基土摩阻力处于刚好平衡时的方程 。
实际上
,
结构工程承载力的表达式就是一个静力平衡方程
:
即“结构抗力
=
作用效应”
的极限状态方程 。
2 力与变形的关系
如果说静力平衡方程能解决几乎所有的理想刚体力学问题
,
那么对于必须考虑变形的结构来说
,
还必须建立另一个重要方
程
:
力与变形
(
位移
)
关系方程 。弹性物体的变形与作用力成正
比
,
这就是大家很熟悉的虎克定律
,
它揭示了一对重要的关系
,
力
是物体产生变形的原因
,
变形跟外力成正比
,
同样的外力作用下
,
变形与刚度成反比
,
公式表达就是
: F = k x ,
结构中称之为变形方
程也可称之为位移方程 。力与变形的关系
,
构成了结构工程另一
个最基本的理论依据 。
结构构件的承载力计算公式就是依据静力平衡和力与变形
的正比关系推导而出 。对于超静定结构
,
无论是力法还是位移
法
,
最终都是建立静力平衡和变形协调联立方程组 。
力与变形的关系同样始终贯穿于各个结构设计环节
,
但很多
年轻的工程师往往只强调结构承载力的计算而忽视了变形
(
位
移
)
的概念
,
更忽视了两者的关系 。比如在桩基设计中
,
对纯摩擦
桩
,
不仅要满足承载力的要求
,
桩端还要有较硬的持力层
,
许多人
对这一条规范不理解
,
认为只要承载力满足要求即可 。只要以力
与变形的关系就不难理解
,
当桩端土为软弱土时
,
桩身仅依靠四
周土的摩阻力支撑
,
而土的剪切刚度一般较小
,
当摩阻力发挥所
需值时
,
土的剪切变形已较大
,
桩土相对位移或者说基桩沉降就
会很大 。又如
:
在用碳纤维布对钢筋混凝土梁进行抗弯承载力加
固时
,
设计人往往忽视了一个重要问题
:
碳纤维布的抗拉刚度小
,
当它达到设计所需的承载力时已经产生很大的拉伸变形
,
而与之
相连协同工作的混凝土梁由于变形能力较小早已被破坏
,
所以用
此类方法加固构件时必须先计算加固前构件的极限变形
,
依据变
形协调原则反算出加固材料能提供的承载力
,
再确定加固后构件
的实际承载力 。
力与变形的关系是一种互为因果的关系
,
力产生变形
,
反之
,
主动的变形又会引起结构内力的变化 。基础沉降变形
,
会引起与
之相连上部结构的内力重分布
,
所以对基础可能有较大沉降的建
筑
,
设计时必须将基础与上部结构作为一个整体来考虑 。温度的
变化引起结构的伸缩变形
,
引起结构内力的变化并导致结构产生
裂缝
,
所以在夏热冬冷地区必须通过建筑和结构的措施确保建筑
不发生温度裂缝 。
正确把握力和变形的关系并将之应用于设计的各个环节
,
会
使结构更加合理 。比如
,
在设计中
,
常常需要将某些梁支座人为
地调整为铰支座
,
特意允许梁端出现塑性铰
,
从而使梁端产生较
大的转动变形
,
使梁的内力转移到对结构更为有利的跨中
,
从而
有利结构延性的提高
,
便于施工 。
3 力与加速度的关系
力是物体产生加速度的原因
,
在同样的加速度下
,
外力与物
体的质量成正比
,
这就是牛顿第二定律
F
= ma ,
它揭示了力与加
速度的因果关系 。如果说静力平衡和变形协调是构成结构静力分
析的基础
,
那么牛顿第二定律就是构成结构动力分析的基本原理 。
比较一下结构地震作用计算公式
F
EQ
= aG
eq
,
不难发现它与
牛顿第二定律
F
= m a
是如此的接近
,
实际上
,
地震作用公式就是
依据
F
= m a
推导而出的
,
式中的地震影响系数
a
就相当于加速
度
,
只不过
,
结构地震作用是一种受迫振动
,
所以该“加速度”不仅
与结构本身的自振周期 、
场地周期有关
,
还与地震烈度有关 。
由于地震力与建筑的自重成正比关系
,
就不难理解为什么建
筑各部位所受的地震力分布与风荷载作用在建筑各部位的分布
是完全不同的
,
前者取决于各部位的建筑自重
,
后者只取决于各
部位的迎风面积 。曾经设计一幢
15
层的高层建筑结构
,
该建筑
立面完全规则
,
结构平面布置也完全规则对称
,
只是内隔墙严重
偏向建筑一端
,
通过计算发现
,
虽然在风荷载作用下
,
结构平面内
各柱顶节点位移比较小
,
但是在水平地震作用下
,
有内隔墙部位
的柱节点平面内位移远大于无内隔墙部位柱顶节点位移
,
显然
,
布置的内隔墙一端由于自重大
,
地震作用大
,
水平位移也大
,
造成
了结构在水平地震作用下有较大的扭转
,
这就是为什么在建筑和
结构设计时应尽量使质量中心与结构刚度中心重合或接近 。
4 概念设计
如果说上述三个方面侧重于定量地对结构进行分析
,
那么概
念设计更侧重于定性地用整体的概念完成结构总体方案的设计
,
并能有意识地处理构件与结构
,
结构与结构的关系
[ 4 ]
。它反映了
一个结构工程师对静力平衡 、
力与变形 、
力与加速度三者综合理
解的深度及综合设计能力 。
强调概念设计还因为现行的结构设计理念与计算理论存在
许多缺陷或不可计算性 。为此
,
不能仅仅只依靠精确计算
,
还需
依据前人及专家们的一些普通经验和定性的结构措施来弥补理
论的缺陷
,
弥补实际存在的大量无法计算的结构设计问题
,
使概
念设计在抗震设计中得到最充分的体现 。由于地震性质和地震
能量的不确定性
,
尽管可以建立力学模型进行抗震验算
,
也可以
事先人为地假定几种地震波作用下的时程分析计算
,
但是均不能
保证结构在大震下不倒
,
而无数的震害分析和理论研究均证明建
筑平立面的规则性和结构的延性是防止大震不倒的最根本途径
,
所有的抗震验算仅供参考 。
5 结语
建筑结构设计是复杂的抽象思维活动
,
但它的理论依据却是
大家在中学里都很熟悉的经典力学原理 。掌握这些基本原理
,
不
断吸取前人的经验和他人的先进设计思想
,
使自己的综合概念设
计能力不断地提高
,
年轻工程师们的设计成果才能越来越完善 、
创新 。
参考文献
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,
朱伯钦
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许哲明
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结构力学
[ M ] .
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同济大学出版
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2
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2
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建筑抗震设计规范
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2
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混凝土结构设计规范
[ S] .
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张保玲
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建筑结构抗震概念设计浅议
[J ] .
山西建筑
,2004 ,30
(6) :21
2
22.
On basic structural design principle of architecture
Abstract : This paper analyzes t he static balance principle in structural design of architecture , relationships between force and deformation and
acceleration. The importance of conceptual design is emp hasized in order to improve design ability of engineers and ensure t he rationality and
security in structural design.
Key words : architectural structure , static balance principle , conceptual design
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5
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