结构设计中几个概念的理解与应用

结构设计中几个概念的理解与应用

摘要：设计人员必须自己承担设计的全部责任，针对不同的设计对象、环境和使用条件，合理地选用设计程序中的数据和结果。
关键词：结构 概念 应用
        0 引言
        随着结构设计辅助程序的普及，在某些工程师设计过程中产生有一种现象—重应用而轻概念、重而轻构造。如何正确的把握概念、合理的应用概念，一定程度上决定着一个工程设计的成败。下面针对几个常遇的概念应用问题进行具体分析。 
        1 抗震设计中“强剪弱弯、强柱弱梁”不是刚柱柔梁，更不能片面的理解为：大截面、多配筋，一味地加大截面和配筋，容易把框架结构最重要的抗震原则—延性破坏，变成脆性破坏，反而更不利。 
        正确的概念是：结构在中震下允许某些构件先屈服，出现塑性铰，使结构刚度降低、塑性变形加大，当塑性铰达到一定数量时，由于结构自震周期延长，虽然结构承受的地震作用不再增加或增幅较小，但结构变形却迅速增加。为了使抗震结构能维持承载能力而又具有较大的塑性变形能力，设计时应遵循“强剪弱弯、强柱弱梁”，保证主要耗能部位具有延性的设计原则。通过控制受压区高度、最小配筋率、梁上部和下部纵筋的比例关系以及梁端箍筋配置要求来保证梁端塑性铰区有足够的转动能力；通过各种内力调整系数，来保证“强剪弱弯、强柱弱梁”，具体涵义是调整梁端负筋、箍筋、梁底纵筋与柱纵筋、箍筋的相对比例关系，使结构在地震作用下梁端塑性铰较普遍、较早出现，柱端塑性铰较少、较晚出现。通过塑性耗能，避免在较强地震作用下的结构严重损伤和更强地震作用下发生危及人身安全的局部或整体失效。在这里，梁端负筋、箍筋、梁底纵筋与柱纵筋、箍筋的之间的合理比例关系，成了决定结构在较强或更强地震作用下破坏模型的关键因素。
        2 建筑的楼面设计的活荷载合理取值 
        据《建筑结构荷载规范（2006年版）》，民用建筑的楼面活荷载及相关参数取值遵照4.1节规定，工业建筑的楼面活荷载及相关参数取值遵照4.2节规定执行。工业建筑的楼面活荷载，它的特点是没有像民用建筑的楼面活荷载那样的荷载折减系数。活荷载在传递过程中的折减，是以楼面均布活荷载在。也就是说——合理的计算步骤根据“附录C”，按照板、次梁、主梁（柱和基础）各构件来取三次相应的标准值分别计算，同时注意组合值系数和准永久值系数与民用建筑要求的区别。
        3 楼梯的荷载输入和计算模型 
        框架结构建筑中，当局部有电梯间、占总面积比例较小时，不宜做混凝土井筒，更不能用砌体承重，避免体系上的混淆。目前，一般整体设计时采用两种方式输入楼梯荷载。一种是楼梯间楼板厚度输入0，恒荷载折算后取7.0kN/m2左右，活荷载视具体使用功能而定；第二种是在半层平台梁下立小柱，此处按集中力输入荷载，比较真实地模拟了实际受力。第一种方式的问题是：楼梯间周边框架梁由三边受集中力变成四边受均布力（一边框架梁为半层平台处不受力）；因总荷载大致相等，造成了三边框架梁上荷载偏小，计算挠度和裂缝偏小；当集中荷载对梁起控制作用时，梁的斜截面抗剪计算与均布荷载下的公式不同，箍筋配置值和范围均有区别。第二种方式应注意，平台小立柱截面一般小于300mm，强度设计值应乘以强度折减系数0.8，立柱及平台梁端部应配足够的负筋，以抵抗实际存在的弯矩。立柱下主框架梁也因为小立柱的存在，使其在沿梁长方向产生弯矩、在垂直方向产生扭矩，计算中没考虑，构造应加强配筋。         4 地下连梁（地框梁）的设置 
