結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本能力探析

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摘要:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是土木工程領(lǐng)域中的重要專業(yè)，設(shè)計(jì)師應(yīng)加強(qiáng)對力學(xué)基本理論和規(guī)范的理解，尤其是規(guī)范中反映的概念設(shè)計(jì)思想及力學(xué)原理，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐中不斷提高基本專業(yè)技能。針對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的基本能力進(jìn)行思考，希望為從業(yè)人員提供參考。

關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì);能力;平衡;強(qiáng)度

1對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的初步認(rèn)識

1.1結(jié)構(gòu)的總體認(rèn)識

長寬比、高寬比和抗傾覆，是方案設(shè)計(jì)中應(yīng)初步考慮的結(jié)構(gòu)因素，要將建筑物看作剛體進(jìn)行整體分析，結(jié)構(gòu)重量和使用荷載由地基承擔(dān)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)抵抗水平風(fēng)載、偶然荷載和地震、溫度等間接作用，水平作用大會產(chǎn)生傾覆問題，當(dāng)水平作用合力與支撐平面不對稱時(shí)會發(fā)生扭轉(zhuǎn)。整體布局越不規(guī)則，抗傾覆、抗扭轉(zhuǎn)等問題就越突出。

1.2構(gòu)件類型與受力特征相關(guān)

構(gòu)件分為梁柱等線形構(gòu)件、墻板等面形構(gòu)件和獨(dú)立基礎(chǔ)、擋土墻等實(shí)體構(gòu)件，構(gòu)件多為線形和面形，尤其是一維線形構(gòu)件結(jié)構(gòu)可通過結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行分析，是結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，構(gòu)件中力的合成、分解和傳遞是設(shè)計(jì)人員的基本功，力向截面形心簡化為主矢和主矩，在三個(gè)坐標(biāo)軸上可分解成六個(gè)分量，對截面而言，構(gòu)成兩垂直剪力、一扭矩、兩垂直彎矩(平面內(nèi)外)和一軸力，平面內(nèi)彎矩為一對上下方向的水平力，平面外彎矩為一對前后反向的水平力，扭矩為一對反向的剪力，分解后的這些力，在不同位置再合成，取極限后即為各處不同方位的應(yīng)力狀態(tài)，并通過本構(gòu)關(guān)系表現(xiàn)為應(yīng)變狀態(tài)。起控制作用位置的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其中壓應(yīng)力應(yīng)避免失穩(wěn)，注意應(yīng)力下的變形控制。

1.3結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分析

作用在物體上的外力分為表面力和體積力，即面力和體力，外力引起內(nèi)力和變形。內(nèi)力效應(yīng)微觀表現(xiàn)為布滿各方位截面各點(diǎn)正應(yīng)力和剪應(yīng)力效應(yīng)總和及伴隨的應(yīng)變。應(yīng)力應(yīng)變的控制體現(xiàn)在截面的強(qiáng)度、構(gòu)件的剛度上。應(yīng)變是體積尺寸變化(因正應(yīng)力而發(fā)生的正應(yīng)變)和形狀改變(因剪應(yīng)力而發(fā)生的剪應(yīng)變)的綜合，是變形程度的度量，通過本構(gòu)關(guān)系反映應(yīng)力。結(jié)構(gòu)要將彈性變形控制在可接受程度內(nèi)，部分構(gòu)件在一定程度和范圍可進(jìn)入塑性變形，以防止脆斷、嚴(yán)重破壞和倒塌等，材料延性起到耗能作用。彈性、彈塑性和塑性變形是構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在各種效應(yīng)下的變形發(fā)展過程，靜定結(jié)構(gòu)無法承擔(dān)這個(gè)發(fā)展過程，合適的超靜定結(jié)構(gòu)能使結(jié)構(gòu)始終持續(xù)保持平衡。

1.4效應(yīng)和構(gòu)造分析

豎向荷載二階效應(yīng)和水平荷載是結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜和不利因素，結(jié)構(gòu)約束位置和約束程度是結(jié)構(gòu)抗力的有利因素，但本質(zhì)上都要滿足平衡、幾何、本構(gòu)關(guān)系及邊界條件，按力學(xué)原則構(gòu)造。結(jié)構(gòu)分析先著眼于起基本決定性作用的靜定構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上不斷增加分布合理的約束構(gòu)建超靜定實(shí)際結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)約束均非一成不變的保持其約束性質(zhì)，隨外效應(yīng)的多變性、復(fù)雜性而變化，約束失效能否打破結(jié)構(gòu)平衡，將影響結(jié)構(gòu)安全，必要約束不能失效，其他約束失效要控制在合理范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)約束布置合理，荷載有合理傳遞和被選路徑，這樣超靜定結(jié)構(gòu)在各種作用下，依然保持幾何不變性，就不會發(fā)生結(jié)構(gòu)整體傾覆和穩(wěn)定失效等問題。

