不符合协同工作原则的,同时,结构的造价必将会上升。

多高层结构设计的主要目的即是为了抵抗水平力的作用,防止扭转,为有效的抵抗水平力作用,平面上两个正交方向的尺寸宜尽量接近,目的是保证这两个方向上的“惯性矩”相等,以防止一个方向强度(稳定性)储备太大,而另一个方向较弱,因此,抗侧力结构(柱、剪力墙)宜设置在四周,以增大整体的抗侧刚度及抗扭惯性矩,同时,应加大梁或楼层的刚度,使柱(或剪力墙)能承担较大的整体弯矩,这就是“转换层”的概念。防止扭转的目的,是因为在扭转发生时,各柱节点水平位移不等,距扭转中心较远的角柱剪力很大,而中柱剪力较小,破坏由外向里,先外后里。为防止扭转,抗侧力结构应对称布置,宜设在结构两端,紧靠四周设置,以增大抗扭惯性矩。因此,高层或超高层建筑中,尽管角柱轴压比较小,但其在抗扭过程中作用却很大(若角柱先坏,整个结构的扭转刚度或强度下降,中柱必定依次破坏),同时,在水平力的作用下,角柱轴力的变化幅度也会很大,这样势必要求角柱有较大的变形能力。由于角柱的上述作用,角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑,如加大配箍,采用密排箍筋柱、钢管混凝土柱。

目前,部分已建建筑在其四角设置巨型钢管柱,从而极大地增强了角柱的强度和抗变形能力。在高层建筑结构设计中,柱轴压比的限值已成为困扰结构工程师的实际问题,随着建筑高度的增加,结构下部柱截面也越来越大,而柱的纵向钢筋却为构造配筋,即使采用高强混凝土,柱截面也不会明显降低。实际上,柱的轴压比大小,直接反映了柱的塑性变形能力,而构件的变形能力会极大地影响结构的延性。

混凝土基本理论指出:混凝土构件的曲率延性,即弯曲变形能力主要取决于截面的相对受压区高度和受压区边缘混凝土的极限变形能力。相对受压区高度主要取决于轴压比、配筋等,混凝土的极限变形能力主要取决于箍筋的约束程度,即箍筋的形式和配箍特征值(λ=ρfyfc)。因此,为了增大柱在地震作用下的变形能力,控制柱的轴压比和改善配箍具有同样的意义,因而采用密排螺旋箍筋柱或钢管混凝土均可以提高柱轴压比的限值。

3协同工作与材料利用率

协同工作设计的另一个目的,还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(从优化设计的角度,尽管结构性能最好的方案,不一定是材料利用率最高),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,这从梁类构件的演变可以看出。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。

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。就混凝土基本理论的发展来看,也体现了使各种材料充分发挥性能,并相互协同工作的特点。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。

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和变形能力;2)核心混凝土又对钢管壁的稳定提供了有效可靠的支撑。钢管混凝土的极限承载力远大于钢管和核心混凝土两者的承载力之和,约为两者之和的17~20倍,其极限变形能力是普通钢筋混凝土的几倍甚至几十倍,这是钢材与混凝土的又一次理想结合。它的出现,使传统意义上的受压破坏特征由脆性变为延性,对结构抗震的延性设计意义巨大,也使超高层建筑底层柱的轴压比限制问题迎刃而解。

从上述结构构件的演化,推而广之,在结构设计中,只有当构件越多处于轴心受力状态,其材料的利用率才可以高,经济性也就越好。对框架结构,竖向载作用下,框架柱宜处于小偏心受压下工作,若大量柱处于大偏心受压工作状态,则该结构方案的经济性一般不好,故对非地震区的框架结构,其框架柱应优先设计为小偏心受压。这里就出现了一个矛盾,在地震作用下,大部分柱可能处于大偏心受压状态工作,截面设计时,大量柱的配筋仅仅是为万一发生地震而增加的,这些钢材在不发生地震时,将不起丝毫作用,这显然是不经济的,与抗震设计的整体思想也不相符。

为避免这种现象的出现,一方面应设法加强结构整体性,必要时,在某些楼层设置刚性转换层,从而加大整体弯矩,减小引起柱弯曲变形的局部弯矩;另一方面,对柱的设计,可将整个楼层面的柱设计为多肢柱,使多肢柱的每一根杆件都能处于轴心受力状态,如对钢管混凝土柱,只有在小偏心受压(或接近轴压)时,钢管和核心混凝土才能更好地协同工作,在偏心距较大的受压构件中使用时,更宜将其设计成双肢、三肢或四肢组成的组合构件。

最后,协同工作的原则也是整体工作的原则。在概念设计日益重要的今天,要求结构工程师应有深厚的基本理论基础,并能不断吸取他人先进的设计思想。对自己的作品、设计(即使是已建成的),应经常进行深刻的反思,对每一项设计都精益求精。

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