結構設計中的概念設計與結構措施二

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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。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。

　　最后，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。