结构设计中的概念设计与结构措施二

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　3．协同工作与材料利用率

　　协同工作设计的另一个目的，还在于对材料的充分利用。一般来讲，材料利用率越高（即应力水平越高），该结构的协同工作程度也越高（从优化设计的角度，尽管结构性能最好的方案，不一定是材料利用率最高），尤其对我国这样一个发展中国家，结构设计的目的即是花最少的钱，做最好的建筑，这就要求设计时对结构材料的充分利用，这从梁类构件的演变可以看出。矩形截面梁是最普通的受弯构件，它的材料利用率很低，原因有二：一方面是靠近中和轴的材料应力水平低，另一方面是梁的弯矩沿梁长一般是变化的，这样对等截面梁来说，大部分区段，即使是拉、压边缘，其应力水平均较低。针对梁的这种受力特点，用结构概念分析，主要是因为梁截面存在应变梯度，只有当构件是轴心受力时，材料利用率才可能增大，于是就出现了平面桁架，平面桁架可以理解成“掏空”的梁——将梁中多余材料去除，既经济，又降低自重；故桁架的上弦相应于梁的受压边，下弦相应于受拉钢筋。规则桁架中腹杆的受力（拉、压）与梁中主拉、压应力方向一致，根据上述分析，还可以将桁架的外形设计为与弯矩图相似的形状，从而使桁架的弦杆受力均匀。由于桁架中大量存在压杆，压杆的强度往往由其稳定性决定，而不是由杆件截面材料强度决定，因此，在平面桁架的设计过程中，应设法降低压杆的长细比。

　　单纯增大截面是下策，特别是上弦杆，应努力增加其平面外的刚度（有时上弦采用双杆形成的复合压杆），提供平面外约束（增加支撑），如果把这些平面外的支撑再连接成桁架，这样就使平面桁架变为平面交叉桁架，最后发展为空间网架。空间网架的材料利用率高，应力水平高，故在大跨度、大空间结构中广泛使用，但网架结构中仍然存在压杆，压杆（特别是钢压杆）的应力水平不可能太高（因为随着跨度的增加，网架的高度增大，腹杆的长度将增大，同时节点距离的增大也导致弦杆长度的增大），这样高强材料就不能使用。因此，努力减少或消除结构中的压杆，就使我们找到了悬索结构，悬索结构中所有的“杆件”均为拉杆，这样就使悬索结构中杆件的应力水平极高，材料利用率极大，高强材料得以充分利用，还可施加预应力。因而在超大跨度的结构中，悬索结构（或包括悬索结构的组合结构）是首选的结构类型。就混凝土基本理论的发展来看，也体现了使各种材料充分发挥性能，并相互协同工作的特点。钢筋混凝土与预应力混凝土之间的区别在于钢筋混凝土是将混凝土与钢筋两者简单地结合在一起，并让他们自行地共同工作，预应力混凝土是将高强钢筋与高强混凝土能动地结合在一起，使两种材料均产生非常好的性能。反映了人们对混凝土中的协同工作认识和运用过程的加深。

　　目前广泛使用的钢-混凝土结构，是将钢结构与混凝土结构相互取长补短形成的一种新型的结构形成。尤其是钢管混凝土，与预应力混凝土相似，更将这两种材料能动地结合起来，实现了结构材料的又一次革命。钢管混凝土的原理有二：1）借助钢管对核心混凝土的约束，使核心混凝土有更高的强度和变形能力；2）核心混凝土又对钢管壁的稳定提供了有效可靠的支撑。钢管混凝土的极限承载力远大于钢管和核心混凝土两者的承载力之和，约为两者之和的17～20倍，其极限变形能力是普通钢筋混凝土的几倍甚至几十倍，这是钢材与混凝土的又一次理想结合。它的出现，使传统意义上的受压破坏特征由脆性变为延性，对结构抗震的延性设计意义巨大，也使超高层建筑底层柱的轴压比限制问题迎刃而解。

　　从上述结构构件的演化，推而广之，在结构设计中，只有当构件越多处于轴心受力状态，其材料的利用率才可以高，经济性也就越好。对框架结构，竖向载作用下，框架柱宜处于小偏心受压下工作，若大量柱处于大偏心受压工作状态，则该结构方案的经济性一般不好，故对非地震区的框架结构，其框架柱应优先设计为小偏心受压。这里就出现了一个矛盾，在地震作用下，大部分柱可能处于大偏心受压状态工作，截面设计时，大量柱的配筋仅仅是为万一发生地震而增加的，这些钢材在不发生地震时，将不起丝毫作用，这显然是不经济的，与抗震设计的整体思想也不相符。为避免这种现象的出现，一方面应设法加强结构整体性，必要时，在某些楼层设置刚性转换层，从而加大整体弯矩，减小引起柱弯曲变形的局部弯矩；另一方面，对柱的设计，可将整个楼层面的柱设计为多肢柱，使多肢柱的每一根杆件都能处于轴心受力状态，如对钢管混凝土柱，只有在小偏心受压（或接近轴压）时，钢管和核心混凝土才能更好地协同工作，在偏心距较大的受压构件中使用时，更宜将其设计成双肢、三肢或四肢组成的组合构件。

　　最后，协同工作的原则也是整体工作的原则。在概念设计日益重要的今天，要求结构工程师应有深厚的基本理论基础，并能不断吸取他人先进的设计思想。对自己的作品、设计（即使是已建成的），应经常进行深刻的反思，对每一项设计都精益求精。