探讨建筑结构概念设计刚度控制

󰀁文章编号󰀂:1672-4011(2007)03-0232-02

探讨建筑结构概念设计刚度控制

张兆成

(江门市建筑设计工程公司)

󰀁摘 要󰀂:本文针对结构设计中存在的承载能力要求和变形要求分割的现象,论述了刚度对荷载和内力的影响,提出了设计理念,仅供同行参考。

󰀁关键词󰀂:概念设计;荷载;建筑结构

󰀁中图分类号󰀂:TU32/399 󰀁文献标识码󰀂:B

会对风荷载的大小产生影响,刚度越大,风荷载越小。1󰀁1󰀁3 刚度对地震作用的影响

地震作用是由质点受迫震动而引发的惯性力,因此,地震作用的大小和建筑物的质量、动力性能都有密切的联系一方面,如前所述,刚度越大,往往要求用比较多的材料,使建筑物的质量越大;另一方面,刚度越大,结构自振周期越小,地震影响系数往往会较大。

因此,结构刚度会影响到地震作用的大小。通常情况下,刚度越大,地震作用也就越大。1󰀁1󰀁4 刚度对其它作用的影响

绝大多数建筑物都是属于超静定结构,温度变化、地基变形、混凝土收缩等因素作用在超静定结构上会引起内力,这主要是由上述变形被约束,从而引起内力。刚度越大,约束也就越强,上述作用也就会越大。综上所述,结构或构件刚度会对很多荷载、作用的大小产生影响。一般来说,除风荷载外,刚度越大,荷载和作用也就越大;而风荷载通常是刚度越大,荷载越小。

1󰀁2 刚度对内力的影响

一方面,刚度对荷载和作用产生影响,也必然会对构件的内力产生影响;另一方面,结构中力的平衡、变形的协调以及由此产生的构件内力都是通过构件自身的刚度以及连接构件之间的相对刚度的大小来体现的。换言之,结构和构件的刚度都会直接影响到构件的内力大小和分布情况。

1󰀁2󰀁1 结构整体刚度对内力的影响

结构的整体刚度会对内力产生直接的影响。例如:建筑物基础的刚度大小会影响到是否满足嵌固端假定,从而影响到基础自身和上部结构的内力分布;上部结构平面布置时,刚度是否均匀会影响到是否产生扭转效应;上部结构沿高度的刚度分布情况会影响到是否有薄弱层的存在;楼盖的刚度会影响到各抗侧力构件的内力分配等等。1󰀁2󰀁2 构件刚度对内力的影响

在板式构件中,荷载的传递方式取决于板的两个方向刚度比值,即两方向的刚度相等或相近,荷载沿双向传递,相差悬殊时则为单向传递,且沿着刚度大的方向传递,!混凝土结构设计规范∀中,以板的长短边比例作为界限,将矩形平面的楼板划分为单向板和双向板。这表面上是以平面尺寸区分,实质上却是体现了刚度对荷载传递方式和内力分布的影响。另外,交叉梁系的传力关系也是遵循类似的刚度理论:交叉梁系的荷载传递方式取决于两个方向梁

(下转第234页)

引言

在结构设计中往往存在着以下两个误区,有部分设计人员只重点注意荷载的数值大小和结构或构件的承载能力,而往往忽视变形能力,造成结构或构件的变形过大;另一个误区是提出过分保守的刚度设计目标,造成不必要的浪费,甚至使设计目标在技术上无法实现。这两个方面都是由于在设计阶段不能正确理解和把握荷载、内力与刚度的关系,将承载能力要求和正常使用要求人为分割,造成设计不当。

1 刚度对荷载、内力和变形的影响

1󰀁1 刚度对荷载和作用的影响

结构和构件的刚度可能对荷载产生很大的影响:首先,如果构件刚度设计目标定的高,一般材料用量也会较多,从而自重荷载较大;其次,结构和构件的刚度对土压力、风荷载以及地震、温差、地基变形、混凝上收缩等间接作用都有直接的影响。现分述如下:

1󰀁1󰀁1 刚度对土压力影响

基坑支护和地下室外墙都承受土压力作用,尤其是基坑支护结构,土压力往往是设计时的控制荷载。适当增加围护墙体和支撑刚度可以有效减小墙体的水平位移。但随着刚度的增加,土压力逐渐由主动土压力向静止土压力发展,将使支护墙上的土压力显著增大。

此外,大量的有限元分析和工程实践表明,当刚度增加到一定程度时,再通过增加墙体和支撑刚度来减小位移作用不大,但土压力和支护墙内力的增大却更加显著。1󰀁1󰀁2 刚度对风荷载的影响

风荷载是一种随时间而波动的动力荷载,风作用在结构上,使结构受到双重作用:一方面,风力使房屋受到一个基本稳定的风压力;另一方面又使房屋产生风振。因此,高度较大和比较柔软的高层建筑,要考虑由风振产生的动力效应的影响。我国现行的!荷载规范∀和!高层建筑规程∀均提出了风振系数的概念,即柔度越大,风振系数越大,计算所得的风荷载标准值也就越大。因此结构的刚度

232!四川建材∀2007年第3期 结构设计与研究应用#

由承载力计算求得并满足下述构造要求:As=0󰀁3%bh。

Asfy

∋0󰀁25或

Asf+Apy

序再进行正常使用极限状态下正截面抗裂验算、裂缝宽度计算,挠度及反拱计算等。还可进行结构施工阶段验算。如不满足规范要求,可直接人工干预修改实配的预应力筋根数,再重复计算直到满足规范要求。

(1)抗裂控制

在结构抗裂验算时,不考虑水平荷载效应,把预应力筋作用看作是保证结构各控制界面的应力满足规范中关于在各种状态下的各项应力值要求,其次才是对结构承载能力的贡献,而非预应力筋在满足结构构造上的要求外与预应力筋共同保证结构的承载能力要求。

