结构设计本质的另一种阐述.docx

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结构设计本质的另一种阐述

2结构设计本质的另一种阐述

结构设计的本质是变形协调，控制好了变形亦做到了变形协调。

竖向位移、水平位移、转角都可看做是一种变形，抗震设计中的几种分析方法也与变形有关，人为规定“加速度变形”，再做一些简化，最后在规定的“变形”和简化的基础上求“速度变形”、“位移变形”和力。

基础设计时选取的地基计算模型也是一种变形，在设计基础时，可以采用不同的地基计算模型取包络设计，下面将从5个方面分析变形与变形协调。

2.1结构的布置要花最小的代价让变形合理

2.1.1.剪力墙布置在结构外围

水平荷载作用在结构上时，F1.H=F2.D,抗倾覆力臂D越大，F2越小，于是竖向相对位移差越小，反之，如果竖向相对位移差越大，则可能会导致剪力墙或连梁超筋。

剪力墙布置在外围，整个结构抗扭刚度很大，反之，如果不布置在外围，则可能会导致位移比、周期比等不满足规范要求。

如图2-1所示：

图2-1倾覆力矩由竖向支承力形成的力偶抵抗

2.1.2.梁的布置应使力均匀分配

梁的布置应使力合理分配，把力比较均匀的分配到每根梁上，“强者多劳“，控制好变形与变形协调。

在实际设计中，可以参考以下5点：

1.在满足建筑的前提下，梁要沿着跨数多的方向单向布置而不是双向布置，双向布置只是为了分流一部分力，在挠度不好控制时才考虑。

单向布置传力途径短，比较经济，沿着跨数多的方向单向布置，传力途径短且变形小。

某框架结构采用以上原则布置次梁，如图2-2所示：

图2-2次梁的平面布置图

（1）

2.当柱网尺寸比较大，比如8m×8m，荷载也比较大时（有覆土荷载），此时应沿着跨数多的方向布置2道或者多道次梁，使得梁、板楼盖体系刚度增大，竖向变形减小，如图2-3所示：

图2-3次梁的平面布置图

（2）

3.当支撑次梁的主梁刚度与强度不满足时，可在横向方向布置次梁，让变形更协调些。

如图2-4所示：

图2-4次梁的平面布置图

（2）

4.对于单块板，当开间为方形时，次梁的布置要均匀，使得变形更协调。

若跨度不大（小于6m），荷载不大时，可以沿任意方向布置一道次梁，当跨度在8m左右，荷载不大时，可以布置十字梁，当跨度在8m左右，荷载比较大时（比如有覆土），可以布置井字梁，当跨度大于8m，荷载比较大时，可以布置双向密肋梁，如图2-5所示：

图2-5当开间为方形时次梁的平面布置图

5.对于单块板，当柱网为矩形且荷载较大时，应遵循“强者多劳”这条原则，使次梁落在跨度小的主梁上，这样布置，主梁受力更均匀。

如图2-6所示，柱网尺寸8m×6m，次梁按（a）布置要比（b）布置好。

（a）（b）

图2-6次梁的平面布置图（4）

当荷载不大时，主梁的刚度和强度易满足要求，次梁按右边的方法布置时传力路径要比左边短，所以次梁按（b）布置要比（a）布置好。

2.1.3凝土构件要从上到下贯通受压

混凝土受压时变形小，而受拉、受弯、受扭时变形大。

偏心受压可简化为轴心受压加弯矩M，多了一个弯曲变形，如图2-7所示，从上到下贯通受压，传力直接而且变形小。

图2-7混凝土构件偏心受压时的简化示意图

2.1.4加大框架结构外围梁高

框架结构中，加大外围框架的梁高，能增大整个结构的刚度。

加大外围框架梁高，柱的反弯点下移，水平荷载作用在柱子时，柱子水平位移减小。

当梁柱刚度比为1：

1时，反弯点大约在柱高的3/4处。

当柱底完全固接，梁的刚度能约束柱顶的全部转动时，柱的反弯点在1/2柱高处，如图2-8所示：

图2-8梁高不同时柱反弯点变化示意图

2.1.5结构对称布置

结构对称布置时，质心与刚心偏心距小，于是在水平荷载作用时的扭转角θ小，反之，扭转角θ大，可能会导致超筋，位移比、周期比等不满足规范要求。

如图2-9所示，当墙不

对称布置时，结构的扭转角θ2比对称布置时扭转角θ1要大。

图2-9结构布置不同时的扭转变形示意图

当结构扭转变形比较大时，应加强扭转变形大那一侧梁的高度或宽度，墙、柱的截面，使得扭转变形变小。

2.1.6设缝

平面不规则处，变形大，做到变形协调要花很大的代价，不如脱开来得经济，也可以抗，比如加大柱截面，墙截面、梁截面，加强配筋等。

2.1.7加强层变形突变

加强层变形曲线有突变，缓解的办法是减弱加强层或者逐步加强其下两层。

图2-10、

2-11分别是一带地下室的转换高层的“最大反应力曲线图”和“最大层间位移角曲线图”，转换层号是4，可以看到曲线图在转换层有明显突变：

图2-10最大反应力曲线图

图2-11最大层间位移角曲线图

2.1.8在内力传递到结构基础之前，使内力形成自己平衡体系

梁两端有悬挑梁（0.25~0.3）L或悬挑板，新增悬挑杆件产生的内力能平衡一部分原构件中的内力，于是原构件跨中变形减小，如图2-12所示：

图2-12普通梁与带悬挑构件梁的变形示意图

梁布置成拱形时会产生水平推力F1，F1会平衡一部分F在构件中产生的竖向变形，所以在外荷载作用时的竖向变形要比不布置成拱形时要小，如图2-13所示，虚线为变形后的形状：

