淺談結(jié)構(gòu)力學(xué)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)

李榮軼 楊 磊

結(jié)構(gòu)力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)分支,它主要研究工程結(jié)構(gòu)受力和傳力的規(guī)律以及如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的學(xué)科。所謂工程結(jié)構(gòu)是指能夠承受和傳遞外載荷的系統(tǒng),包括桿、板、殼以及它們的組合體,如橋梁、屋架和承重墻等。

計(jì)算機(jī)的發(fā)展,為結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了有力的計(jì)算工具,另一方面,結(jié)構(gòu)力學(xué)對數(shù)學(xué)及其他學(xué)科的發(fā)展也起了推動(dòng)作用。有限元法這一數(shù)學(xué)方法的出現(xiàn)和發(fā)展就與結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究有密切關(guān)系。

1 結(jié)構(gòu)力學(xué)的重要性

結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖的選擇經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的過程,需要力學(xué)知識(shí)、結(jié)構(gòu)知識(shí)、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和洞察力,經(jīng)過科學(xué)抽象、實(shí)驗(yàn)論證,根據(jù)實(shí)際受力、變形規(guī)律等主要因素,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是先有“設(shè)想”后有“計(jì)算”,“設(shè)想”是建立在定性分析的基礎(chǔ)上。力學(xué)始于定性分析,終于定量分析;定性分析在先,定量分析在后;定性失準(zhǔn),定量準(zhǔn)偏。在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和處理工程實(shí)際問題時(shí),需要設(shè)計(jì)人員對結(jié)構(gòu)的合理形式以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力等具有總體概念和定性分析能力,還需要具有對工程中計(jì)算的數(shù)據(jù)、發(fā)生的現(xiàn)象和出現(xiàn)的問題能夠做出迅速科學(xué)判斷的能力,這就是所謂概念設(shè)計(jì)和概念分析理念。

結(jié)構(gòu)力學(xué)是一切工程進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在實(shí)際工程中都是將工程實(shí)踐中的實(shí)際問題抽象為相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算公式進(jìn)行求解;作為工程技術(shù)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該掌握工程結(jié)構(gòu)的基本理論和實(shí)用設(shè)計(jì)方法,具備根據(jù)建筑工程項(xiàng)目的特點(diǎn)、性質(zhì)、功能和業(yè)主的要求正確、合理地進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本能力。

2 在古建筑中的應(yīng)用

中國以木結(jié)構(gòu)為主體的古建筑,在世界建筑之林中獨(dú)樹一幟。木結(jié)構(gòu)以木構(gòu)為骨、磚石為體、結(jié)瓦為蓋、油飾彩繪為衣,經(jīng)歷代能工巧匠精心設(shè)計(jì),巧妙施工,潛心裝飾,付諸心血和智慧建造而成,體現(xiàn)出東方古典建筑獨(dú)有的藝術(shù)魅力和中國古建筑木結(jié)構(gòu)的歷史性、藝術(shù)性和科學(xué)性。

巧妙而科學(xué)的框架式結(jié)構(gòu)是中國古代建筑在建筑結(jié)構(gòu)上最重要的一個(gè)特征。因?yàn)橹袊糯ㄖ饕悄緲?gòu)架結(jié)構(gòu),即采用木柱、木梁構(gòu)成房屋的框架,屋頂與房檐的重量通過梁架傳遞到立柱上,墻壁只起隔斷的作用,而不是承擔(dān)房屋重量的結(jié)構(gòu)部分?！皦Φ刮莶凰边@句古老的諺語,概括地指出了中國建筑這種框架結(jié)構(gòu)最重要的特點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu),可以使房屋在不同氣候條件下,滿足生活和生產(chǎn)所提出的千變?nèi)f化的功能要求。同時(shí),由于房屋的墻壁不負(fù)荷重量,門窗設(shè)置有極大的靈活性。此外,由這種框架式木結(jié)構(gòu)形成了過去宮殿、寺廟及其他高級(jí)建筑才有的一種獨(dú)特構(gòu)件,即屋檐下的一束束“斗拱”。它是由斗形木塊和弓形的橫木組成,縱橫交錯(cuò),逐層向外挑出,形成上大下小的托座。這種構(gòu)件既有支承荷載梁架的作用,又有裝飾作用。只是到了明清以后,由于結(jié)構(gòu)簡化,將梁直接放在柱上,致使斗拱的結(jié)構(gòu)作用幾乎完全消失,變成了純粹的裝飾品。

中國古建筑木結(jié)構(gòu)在力學(xué)上的特點(diǎn)主要有:1)受力體系明確。中國古建筑保持構(gòu)架制原則,以立柱和縱橫梁枋組合成各種形式的梁架,使建筑物上部荷載經(jīng)由梁架、立柱傳遞至基礎(chǔ)。墻壁只起圍護(hù)、分隔的作用,不承受荷載。2)創(chuàng)造斗拱結(jié)構(gòu)形式,構(gòu)造合理。用縱橫相疊的短木和斗形方木相疊而成的向外懸挑的斗拱,本是立柱和橫梁間的過渡構(gòu)件,還逐漸發(fā)展成為上下層柱網(wǎng)之間或柱網(wǎng)與屋頂梁架之間的整體構(gòu)造層,這是中國古代木結(jié)構(gòu)構(gòu)造的巧妙形式。

3 在異形柱結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用

異形柱結(jié)構(gòu)體系是指采用輕質(zhì)填充墻及隔墻的現(xiàn)澆鋼筋混凝土異形柱框架及異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2～4之間,相對于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻,常用的有“L”形、“T”形、“十”字形。

