淺談結構力學在結構設計中的體現

李榮軼 楊 磊

結構力學是固體力學的一個分支,它主要研究工程結構受力和傳力的規律以及如何進行結構優化的學科。所謂工程結構是指能夠承受和傳遞外載荷的系統,包括桿、板、殼以及它們的組合體,如橋梁、屋架和承重墻等。

計算機的發展,為結構力學提供了有力的計算工具,另一方面,結構力學對數學及其他學科的發展也起了推動作用。有限元法這一數學方法的出現和發展就與結構力學的研究有密切關系。

1 結構力學的重要性

結構計算簡圖的選擇經歷一個復雜的過程,需要力學知識、結構知識、工程實踐經驗和洞察力,經過科學抽象、實驗論證,根據實際受力、變形規律等主要因素,對結構進行合理簡化。

結構設計是先有“設想”后有“計算”,“設想”是建立在定性分析的基礎上。力學始于定性分析,終于定量分析;定性分析在先,定量分析在后;定性失準,定量準偏。在進行工程設計和處理工程實際問題時,需要設計人員對結構的合理形式以及相應的結構變形和內力等具有總體概念和定性分析能力,還需要具有對工程中計算的數據、發生的現象和出現的問題能夠做出迅速科學判斷的能力,這就是所謂概念設計和概念分析理念。

結構力學是一切工程進行設計的基礎。在實際工程中都是將工程實踐中的實際問題抽象為相應的力學計算公式進行求解;作為工程技術設計人員應該掌握工程結構的基本理論和實用設計方法,具備根據建筑工程項目的特點、性質、功能和業主的要求正確、合理地進行工程結構設計的基本能力。

2 在古建筑中的應用

中國以木結構為主體的古建筑,在世界建筑之林中獨樹一幟。木結構以木構為骨、磚石為體、結瓦為蓋、油飾彩繪為衣,經歷代能工巧匠精心設計,巧妙施工,潛心裝飾,付諸心血和智慧建造而成,體現出東方古典建筑獨有的藝術魅力和中國古建筑木結構的歷史性、藝術性和科學性。

巧妙而科學的框架式結構是中國古代建筑在建筑結構上最重要的一個特征。因為中國古代建筑主要是木構架結構,即采用木柱、木梁構成房屋的框架,屋頂與房檐的重量通過梁架傳遞到立柱上,墻壁只起隔斷的作用,而不是承擔房屋重量的結構部分。“墻倒屋不塌”這句古老的諺語,概括地指出了中國建筑這種框架結構最重要的特點。這種結構,可以使房屋在不同氣候條件下,滿足生活和生產所提出的千變萬化的功能要求。同時,由于房屋的墻壁不負荷重量,門窗設置有極大的靈活性。此外,由這種框架式木結構形成了過去宮殿、寺廟及其他高級建筑才有的一種獨特構件,即屋檐下的一束束“斗拱”。它是由斗形木塊和弓形的橫木組成,縱橫交錯,逐層向外挑出,形成上大下小的托座。這種構件既有支承荷載梁架的作用,又有裝飾作用。只是到了明清以后,由于結構簡化,將梁直接放在柱上,致使斗拱的結構作用幾乎完全消失,變成了純粹的裝飾品。

中國古建筑木結構在力學上的特點主要有:1)受力體系明確。中國古建筑保持構架制原則,以立柱和縱橫梁枋組合成各種形式的梁架,使建筑物上部荷載經由梁架、立柱傳遞至基礎。墻壁只起圍護、分隔的作用,不承受荷載。2)創造斗拱結構形式,構造合理。用縱橫相疊的短木和斗形方木相疊而成的向外懸挑的斗拱,本是立柱和橫梁間的過渡構件,還逐漸發展成為上下層柱網之間或柱網與屋頂梁架之間的整體構造層,這是中國古代木結構構造的巧妙形式。

3 在異形柱結構體系中的應用

異形柱結構體系是指采用輕質填充墻及隔墻的現澆鋼筋混凝土異形柱框架及異形柱框架—剪力墻結構體系。柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2～4之間,相對于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻,常用的有“L”形、“T”形、“十”字形。

異形柱結構體系這一新型住宅結構形式能較好地滿足現代住宅建筑的要求,可避免框架柱在室內凸出,少占建筑空間,改善建筑觀瞻,為建筑設計及使用功能帶來靈活性和方便性,因而逐步得到推廣應用。

