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浅谈结构设计的基本原则

时间:2007-1-30栏目:交通运输论文

[摘 要]結構設計的目的、結構設計的四項基本原則。

[關鍵字]剛柔相濟、多道防線、抓大放小、打通關節、建築結構。

結構的設計的目的是使建築物安全和能夠適應使用的要求。結構設計還要遵循結構設計的主要要求是結構安全可靠(節省資金也是一項),所以,我們在結構設計中要保證這樣要求和遵循這個原則。我們現在學習的結構有:鋼筋混凝土結構、砌體結構、剛結構、道路和橋梁結構,我們畢業後將要從事的也是結構的設計,我們不能不去考慮一下有關結構設計的要求及其基本的原則,結構設計的好壞直接影響建築物的使用和建築業的發展,同時,還會影響到使用者的安全。基於這樣的要求,下面來總結一下結構設計的基本原則。
結構設計的四項基本原則:

1、剛柔相濟
合理的建築結構體系應該是剛柔相濟的。結構太剛則變形能力差,強大的破壞力瞬間襲來時,需要承受的力很大,容易造成局部受損最後全部毀壞;而太柔的結構雖然可以很好的消減外力,但容易造成變形過大而無法使用甚至全體傾覆。結構是剛多一點好,還是柔多一點好?剛到什麽程度或柔到什麽程度才算合適呢?這些問題歷來都是專家們爭論的焦點,現今的規範給出的也只是一些控制的指標,但無法提供“放之四海皆准”的精確答案。最後,專家們達成難以準確言傳的共識:剛柔相濟乃是設計者的追求。

2、多道防線
安全的結構體系是層層設防的,災難來臨,所有抵抗外力的結構都在通力合作,前仆後繼。這時候,如果把“生存”的希望全部寄託在某個單一的構件上,是非常非常危險的。多肢牆比單片牆好,框架剪力牆比純框架好等等,就是體現了多道防線的設計思路。也許我們會自信計算的正確性,但更要牢記絕對安全的防備構件是存在的,還是應該多多考慮:當第一道防線跨了,第二道防線能頂住嗎?或者能頂住多少?還有沒有第三、第四道防線?

3、抓大放小
“強柱弱梁”、“強剪弱彎”等是建築結構設計中非常重要的概念。有人問:爲什麽不是“強柱強梁”“強剪強彎”呢?爲什麽所有構件都很強的結構體系反而不好,甚至會有安全隱患呢?
這裏面首先包含著一個簡單的道理:絕對安全的結構是沒有的。簡單地說,雖然整個結構體系是由各種構件協調組成一體,但各個構件擔任的角色不盡相同,按照其重要性也就有輕重之分。一旦不可意料的破壞力量突然襲來,各個構件協作抵抗的目的,就是爲了保住最重要的構件免遭摧毀或者至少是最後才遭摧毀,這時候犧牲在所難免,讓誰犧牲呢?明智之舉是要讓次要構件先去承擔災難。“寧爲玉碎,不爲瓦全”,如果平均用力,可能會“玉石俱粉”,損失則更大矣!在建築結構中,柱倒了,梁會跟著倒;而梁倒了,柱還可以不倒的。可見柱承擔的責任比梁大,柱不能先倒。爲了保證柱是在最後失效,我們故意把梁設計成相對薄弱的環節,使其破壞在先,以最大限度減少可能出現的損失。如果梁柱等同看待,企圖讓他們都“堅不可摧”,則可能會造成同時破壞,後果會更糟糕,損失會更大。所以關鍵時刻要分清主次,抓大放小,也就是要取大舍小。

4、打通關節
在結構體系中,所謂關節,是指變化相聚之處,或變化出現的地方。不同類型的構件相接處,同一構件截面改變之處,是關節。廣義上,諸如結構錯層之處,體量改變之處,轉換層亦是關節。關節無處不在,因爲結構體系乃是變化的統一。外力突然襲來之時,對於單一的構件,力量的傳遞簡明,因而容易控制。對於複雜的結構體系,關節的複雜性難於預測和控制,即使從理論上保證了每個組成構件的強度和剛度,但因關節的普遍存在,力量的傳遞往往不能暢通而出現集中甚至中斷,破壞由此而發生。歷次災害表明,從節點開始破壞的建築占了相當大的比例。

所以理想的結構體系當然是渾然一體的--也就是沒有任何關節的,這樣的結構體系使任何外力都能迅速傳遞和消減。基於這個思路,設計者要做的就是要盡可能地把結構中各種各樣的關節“打通”,使力量在關節處暢通無阻。中醫上雲:“通則不痛,痛則不通”,結構就象一個人,氣穴若不能暢通,癥結和隱患就會産生。在設計的四項基本原則中,“剛柔相濟”,“多道防線”,“抓大放小”是設計概念中的戰略問題,但要想得讓這些戰略思想得以實現,靠的是“打通關節”這個原則作爲保證的,結構設計的具體操作,最後全都歸到“打通關節”的貫徹和實施上來。

如何打通關節?在設計概念裏,要解決的是外力在結構體系內重分配的問題,要確保力量是按照各構件的剛度大小進行分配的,避免出現不合理的集中,最終達致靜態的平衡。因結構形本爲“靜”,滅於“動”中。所有 “動” 的因素對於結構均爲不利。打通關節保持平衡的目的其實就是使其永遠處於原始的靜態,當力量不能暢通時,構件與構件之間,構件的組成元素與元素之間的靜態平衡一旦被破壞,結構變成機動,“動”即是死,即爲終結。可見設計者是協調者,其任務是讓所有互不相關的靜態構件相聚之後依然處於靜態(也就是使其保持常態),或者是處在相對的靜態之中。
綜上所述,我們可以初步的瞭解一下結構設計的基本原則,從而爲我們設計的合理和安全也奠定了基礎。


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