異形柱結(jié)構(gòu)體系這一新型住宅結(jié)構(gòu)形式能較好地滿足現(xiàn)代住宅建筑的要求,可避免框架柱在室內(nèi)凸出,少占建筑空間,改善建筑觀瞻,為建筑設(shè)計(jì)及使用功能帶來靈活性和方便性,因而逐步得到推廣應(yīng)用。

由于其截面的特殊性,在柱截面對稱軸內(nèi)受水平力作用時(shí),彈性分析計(jì)算其翹曲應(yīng)力很小,此時(shí)如同承受水平力的偏壓構(gòu)件,仍可按平截面假定分析,按混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算,特別是在框—剪,框—筒結(jié)構(gòu)中,對6度及其以下烈度區(qū)的Ⅰ,Ⅱ類場地,框架柱只承擔(dān)水平風(fēng)載的一小部分,如按一般偏壓柱計(jì)算,誤差較小。此時(shí)異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進(jìn)行整體分析。而在水平力較大,且水平力作用在非主軸方向,則翹曲應(yīng)力不容忽視,按平截面假定誤差較大,則應(yīng)對異形柱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和配筋計(jì)算時(shí),宜選用帶有異形柱計(jì)算功能的計(jì)算軟件。

采用異形柱的框架結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu),其整體變形與普通矩形截面柱接近,與相同截面積的矩形柱比較,異形柱自身剛度大,因而異形柱結(jié)構(gòu)體系整體剛度增大,側(cè)移減少。另外雖然結(jié)構(gòu)的自振周期變短,水平地震作用加大,但結(jié)構(gòu)的整體剛性好,抗震性能不會(huì)降低太多。

4 在基坑支護(hù)中的應(yīng)用

目前,深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算仍基于極限平衡理論,但支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力并不那么簡單。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法主要有極限平衡法、土抗力法和有限元分析法3類。目前土抗力法中的彈性地基反力法的應(yīng)用日益廣泛。我國JGJ 120-99建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程推薦彈性支點(diǎn)法。該方法取計(jì)算寬度的圍護(hù)墻作為豎直放置的彈性地基梁,支撐(或錨桿)簡化為彈簧,基坑外側(cè)的主動(dòng)土壓力呈梯形分布;坑內(nèi)側(cè)的土體用剛度系數(shù)為常量的土彈簧模擬,在線性共同作用彈性地基反力法中,基坑內(nèi)、外側(cè)的土體均用剛度系數(shù)為定值的土彈簧模擬,彈性支點(diǎn)法和線性共同作用彈性地基反力法對工程實(shí)際都作了較大的簡化,特別是對地基土的水平基床系數(shù)過于簡化,僅考慮其隨深度的變化,而沒有考慮隨圍護(hù)墻水平位移的變化。實(shí)際工程中,土體與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)相互作用的體系,土抗力與支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系是非線性的。

高層建筑的飛速發(fā)展給深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)帶來一場技術(shù)革命。在鋼板樁、鋼筋混凝土板樁、鉆孔灌注樁擋墻、地下連續(xù)墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用后,雙排樁、土釘、組合拱帷幕、旋噴土錨、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土多孔板等新的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式也相繼問世。但是,這些支護(hù)結(jié)構(gòu)形式的計(jì)算模型如何建立、計(jì)算簡圖怎樣選取、設(shè)計(jì)方法如何趨于科學(xué),仍是當(dāng)前新型支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中急需解決的問題。

5 結(jié)語

我們知道,結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算始終圍繞著平衡這一主題展開,在荷載作用下,結(jié)構(gòu)的整體和局部都要維持平衡,局部平衡是以局部以外構(gòu)件對局部施加約束構(gòu)成的。在實(shí)際工程中都是將實(shí)際結(jié)構(gòu)作適當(dāng)?shù)睾喕?忽略次要因素,顯示其基本的特點(diǎn)。合理地選取結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡圖是結(jié)構(gòu)計(jì)算中的一項(xiàng)極其重要而又必須首先解決的問題。在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力估算時(shí),可取需要計(jì)算的部分為研究對象,其余部分對研究部分的約束作用可以用支座來表示。

結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖的選擇經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的過程,需要力學(xué)知識(shí)、結(jié)構(gòu)知識(shí)、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和洞察力,經(jīng)過科學(xué)抽象、實(shí)驗(yàn)論證,根據(jù)實(shí)際受力、變形規(guī)律等主要因素,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化。它不僅與結(jié)構(gòu)的種類、功能有關(guān),而且與作用在結(jié)構(gòu)上的荷載、計(jì)算精度要求、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度比、安裝順序、實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)及其他指標(biāo)有關(guān)。計(jì)算簡圖的選擇可能因計(jì)算狀態(tài)(是考慮強(qiáng)度或剛度,計(jì)算穩(wěn)定或振動(dòng),還是鋼筋混凝土抗裂驗(yàn)算)而異,也依賴于所要采用的計(jì)算理論和計(jì)算方法,方能完成結(jié)構(gòu)構(gòu)件線性或非線性的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)分析。

我們研究結(jié)構(gòu)力學(xué)的任務(wù)是研究工程結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等的規(guī)律;分析不同形式和不同材料的工程結(jié)構(gòu),為工程設(shè)計(jì)提供分析方法和計(jì)算公式;確定工程結(jié)構(gòu)承受和傳遞外力的能力;研究和發(fā)展新型工程結(jié)構(gòu)。

[1]JCJ 120-99,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]DBJ/T 15-20-97,建筑基坑支護(hù)工程技術(shù)規(guī)程[S].

[3]雷鐘和.結(jié)構(gòu)力學(xué)解疑[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[4]曹漢杰,王偉霞.基坑支護(hù)的綜合應(yīng)用[J].山西建筑,2008,34(12):131-132.