由于其截面的特殊性,在柱截面對稱軸內受水平力作用時,彈性分析計算其翹曲應力很小,此時如同承受水平力的偏壓構件,仍可按平截面假定分析,按混凝土設計規范計算,特別是在框—剪,框—筒結構中,對6度及其以下烈度區的Ⅰ,Ⅱ類場地,框架柱只承擔水平風載的一小部分,如按一般偏壓柱計算,誤差較小。此時異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進行整體分析。而在水平力較大,且水平力作用在非主軸方向,則翹曲應力不容忽視,按平截面假定誤差較大,則應對異形柱框架結構進行有限元分析,決定內力和配筋位置及大小。在進行內力計算和配筋計算時,宜選用帶有異形柱計算功能的計算軟件。

采用異形柱的框架結構、框架—剪力墻結構,其整體變形與普通矩形截面柱接近,與相同截面積的矩形柱比較,異形柱自身剛度大,因而異形柱結構體系整體剛度增大,側移減少。另外雖然結構的自振周期變短,水平地震作用加大,但結構的整體剛性好,抗震性能不會降低太多。

4 在基坑支護中的應用

目前,深基坑支護結構的設計計算仍基于極限平衡理論,但支護結構的實際受力并不那么簡單。

基坑支護結構設計計算方法主要有極限平衡法、土抗力法和有限元分析法3類。目前土抗力法中的彈性地基反力法的應用日益廣泛。我國JGJ 120-99建筑基坑支護技術規程推薦彈性支點法。該方法取計算寬度的圍護墻作為豎直放置的彈性地基梁,支撐(或錨桿)簡化為彈簧,基坑外側的主動土壓力呈梯形分布;坑內側的土體用剛度系數為常量的土彈簧模擬,在線性共同作用彈性地基反力法中,基坑內、外側的土體均用剛度系數為定值的土彈簧模擬,彈性支點法和線性共同作用彈性地基反力法對工程實際都作了較大的簡化,特別是對地基土的水平基床系數過于簡化,僅考慮其隨深度的變化,而沒有考慮隨圍護墻水平位移的變化。實際工程中,土體與基坑支護結構是一個相互作用的體系,土抗力與支護結構位移的關系是非線性的。

高層建筑的飛速發展給深基坑支護結構帶來一場技術革命。在鋼板樁、鋼筋混凝土板樁、鉆孔灌注樁擋墻、地下連續墻等支護結構成功應用后,雙排樁、土釘、組合拱帷幕、旋噴土錨、預應力鋼筋混凝土多孔板等新的支護結構形式也相繼問世。但是,這些支護結構形式的計算模型如何建立、計算簡圖怎樣選取、設計方法如何趨于科學,仍是當前新型支護結構設計中急需解決的問題。

5 結語

我們知道,結構內力計算始終圍繞著平衡這一主題展開,在荷載作用下,結構的整體和局部都要維持平衡,局部平衡是以局部以外構件對局部施加約束構成的。在實際工程中都是將實際結構作適當地簡化,忽略次要因素,顯示其基本的特點。合理地選取結構的計算簡圖是結構計算中的一項極其重要而又必須首先解決的問題。在對結構進行內力估算時,可取需要計算的部分為研究對象,其余部分對研究部分的約束作用可以用支座來表示。

結構計算簡圖的選擇經歷一個復雜的過程,需要力學知識、結構知識、工程實踐經驗和洞察力,經過科學抽象、實驗論證,根據實際受力、變形規律等主要因素,對結構進行合理簡化。它不僅與結構的種類、功能有關,而且與作用在結構上的荷載、計算精度要求、結構構件的剛度比、安裝順序、實際運營狀態及其他指標有關。計算簡圖的選擇可能因計算狀態(是考慮強度或剛度,計算穩定或振動,還是鋼筋混凝土抗裂驗算)而異,也依賴于所要采用的計算理論和計算方法,方能完成結構構件線性或非線性的應力和應變狀態分析。

我們研究結構力學的任務是研究工程結構在外載荷作用下的應力、應變和位移等的規律;分析不同形式和不同材料的工程結構,為工程設計提供分析方法和計算公式;確定工程結構承受和傳遞外力的能力;研究和發展新型工程結構。

[1]JCJ 120-99,建筑基坑支護技術規程[S].

[2]DBJ/T 15-20-97,建筑基坑支護工程技術規程[S].

[3]雷鐘和.結構力學解疑[M].北京:清華大學出版社,2001.

[4]曹漢杰,王偉霞.基坑支護的綜合應用[J].山西建筑,2008,34(12):131-132.