結(jié)構(gòu)組合論

楊紅梅魏德永

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所無錫分部，江蘇無錫 214151; 2.哈爾濱廣瀚動(dòng)力技術(shù)發(fā)展有限公司無錫分公司，江蘇無錫 214151)

結(jié)構(gòu)組合論

楊紅梅1魏德永2

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所無錫分部，江蘇無錫 214151; 2.哈爾濱廣瀚動(dòng)力技術(shù)發(fā)展有限公司無錫分公司，江蘇無錫 214151)

歸納總結(jié)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及到的主要組合理論，并結(jié)合現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，從材料組合、構(gòu)件組合、結(jié)構(gòu)體系組合、荷載組合等方面，論述了每種組合在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的意義和必要性，以供參考。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，組合理論，荷載，剛度，延性

0 引言

不管是鋼與混凝土或者鋼與鋼筋混凝土的材料組合，是框架與剪力墻結(jié)構(gòu)體系的組合，還是承載力、剛度、延性的組合等等，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面都有著重要的作用和意義。為了更接近安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，理解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的組合理論顯得非常有必要。

1 材料組合

1)鋼筋混凝土。在19世紀(jì)早期，混凝土由于抗拉強(qiáng)度不高，主要用于重量比較大的結(jié)構(gòu)——基礎(chǔ)、橋墩以及承重墻。在19世紀(jì)中后期，一些建筑人員試驗(yàn)在相對(duì)較薄的混凝土結(jié)構(gòu)中放入鋼筋用來提高混凝土的抗拉承載力，標(biāo)志著鋼筋混凝土的出現(xiàn)［1］。鋼材具有較好的承受拉力，就像拳擊手打拳一樣，可以通過運(yùn)動(dòng)來消耗一些動(dòng)力能量，而混凝土則具有高強(qiáng)度的抗壓能力，鋼筋混凝土使得兩者共同作用，充分體現(xiàn)了混凝土的抗壓和鋼筋的受拉性能(如圖1所示)，這兩者組合形成的鋼筋混凝土梁是一種理想的受彎構(gòu)件［2］。2)鋼管混凝土柱。眾所周知，普通鋼筋混凝土柱受壓易失穩(wěn)，而鋼管混凝土柱中的混凝土在受軸心壓力時(shí)處于三向受壓狀態(tài)，使得混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度值fc可以得到大幅度提高。由于鋼管的這種套箍效應(yīng)，使得鋼管混凝土柱的承載力較普通鋼筋混凝土柱提高幅度約為30%～50%［3］。同時(shí)，從GB 50016—2014建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范的續(xù)附表可以看出，由于鋼管混凝土內(nèi)灌混凝土，鋼管混凝土比純鋼結(jié)構(gòu)的防火性能要好。3)型鋼混凝土。型鋼混凝土是近年來發(fā)展起來的一種新型的結(jié)構(gòu)體系。因其在減少結(jié)構(gòu)的斷面尺寸、降低結(jié)構(gòu)自重等方面的優(yōu)點(diǎn)，引起了工程界的廣泛關(guān)注。同時(shí)由于混凝土對(duì)型鋼的約束作用，在型鋼混凝土中的型鋼的寬厚比可較純鋼結(jié)構(gòu)適當(dāng)放寬。型鋼混凝土中的型鋼寬厚比限值見表1［3］。4)組合梁。混凝土翼板和鋼梁通過抗剪連接件組成的組合梁，利用混凝土翼板受壓，提高了截面的抗彎能力。若選擇同樣截面大小的鋼梁，由混凝土翼板形成的組合梁的跨越能力則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純鋼梁。

表1 型鋼板件寬厚比限值

2 構(gòu)件組合

構(gòu)件之間不同的組合，可以產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)形式。梁、柱鉸接，柱底剛接，我們可以得到排架結(jié)構(gòu)，其在豎向和水平荷載作用下彎矩內(nèi)力分布圖如圖2所示。當(dāng)梁柱剛接，柱底鉸接時(shí)，便成了門式剛架結(jié)構(gòu)，柱底鉸接時(shí)，施工簡單，基礎(chǔ)尺寸也比較小，此時(shí)在豎向和水平荷載作用下彎矩內(nèi)力分布如圖3所示。當(dāng)跨度較大，柱底鉸接時(shí)，剛度較小，側(cè)移較大，因此將柱底鉸接改成剛接，此時(shí)在豎向和水平荷載作用下的彎矩如圖4所示。因此結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同組合，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的荷載傳遞路徑不一樣，結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的內(nèi)力也會(huì)不一樣。

圖1 鋼筋混凝土梁截面受彎內(nèi)力分布圖

圖2 排架彎矩內(nèi)力圖

圖3 柱底鉸接門式鋼架彎矩內(nèi)力圖

圖4 柱底剛接門式鋼架彎矩內(nèi)力圖

3 結(jié)構(gòu)體系組合

框架和剪力墻在平面上不同的組合，可以形成不同的結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)結(jié)構(gòu)僅由框架梁和框架柱組成，即為框架結(jié)構(gòu)體系;當(dāng)在平面上框架結(jié)構(gòu)與一些分散的剪力墻組合，即為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系;當(dāng)平面上與框架組合的剪力墻不再是分散的，而是圍成筒狀，則形成了框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系;當(dāng)框架—核心筒的外圍框架柱距小于4 m時(shí)，則又形成了筒中筒結(jié)構(gòu)體系。這幾種結(jié)構(gòu)體系在側(cè)向剛度上越來越大，變形能力越來越強(qiáng)，從表2［3］也可以看出，這幾種結(jié)構(gòu)體系的建筑適用的高度也越來越高。