2對承載能力的理解

持久設(shè)計(jì)狀況和施工等短暫設(shè)計(jì)狀況下，承載能力與結(jié)構(gòu)效應(yīng)反映在平衡基礎(chǔ)上的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定上，表現(xiàn)力的平衡、變形的協(xié)調(diào)和力與變形間的本構(gòu)關(guān)系上。強(qiáng)度是抵抗截面破壞能力，避免脆性破壞的關(guān)鍵，剛度是結(jié)構(gòu)和桿件抵抗變形的能力和控制變形的關(guān)鍵，穩(wěn)定性是構(gòu)件和結(jié)構(gòu)保持平衡穩(wěn)定不變性的能力。構(gòu)件和結(jié)構(gòu)要滿足承載能力極限狀態(tài)，還要滿足正常使用的極限狀態(tài)。對地震設(shè)計(jì)狀況和偶然設(shè)計(jì)狀況，地震、偶然作用、風(fēng)荷載等會打破持久平衡而失穩(wěn)，或者引發(fā)變形能力過差(延性差)，引發(fā)連續(xù)性倒塌。結(jié)構(gòu)具有的強(qiáng)度、剛度體現(xiàn)在其質(zhì)量性質(zhì)、分布和構(gòu)件連接構(gòu)造上，反映了材料屬性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造與荷載分布的關(guān)系。抗震設(shè)計(jì)應(yīng)靠延性消能減震，避免共振，避免結(jié)構(gòu)的自振周期與土的卓越周期相等或相近。延性要求必不可少，因?yàn)榈卣馉顩r下變形較大，這就需要一些構(gòu)件能適應(yīng)大變形能力，具有延性。剛度和延性深刻影響著結(jié)構(gòu)的合理性。結(jié)構(gòu)承載力是強(qiáng)度充分發(fā)揮、剛度適度、延性部位能預(yù)估并發(fā)揮調(diào)整剛度分布、減輕震害作用，使結(jié)構(gòu)在不同工況下都有合理的承載力分布，荷載效應(yīng)的組合也應(yīng)根據(jù)不同的目標(biāo)需要進(jìn)行不同的代表值組合，如基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合。結(jié)構(gòu)應(yīng)在承載力基本沒降低時(shí)，有足夠剛度保持平面內(nèi)外穩(wěn)定，以耗能方式通過非線性變形使結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載或慣性力下依然處于平衡。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步方案的基本要求

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用容易淡化結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，荷載、抗震、各類結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范等構(gòu)成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)體系，這些標(biāo)準(zhǔn)相互補(bǔ)充，有豐富的概念設(shè)計(jì)內(nèi)容，需要熟悉和掌握，以設(shè)計(jì)出真實(shí)反映結(jié)構(gòu)本質(zhì)的建筑，主要應(yīng)注意的要點(diǎn)是:第一，結(jié)構(gòu)在外荷載(包括溫度、偶然作用等)和地震作用下應(yīng)有明確的作用(荷載)的連續(xù)、直接的傳遞路徑。平面、立面布置的質(zhì)量、剛度、承載能力分布應(yīng)有規(guī)則性、對稱性和均勻性;場地、地基、基礎(chǔ)、各構(gòu)件和上部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的變形協(xié)調(diào)性、平穩(wěn)過渡性;好的方案布置是體型規(guī)則、傳力簡捷、儲備充裕、穩(wěn)定合理、適應(yīng)多變效應(yīng)作用的超靜定穩(wěn)定的平衡方案。第二，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和延性關(guān)系合理，有針對局部抗風(fēng)、抗暴和整體抗震、抗火性能，強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，延性是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的保障，而剛度是結(jié)構(gòu)彈性階段設(shè)計(jì)的核心。靜載穩(wěn)定承載力和抗震能力融為一體，結(jié)構(gòu)剛?cè)岵?jì)提供適宜延性和必要?jiǎng)偠龋从沉藦?qiáng)度、剛度和延性的相互融合。第三，抗震中的多遇、設(shè)防、罕遇和極罕遇四級地震，貫穿著彈性設(shè)計(jì)和彈塑性設(shè)計(jì)各階段，一階分析和二階分析，采取主次不同、順序不同又關(guān)聯(lián)的多道設(shè)防，以剛為基礎(chǔ)、以柔為補(bǔ)充，著眼結(jié)構(gòu)整體性、連續(xù)性和承載力不降低、剛度可調(diào)整并發(fā)揮延性消能。內(nèi)力和變形各階段是一個(gè)相互銜接的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程，是內(nèi)效應(yīng)重分布的過程。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的效應(yīng)與抗力、剛度與延性、靜與動(dòng)、線性與非線性、必然與偶然、必備與儲備的合理關(guān)系，應(yīng)在結(jié)構(gòu)體系中具有靜效應(yīng)反應(yīng)合理直接、內(nèi)力重分布平穩(wěn)、必要的承載力、適宜的剛度和合理的延性、強(qiáng)化薄弱部位，確保整體穩(wěn)定性，防止意外倒塌，對概念設(shè)計(jì)進(jìn)行探索。

4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的能力要求

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證各設(shè)計(jì)狀況的承載能力，還應(yīng)有抗高溫、抗暴、耐久以及抗疲勞性能等，這些性能和分析對結(jié)構(gòu)很重要，筆者側(cè)重于分析結(jié)構(gòu)各種狀況和性能的安全承載能力，主要體現(xiàn)在把握結(jié)構(gòu)的功能目標(biāo)和前提———安全并正常使用、耐久，在安全性方面，結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)滿足材料力學(xué)的連續(xù)性、均勻性和各向同性假設(shè)和小變形假設(shè)，這些假設(shè)實(shí)際上給出了力學(xué)、物理和幾何線性方面的保證。力學(xué)和彈性、彈塑性力學(xué)的基本方程和力法、位移法等解析解法和有限元等數(shù)值方法，這是結(jié)構(gòu)安全需要滿足的理論前提，也是工程師需要掌握的基本功。

5結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)博大精深，目前計(jì)算機(jī)軟件廣泛應(yīng)用，但部分設(shè)計(jì)師對結(jié)構(gòu)基本概念的重視程度不足，這會將風(fēng)險(xiǎn)帶到具體設(shè)計(jì)工作中，本文旨在促進(jìn)工作人員的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐應(yīng)用。

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作者:賈雪 單位:吉林省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院