图2-13普通梁与拱形梁在竖向荷载作用下的变形示意图

混凝土梁在竖向荷载作用下跨中截面底部受拉，若提前施加预应力（使混凝土受压），当预应力梁受到竖向荷载作用时，能平衡一部分竖向荷载产生的拉应力，于是预应力梁跨中变形减小，刚度增大。

2.2对超筋的理解和分析

超筋是因为结构或构件位移或相对位移大，位移有水平位移∆1，竖向位移∆2、转角θ，下面将从以下几个方面谈谈超筋。

2.2.1梁、墙超筋

当梁跨中竖向位移∆2大、梁扭转角θ大，墙偏心距e大时,构件弯矩M也大，导致超筋。

变形大可能是构件本身刚度小，也可能是力大、变形不协调，如图2-14所示：

图2-14梁跨中竖向位移∆2大、梁扭转角θ大，墙偏心距e大时超筋示意图

2.2.2结构扭转变形大引起超筋

当结构扭转变形大时，转角θ也大，于是弯矩M大，导致超筋，如图2-15所示：

图2-15结构扭转变形过大引起超筋示意图

2.2.3竖向相对位过大引起超筋

在水平力作用时，F1.H=F2.D,D为抗倾覆力臂,当结构竖向相对位移∆2大时，剪力墙或连梁弯矩M也大，引起超筋，如图2-16所示：

图2-16结构竖向相对位移∆2大引起超筋示意图

2.3相关联的8个控制指标

2.3.1层间位移角

层间位移角不满足规范要求时大多情况是因为结构或构件竖向弯曲变形大。

剪力墙，柱子一般都是从下到上贯通布置，层间位移角不满足规范要求是因为侧向刚度小，应加大该方向构件的截面，其目的是减小竖向弯曲变形。

当竖向弯曲变形大时，弯矩、剪力也大，可能导致构件超筋等。

2.3.2位移比

位移比考察结构实际扭转效应，限制结构实际的扭转值，位移比不满足规范要求时是因为结构或构件水平扭转变形大，于是扭转角θ大，易导致超筋等。

2.3.3周期比

周期比最好是平平扭。

要满足规范对周期比的要求，则扭转周期要小，即扭转刚度要大，墙要向外围布置或平动周期大。

由周期比的公式可知，周期比其实是控制振型的频率比，第一平动振型的频率与第一扭转振型的频率越接近，整个结构扭转变形可能会越大。

2.3.4其它指标

其它指标包括剪重比、刚度比、刚重比、受剪承载力比、周期比，它们与层间位移角，位移比，周期比其实是统一的。

当结构布置规则、均匀、外围时，整个结构变形小，一般都能满足规范要求。

2.4控制大跨度结构的变形

2.4.1预应力结构

预应力结构的刚度是一个相对刚度，混凝土梁在竖向荷载作用时，跨中截面底部受拉，若提前施加预应力（使混凝土受压），当预应力梁受到竖向荷载作用时，能平衡一部分竖向

荷载产生的拉应力，于是预应力梁跨中竖向位移∆2减小，刚度增大，能用在更大的跨度上。

2.4.2空心楼盖

材料离中和轴越远，刚度越大。

空心楼盖在自重增加不大的情况下，刚度增大很多，变形减小，所以能用在更大的跨度上。

2.5从变形的角度理解抗震计算方法与基础计算模型

2.5.1抗震计算模型

抗震设计中的几种分析方法可以看做是人为先规定“加速度变形”，再做一些简化，最后在规定的“变形”和简化的基础上求“速度变形”、“位移变形”和力。

时程分析与中震分析，这两种分析方法都是“小震弹性分析”的一种补充验算，时程函数、反应谱函数都是人为规定的一种“变形”，再在变形的基础上求力和位移。

2.5.2基础计算模型

基础设计就是力作用在基础上，地基来承受，产生变形的过程。

基础设计时选取的地基计算模型也是一种变形，在设计基础时，可以采用不同的地基计算模型取包络设计。

2.6小结

要想成为一名优秀的结构工程师，应把规范上的一些条条框框变成自己的东西，要知其然也要知其所以然，并能理解做结构设计是一个相对、统一的过程。

要想做设计时心中有底，就要知道有哪些力作用在结构或构件上，计算方法是什么，结构或构件的变形是怎样，碰到复杂的工程时，要从计算简化、程序计算、规范规定三方面着手。