表2 A級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度限值 m

4 承載力、剛度、延性組合

由于地震的不確定性及工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)大多采用的是小震下的地震作用計(jì)算及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力抗震驗(yàn)算，然而中震或者大震下的地震作用力是小震作用下的好幾倍:例如設(shè)防烈度為7度(0.10g)的小震的水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.08，中震的水平影響系數(shù)的最大值αmax=0.23，大震的水平地震影響系數(shù)的最大值 αmax=0.50，即中震時(shí)的地震力約為小震時(shí)的3倍(0.23/0.08=2.875)，大震時(shí)的地震力約為中震的 2.2倍(0.50/0.23=2.17)。

若使大震作用下的結(jié)構(gòu)處于彈性范圍，將會(huì)使得建筑物的造價(jià)高的不可接受，業(yè)主也不會(huì)愿意付出非常高的額外費(fèi)用，來換得大震時(shí)建筑保持在彈性范圍內(nèi)［4］。因此對(duì)于大多數(shù)的結(jié)構(gòu)需要利用延性來耗散地震能量，即通過結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施來滿足“中震可修”“大震不倒”的要求(如圖5所示)，而通過彈性階段的小震計(jì)算，來滿足“小震不倒”的要求［5］。

由圖5我們可以看出，高承載力加低延性結(jié)構(gòu)的耗能能力可以與低承載力加高延性結(jié)構(gòu)的耗能能力相等。具體怎么選擇結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的性能，還是要按照具體設(shè)計(jì)需要進(jìn)行選擇。比如框支柱，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)我們一般不希望利用它屈服來耗能，所以一般按照高承載力適度延性來設(shè)計(jì)，而連梁在設(shè)計(jì)時(shí)則希望利用它屈服來耗能。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，連梁一般按照適度的承載力和高延性來設(shè)計(jì)。當(dāng)我們在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，在地震力作用效應(yīng)時(shí)，會(huì)對(duì)連梁的剛度進(jìn)行折減［3］，正是體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中也要尋求一種科學(xué)合理的剛度［6］，剛度不能過大，也不能過小。剛度過小產(chǎn)生過大的側(cè)向變形會(huì)讓人不舒服，影響使用，會(huì)使結(jié)構(gòu)構(gòu)件或者建筑裝修出現(xiàn)裂縫或者損壞，也有可能導(dǎo)致電梯軌道變形。剛度過大時(shí)，周期變短，根據(jù)地震影響系數(shù)曲線［7］可知(如圖6所示)，結(jié)構(gòu)吸收地震力將更大，結(jié)構(gòu)的承載能力會(huì)提高，但是這樣會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)升高。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需具備合適的剛度，既能保證變形在容許范圍內(nèi)，又要經(jīng)濟(jì)合理。

圖5結(jié)構(gòu)的耗能

圖6地震影響系數(shù)曲線

5 荷載組合

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中荷載應(yīng)根據(jù)使用過程中在結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載，取最不利的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)［8］。比如承載能力極限狀態(tài)的荷載基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd應(yīng)取下列公式計(jì)算的最不利值:

1)由可變荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd。

2)由永久荷載控制的效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd。

以上效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd計(jì)算公式中各個(gè)參數(shù)的含義詳見GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范第3.2.3條。

6 結(jié)語

在我們經(jīng)濟(jì)發(fā)展高速的今天，組合理論在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。本文主要論述了材料組合、構(gòu)件組合、結(jié)構(gòu)體系組合、承載力、剛度、延性組合、荷載組合在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。為了讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工，還需要加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)組合理論的理解與應(yīng)用。

［1］ ［美］詹姆斯·安布羅斯.材料力學(xué)與強(qiáng)度簡化分析［M］.北京:中國水利水電出版社，知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2006.

［2］ 彭一鋼.建筑空間組合論［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］ JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］ ［美］林同炎，［美］斯多臺(tái)斯伯利.結(jié)構(gòu)概念與體系［M］.高立人，譯.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［5］ JGJ 3—2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［6］ 徐傳亮.剛度理論在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2006.

［7］ GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］ GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

Structural combinatorial theory

Yang Hongmei1Wei Deyong2

(1.China Shipping Heavy-Industry Group 703th Research Institute Wuxi Branch Department，Wuxi 214151，China; 2.Harbin Guanghan Dynamic Technology Development Corporation Wuxi Branch Company，Wuxi 214151，China)

The thesis summarizes major combinatorial theories mentioned in structural design.Combining with current structural design regulations，starting from aspects of material composition，structural composition，structural system composition and load composition，it discusses the meaning and necessity of each combination in structural design，with a view to provide some guidance.

structural design，combinatorial theory，load，rigidity，ductility

TU398

A

1009-6825(2016)35-0051-02

2016-09-27

楊紅梅(1986-)，女，碩士