建筑結(jié)構(gòu)類型有哪6種 [建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的概念設(shè)計與其措施]
發(fā)布時間:2020-02-16 來源: 人生感悟 點擊:
在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中,概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施至關(guān)重要。一定程度上它反映了一個結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計水平,下面就這兩個問題談一下本人的一點看法。 1.概念設(shè)計的重要性 概念設(shè)計是展現(xiàn)先進設(shè)計思想的關(guān)鍵,一個結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計,并能有意識地處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。一般認為,概念設(shè)計做得好的結(jié)構(gòu)工程師,隨著他的不懈追求,其結(jié)構(gòu)概念將隨他的年齡與實踐的增長而越來越豐富,設(shè)計成果也越來越創(chuàng)新、完善。
強調(diào)概念設(shè)計的重要,主要還因為現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計,內(nèi)力計算是基于彈性理論的計算方法,而截面設(shè)計卻是基于塑性理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法,這一矛盾使計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計,都需要優(yōu)秀的概念設(shè)計與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的。概念設(shè)計之所以重要,還在于在方案設(shè)計階段,初步設(shè)計過程是不能借助于計算機來實現(xiàn)的。這就需要結(jié)構(gòu)工程師綜合運用其掌握的結(jié)構(gòu)概念,選擇效果最好、造價最低的結(jié)構(gòu)方案,為此,需要工程師不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念,深入、深刻了解各類結(jié)構(gòu)的性能,并能有意識地、靈活地運用它們。
2.協(xié)同工作與結(jié)構(gòu)體系
協(xié)同工作的概念廣泛存在于工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu),協(xié)同工作的概念即是要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各個構(gòu)件相互配合,共同工作。這不僅要求結(jié)構(gòu)構(gòu)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。
舉例而言,對磚混結(jié)構(gòu) ,必須依靠圈梁和構(gòu)造柱將上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)連接成一個整體,而不能單純依靠基礎(chǔ)自身的剛度來抵御不均勻沉降,所有圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置,都必須圍繞這個中心。對協(xié)同工作的理解,還在于當結(jié)構(gòu)受力時,結(jié)構(gòu)中的各個構(gòu)件能同時達到較高的應(yīng)力水平。在多高層結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)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豎槽,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(jié)構(gòu)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(shè)計是不符合協(xié)同工作原則的,同時,結(jié)構(gòu)的造價必將會上升。
3.協(xié)同工作與材料利用率
協(xié)同工作設(shè)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(yīng)力水平越高),該結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作程度也越高(從優(yōu)化設(shè)計的角度,盡管結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計的目的即是花最少的錢,做最好的建筑,這就要求設(shè)計時對結(jié)構(gòu)材料的充分利用,這從梁類構(gòu)件的演變可以看出。
矩形截面梁是最普通的受彎構(gòu)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(yīng)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(yīng)力水平均較低。針對梁的這種受力特點,用結(jié)構(gòu)概念分析,主要是因為梁截面存在應(yīng)變梯度,只有當構(gòu)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(yīng)于梁的受壓邊,下弦相應(yīng)于受拉鋼筋。
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。目前廣泛使用的鋼-混凝土結(jié)構(gòu) ,是將鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相互取長補短形成的一種新型的結(jié)構(gòu)形成。尤其是鋼管混凝土,與預應(yīng)力混凝土相似,更將這兩種材料能動地結(jié)合起來,實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)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。
從上述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的演化,推而廣之,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,只有當構(gòu)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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟性一般不好,故對非地震區(qū)的框架結(jié)構(gòu),其框架柱應(yīng)優(yōu)先設(shè)計為小偏心受壓。
4.結(jié)語
協(xié)同工作的原則也是整體工作的原則。在概念設(shè)計日益重要的今天,要求結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)有深厚的基本理論基礎(chǔ),并能不斷吸取他人先進的設(shè)計思想。對自己的作品、設(shè)計(即使是已建成的),應(yīng)經(jīng)常進行深刻的反思,對每一項設(shè)計都精益求精。
參考文獻
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