結構設計中幾個概念的理解與應用

結構設計中幾個概念的理解與應用

摘要：設計人員必須自己承擔設計的全部責任，針對不同的設計對象、環境和使用條件，合理地選用設計程序中的數據和結果。
關鍵詞：結構 概念 應用
        0 引言
        隨著結構設計輔助程序的普及，在某些工程師設計過程中產生有一種現象—重應用而輕概念、重而輕構造。如何正確的把握概念、合理的應用概念，一定程度上決定著一個工程設計的成敗。下面針對幾個常遇的概念應用問題進行具體分析。 
        1 抗震設計中“強剪弱彎、強柱弱梁”不是剛柱柔梁，更不能片面的理解為：大截面、多配筋，一味地加大截面和配筋，容易把框架結構最重要的抗震原則—延性破壞，變成脆性破壞，反而更不利。 
        正確的概念是：結構在中震下允許某些構件先屈服，出現塑性鉸，使結構剛度降低、塑性變形加大，當塑性鉸達到一定數量時，由于結構自震周期延長，雖然結構承受的地震作用不再增加或增幅較小，但結構變形卻迅速增加。為了使抗震結構能維持承載能力而又具有較大的塑性變形能力，設計時應遵循“強剪弱彎、強柱弱梁”，保證主要耗能部位具有延性的設計原則。通過控制受壓區高度、最小配筋率、梁上部和下部縱筋的比例關系以及梁端箍筋配置要求來保證梁端塑性鉸區有足夠的轉動能力；通過各種內力調整系數，來保證“強剪弱彎、強柱弱梁”，具體涵義是調整梁端負筋、箍筋、梁底縱筋與柱縱筋、箍筋的相對比例關系，使結構在地震作用下梁端塑性鉸較普遍、較早出現，柱端塑性鉸較少、較晚出現。通過塑性耗能，避免在較強地震作用下的結構嚴重損傷和更強地震作用下發生危及人身安全的局部或整體失效。在這里，梁端負筋、箍筋、梁底縱筋與柱縱筋、箍筋的之間的合理比例關系，成了決定結構在較強或更強地震作用下破壞模型的關鍵因素。
        2 建筑的樓面設計的活荷載合理取值 
        據《建筑結構荷載規范（2006年版）》，民用建筑的樓面活荷載及相關參數取值遵照4.1節規定，工業建筑的樓面活荷載及相關參數取值遵照4.2節規定執行。工業建筑的樓面活荷載，它的特點是沒有像民用建筑的樓面活荷載那樣的荷載折減系數�；詈奢d在傳遞過程中的折減，是以樓面均布活荷載在。也就是說——合理的計算步驟根據“附錄C”，按照板、次梁、主梁（柱和基礎）各構件來取三次相應的標準值分別計算，同時注意組合值系數和準永久值系數與民用建筑要求的區別。
        3 樓梯的荷載輸入和計算模型 
        框架結構建筑中，當局部有電梯間、占總面積比例較小時，不宜做混凝土井筒，更不能用砌體承重，避免體系上的混淆。目前，一般整體設計時采用兩種方式輸入樓梯荷載。一種是樓梯間樓板厚度輸入0，恒荷載折算后取7.0kN/m2左右，活荷載視具體使用功能而定；第二種是在半層平臺梁下立小柱，此處按集中力輸入荷載，比較真實地模擬了實際受力。第一種方式的問題是：樓梯間周邊框架梁由三邊受集中力變成四邊受均布力（一邊框架梁為半層平臺處不受力）；因總荷載大致相等，造成了三邊框架梁上荷載偏小，計算撓度和裂縫偏��；當集中荷載對梁起控制作用時，梁的斜截面抗剪計算與均布荷載下的公式不同，箍筋配置值和范圍均有區別。第二種方式應注意，平臺小立柱截面一般小于300mm，強度設計值應乘以強度折減系數0.8，立柱及平臺梁端部應配足夠的負筋，以抵抗實際存在的彎矩。立柱下主框架梁也因為小立柱的存在，使其在沿梁長方向產生彎矩、在垂直方向產生扭矩，計算中沒考慮，構造應加強配筋。         4 地下連梁（地框梁）的設置 