        基础埋深较大时，常设地下连梁承底层墙的自重和减小结构层高度。为了简化，常在结构计算模型中按多一层框架梁设计，此时较易出现短柱，有几种处理方法：①形成短柱后，严格按抗震规范计算其强度配筋等，并应同时建立两个计算模型：一个是有地框梁模型，考虑地下土体实际的约束作用，模型中的二层柱之计算长度系数应为1.25～1.0之间；二是取消地框梁层计算一次，实际建筑一层柱配筋取二者包络值，并短柱箍筋全高加密，建筑一层以上楼层梁、柱配筋取有地框梁模型实配。②地下连梁下移至基础顶面，此时是基础设计中常见的基础拉梁，作用是平衡柱底弯矩。承受墙体自重，仅为了计算出图的方便而仍按多一层的框架模型考虑。此时应改变计算模型中的二层柱计算长度系数，由1.25改为1.0左右，基础连梁考虑弯矩和轴向拉力后一般构造配筋；不必理会软件提示的底层柱抗剪不足问题。③参照《建筑地基基础设计规范》第8.2.6条的高杯口基础做成高颈现浇基础，高颈至地下连梁顶处，高颈刚度大于柱刚度4倍以上（非线刚度）。此时宜按正常模型计算，一层柱底至高颈处，注意按地基规范复核高颈配筋。 
        5　轻钢人字梁混凝土排架结构的计算模型 
        当钢梁采用人字梁时，钢梁在竖向作用下，对柱产生水平推力，在竖向力和水平力综合作用下，人字钢架弯曲变形不可忽略，已不能有效传递水平作用力，此时排架柱的联系构件实质上是铰接弹簧。排架柱的计算模型为下端固接、上端弹性连接，较水平为刚性杆的排架模型变形较大，受力较难量化分析。笔者建议，尽量少采用这种结构体系；当采用时，柱宜短、梁跨宜小，每侧柱的内力计算及配筋可采用较保守的悬臂模型单独进行。 
        6　地基基础设计的作用组合 
        按照《建筑抗震设计规范（2008年版）》第4.2节要求，一般多层建筑是不需要地基及基础的抗震承载力验算的。当地基进行抗震承载力验算时，且地基持力层或下卧层为软土层时：因为确定基底面积时采用了地震作用组合，可能基底面积受其控制，在沉降计算中又不含地震作用组合，此时应复核准永久组合下的基础的沉降差值是否满足规范要求，避免在常态下基础沉降不均。 
        7　对图集手册和程序结果的合理使用 
        不要对图集、手册过分的崇拜！不可对软件结构过分依赖！图集、手册的使用节约了设计者的精力，方便了施工，也是监理、建设监管部门控制审查的依据。各种图集和手册大部分来自规范和经验，可能是比较好的解决方法，但并不是唯一的，也不一定都是完善的，甚至有些还是错的。其中的内容不是适合每个具体工程，适用错了则适得其反。因为市场化的原因，这类书籍层出不穷，既有精华也有糟粕，作为设计者，要辨证的分析利用。个人认为：“对结构体系的力学概念把握是解决问题的根本方法”，各种规范的制定也是由力学分析和实验数据而得来的具有可操作性的工具手册。规范也在不断修订完善，在合理的情况下还可以超规范设计，所以不必拘泥于某些标准图和手册，使用中要辩证的选用，去伪存真。高效能计算机的应用，能对复杂结构模型做出可靠的分析，但更需要运用结构基础知识正确的做出判断。尤其是当我们把结构开拓成综合型、新材料和更大跨度的时候更是如此。工程师在进行结构安全控制时，应遵循规范的指导，但规范或设计程序不可能取代设计人员所必需的理论知识、经验和判断力。设计人员必须自己承担设计的全部责任，针对不同的设计对象、环境和使用条件，合理地选用设计程序中的数据和结果。

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