在荷载的短期效应组合下

󰀁sc-󰀁pc∃󰀂ct ftk 󰀂ct可取0󰀁5

%在荷载长期效应组合下

󰀁lc-󰀁pc∃0

施工阶段抗裂和抗压控制

󰀂ct∃0.7 ftk 󰀁cc∃1.2f&c

NM

󰀁cc或󰀁cc=󰀁pc+s+s

A0W0

(2)极限承载力计算

在超静定结构中,张拉预应力引起的变形受到约束,引起次弯矩M2,由预应力筋偏心引起的弯矩称为主弯矩M1,而综合弯矩M 则是主弯矩和次弯矩的叠加,Mr=MI+M2。根据预应力等效荷载概念,综合弯矩即为结构在等效荷载作用下产生的弯矩图。在进行正截面受弯承载力计算时,在弯矩设计值中次弯矩应参与组合,其中梁支座处截面Mu∋Md-M2(有利作用),跨中截面:Mu∋Md+M2:(不利作用)。在预应力梁中非预应力筋的配置,一方面可与预应力筋共同作用满足承载力强度的要求,另一方面可增强整个结构的延性,提高结构的抗震性能。非预应力筋(上接第232页) 的线刚度比值,当两向梁的线刚度接近时,荷载由两向梁共同承担,形成井式楼盖;当两向梁的其线刚度相差较大时,荷载为单向传递,结构变成主次梁体系。

1󰀁2󰀁3 构件间相对刚度对内力的影响

相互连接的构件间相对刚度对内力产生很大的影响。例如现浇楼盖中,相互连接在一起的梁和板,如果梁的线刚度较大,则会使板的跨中弯矩减小;反之,如果采用较厚(线刚度较大)的板,则可能使梁产生较大的扭矩,梁和柱的线刚度比值更会直接影响到内力分布一般情况下,相互连接的构件中,内力的分配是遵循(能者多劳)原则的,即刚度越大,分配的内力也就越大。至于刚度对变形的影响,一般来说,刚度越大,变性也就越小,增大刚度对减小变形是有利的。

3 构造措施

3󰀁1 在预应力张拉端和锚固端附近,由于局部承压较大形成高应力区,极易产生张拉裂缝,因此在端部竖向配置钢筋网片外,还在端部一定范围板带中部设置钢筋围片。3󰀁2 由于本工程框架梁相邻梁跨度断面相差悬殊,预应力段梁高1700mm跨度27m,相邻跨梁高800mm,跨度9m,造成连续梁在小跨梁端弯矩比跨中弯矩大许多,因此,对该支座处的梁端采取加腋措施,以提高此截面处的承载能力及抗裂能力,加腋高度300mm,长度取1000mm屋面预应力梁则出现梁端弯矩比跨中弯矩小,因此采用结构找坡的方式,以增加梁跨中界面的高度使成为变截面梁,以便合理配置预应力钢筋。

3󰀁3 在预应力结构中,节点区钢筋通常非常密集,再加上波纹管直径较大,往往造成施工困难,容易出现振捣不密实、空鼓等现象,形成结构安全隐患。因此,应重视节点区的设计。本工程采取以下几点措施来保证节点区的安全:

(1)尽量使钢筋在连续梁中支座贯通,避免在此锚固。(2)在施工图中直接给框架梁、柱钢筋及预应力梁波纹管定位,保证预应力梁波纹管及非预应力钢筋能够顺利穿过柱截面。

(3)在屋面节点处,由于梁、柱钢筋互锚,钢筋特别密集,因此适当调整预应力矢高,并使预应力筋整体下移,以避开钢筋密集区,同时使部分柱钢筋伸入上层构架柱内,减少节点区钢筋锚固数量。[ID:3196]最终,设计柱截面为翼缘尺寸225∗12,腹板尺寸750∗8,STS分析满足要求。

3 刚度控制在高层结构设计中的应用

高层结构设计中,风荷载和地震作用往往成为控制因素。此时刚度控制的难点是如果刚度大,则地震作用大;而降低刚度,虽然可以减小地震作用,但又会造成风荷载的增大。

在具体设计实践中,结构师提出了很多关于刚度控制的设计理念。例如,吉隆坡佩特纳斯大厦采用联体的双塔提高刚度;香港汇丰银行大厦采用悬挂体系减小结构整体刚度等等。但这些思想大多数没有经过地震的检验。著名的美州银行大楼可以说是高层结构设计时刚度控制的一个典型成功案例。刚度对高层结构内力和变形的影响更大,刚度控制也更重要。

2 刚度控制在概念设计中的应用

在某基坑工程中开挖深度15米,土体主要为粉质粘土,含水量30󰀁5%,天然重度19󰀁4,孔隙比0󰀁871,内聚力C=23󰀁8kPa,内摩擦角17󰀁0。考虑地质情况和施工技术条件,拟采用桩顶设一道支撑的人工挖孔桩支护。常规方法设计时,将桩顶和底部简化为固定铰支座,按静止土压力计算荷载,设计桩径需1800mm,净间距850mm。如此大的材料用量主要是由于设计时假定墙后土压力为静止土压力。而采用刚度控制方法时,通过一个简单的有限元模型分析了挡土墙厚度对荷载、内力和变形的影响。

4 结束语

结构设计时不仅仅要确保安全,同时要满足合理和经济的要求。要达到这些目的,必须要从事物的内部因素―刚度着手,即通过刚度控制,使结构体系刚度适中、刚柔相济。这样,不仅可以消除结构隐患,而且可以保证构件以至于整个结构在荷载作用下,受力合理并获得最佳的经济效益。

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