        基礎埋深較大時，常設地下連梁承底層墻的自重和減小結構層高度。為了簡化，常在結構計算模型中按多一層框架梁設計，此時較易出現短柱，有幾種處理方法：①形成短柱后，嚴格按抗震規范計算其強度配筋等，并應同時建立兩個計算模型：一個是有地框梁模型，考慮地下土體實際的約束作用，模型中的二層柱之計算長度系數應為1.25～1.0之間；二是取消地框梁層計算一次，實際建筑一層柱配筋取二者包絡值，并短柱箍筋全高加密，建筑一層以上樓層梁、柱配筋取有地框梁模型實配。②地下連梁下移至基礎頂面，此時是基礎設計中常見的基礎拉梁，作用是平衡柱底彎矩。承受墻體自重，僅為了計算出圖的方便而仍按多一層的框架模型考慮。此時應改變計算模型中的二層柱計算長度系數，由1.25改為1.0左右，基礎連梁考慮彎矩和軸向拉力后一般構造配筋；不必理會軟件提示的底層柱抗剪不足問題。③參照《建筑地基基礎設計規范》第8.2.6條的高杯口基礎做成高頸現澆基礎，高頸至地下連梁頂處，高頸剛度大于柱剛度4倍以上（非線剛度）。此時宜按正常模型計算，一層柱底至高頸處，注意按地基規范復核高頸配筋。 
        5　輕鋼人字梁混凝土排架結構的計算模型 
        當鋼梁采用人字梁時，鋼梁在豎向作用下，對柱產生水平推力，在豎向力和水平力綜合作用下，人字鋼架彎曲變形不可忽略，已不能有效傳遞水平作用力，此時排架柱的聯系構件實質上是鉸接彈簧。排架柱的計算模型為下端固接、上端彈性連接，較水平為剛性桿的排架模型變形較大，受力較難量化分析。筆者建議，盡量少采用這種結構體系；當采用時，柱宜短、梁跨宜小，每側柱的內力計算及配筋可采用較保守的懸臂模型單獨進行。 
        6　地基基礎設計的作用組合 
        按照《建筑抗震設計規范（2008年版）》第4.2節要求，一般多層建筑是不需要地基及基礎的抗震承載力驗算的。當地基進行抗震承載力驗算時，且地基持力層或下臥層為軟土層時：因為確定基底面積時采用了地震作用組合，可能基底面積受其控制，在沉降計算中又不含地震作用組合，此時應復核準永久組合下的基礎的沉降差值是否滿足規范要求，避免在常態下基礎沉降不均。 
        7　對圖集手冊和程序結果的合理使用 
        不要對圖集、手冊過分的崇拜！不可對軟件結構過分依賴！圖集、手冊的使用節約了設計者的精力，方便了施工，也是監理、建設監管部門控制審查的依據。各種圖集和手冊大部分來自規范和經驗，可能是比較好的解決方法，但并不是唯一的，也不一定都是完善的，甚至有些還是錯的。其中的內容不是適合每個具體工程，適用錯了則適得其反。因為市場化的原因，這類書籍層出不窮，既有精華也有糟粕，作為設計者，要辨證的分析利用。個人認為：“對結構體系的力學概念把握是解決問題的根本方法”，各種規范的制定也是由力學分析和實驗數據而得來的具有可操作性的工具手冊。規范也在不斷修訂完善，在合理的情況下還可以超規范設計，所以不必拘泥于某些標準圖和手冊，使用中要辯證的選用，去偽存真。高效能計算機的應用，能對復雜結構模型做出可靠的分析，但更需要運用結構基礎知識正確的做出判斷。尤其是當我們把結構開拓成綜合型、新材料和更大跨度的時候更是如此。工程師在進行結構安全控制時，應遵循規范的指導，但規范或設計程序不可能取代設計人員所必需的理論知識、經驗和判斷力。設計人員必須自己承擔設計的全部責任，針對不同的設計對象、環境和使用條件，合理地選用設計程序中的數據和結果。

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