結構組合論

楊紅梅魏德永

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

結構組合論

楊紅梅1魏德永2

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

歸納總結了結構設計中涉及到的主要組合理論，并結合現行的結構設計規范，從材料組合、構件組合、結構體系組合、荷載組合等方面，論述了每種組合在結構設計中的意義和必要性，以供參考。

結構設計，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，是框架與剪力墻結構體系的組合，還是承載力、剛度、延性的組合等等，在結構設計方面都有著重要的作用和意義。為了更接近安全適用、技術先進、經濟合理、方便施工的結構設計目標，理解結構設計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世紀早期，混凝土由于抗拉強度不高，主要用于重量比較大的結構——基礎、橋墩以及承重墻。在19世紀中后期，一些建筑人員試驗在相對較薄的混凝土結構中放入鋼筋用來提高混凝土的抗拉承載力，標志著鋼筋混凝土的出現［1］。鋼材具有較好的承受拉力，就像拳擊手打拳一樣，可以通過運動來消耗一些動力能量，而混凝土則具有高強度的抗壓能力，鋼筋混凝土使得兩者共同作用，充分體現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，而鋼管混凝土柱中的混凝土在受軸心壓力時處于三向受壓狀態，使得混凝土抗壓設計強度值fc可以得到大幅度提高。由于鋼管的這種套箍效應，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，從GB 50016—2014建筑設計防火規范的續附表可以看出，由于鋼管混凝土內灌混凝土，鋼管混凝土比純鋼結構的防火性能要好。3)型鋼混凝土。型鋼混凝土是近年來發展起來的一種新型的結構體系。因其在減少結構的斷面尺寸、降低結構自重等方面的優點，引起了工程界的廣泛關注。同時由于混凝土對型鋼的約束作用，在型鋼混凝土中的型鋼的寬厚比可較純鋼結構適當放寬。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遠大于純鋼梁。

表1 型鋼板件寬厚比限值

2 構件組合

構件之間不同的組合，可以產生不同的結構形式。梁、柱鉸接，柱底剛接，我們可以得到排架結構，其在豎向和水平荷載作用下彎矩內力分布圖如圖2所示。當梁柱剛接，柱底鉸接時，便成了門式剛架結構，柱底鉸接時，施工簡單，基礎尺寸也比較小，此時在豎向和水平荷載作用下彎矩內力分布如圖3所示。當跨度較大，柱底鉸接時，剛度較小，側移較大，因此將柱底鉸接改成剛接，此時在豎向和水平荷載作用下的彎矩如圖4所示。因此結構構件的不同組合，將導致結構的荷載傳遞路徑不一樣，結構構件產生的內力也會不一樣。

圖1 鋼筋混凝土梁截面受彎內力分布圖

圖2 排架彎矩內力圖

圖3 柱底鉸接門式鋼架彎矩內力圖

圖4 柱底剛接門式鋼架彎矩內力圖

3 結構體系組合

框架和剪力墻在平面上不同的組合，可以形成不同的結構體系。當結構僅由框架梁和框架柱組成，即為框架結構體系;當在平面上框架結構與一些分散的剪力墻組合，即為框架—剪力墻結構體系;當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—核心筒結構體系;當框架—核心筒的外圍框架柱距小于4 m時，則又形成了筒中筒結構體系。這幾種結構體系在側向剛度上越來越大，變形能力越來越強，從表2［3］也可以看出，這幾種結構體系的建筑適用的高度也越來越高。

表2 A級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構設計時大多采用的是小震下的地震作用計算及結構構件的承載力抗震驗算，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:例如設防烈度為7度(0.10g)的小震的水平地震影響系數最大值αmax=0.08，中震的水平影響系數的最大值αmax=0.23，大震的水平地震影響系數的最大值 αmax=0.50，即中震時的地震力約為小震時的3倍(0.23/0.08=2.875)，大震時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構處于彈性范圍，將會使得建筑物的造價高的不可接受，業主也不會愿意付出非常高的額外費用，來換得大震時建筑保持在彈性范圍內［4］。因此對于大多數的結構需要利用延性來耗散地震能量，即通過結構概念設計和抗震構造措施來滿足“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構的耗能能力可以與低承載力加高延性結構的耗能能力相等。具體怎么選擇結構及構件的性能，還是要按照具體設計需要進行選擇。比如框支柱，結構設計時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計，而連梁在設計時則希望利用它屈服來耗能。所以結構設計時，連梁一般按照適度的承載力和高延性來設計。當我們在結構計算時，在地震力作用效應時，會對連梁的剛度進行折減［3］，正是體現了這一點。

同時在結構設計過程中也要尋求一種科學合理的剛度［6］，剛度不能過大，也不能過小。剛度過小產生過大的側向變形會讓人不舒服，影響使用，會使結構構件或者建筑裝修出現裂縫或者損壞，也有可能導致電梯軌道變形。剛度過大時，周期變短，根據地震影響系數曲線［7］可知(如圖6所示)，結構吸收地震力將更大，結構的承載能力會提高，但是這樣會導致工程造價升高。因此，結構設計需具備合適的剛度，既能保證變形在容許范圍內，又要經濟合理。

圖5結構的耗能

圖6地震影響系數曲線

5 荷載組合

結構設計中荷載應根據使用過程中在結構上可能同時出現的荷載，取最不利的組合進行設計［8］。比如承載能力極限狀態的荷載基本組合的效應設計值Sd應取下列公式計算的最不利值:

1)由可變荷載控制的效應設計值Sd。

2)由永久荷載控制的效應設計值Sd。

以上效應設計值Sd計算公式中各個參數的含義詳見GB 50009—2012建筑結構荷載規范第3.2.3條。

6 結語

在我們經濟發展高速的今天，組合理論在結構設計中應用廣泛。本文主要論述了材料組合、構件組合、結構體系組合、承載力、剛度、延性組合、荷載組合在結構設計中的應用。為了讓結構設計更安全適用、技術先進、經濟合理、方便施工，還需要加強對結構組合理論的理解與應用。

［1］ ［美］詹姆斯·安布羅斯.材料力學與強度簡化分析［M］.北京:中國水利水電出版社，知識產權出版社，2006.

［2］ 彭一鋼.建筑空間組合論［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［3］ JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構設計技術規程［S］.

［4］ ［美］林同炎，［美］斯多臺斯伯利.結構概念與體系［M］.高立人，譯.第2版.北京:中國建筑工業出版社，1999.

［5］ JGJ 3—2002，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［6］ 徐傳亮.剛度理論在工程結構設計中的應用［D］.上海:同濟大學，2006.

［7］ GB 50011—2010，建筑抗震設計規范［S］.

［8］ GB 50009—2012，建筑結構荷載規范［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