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    土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計常見問題探討與分析

    2016-07-31 18:53:46羅若帆王鶯歌王仕成
    關(guān)鍵詞:框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力畢業(yè)設(shè)計

    羅若帆,王鶯歌,王仕成

    (嘉應(yīng)學院土木工程學院,廣東 梅州 514000)

    土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計常見問題探討與分析

    羅若帆,王鶯歌,王仕成

    (嘉應(yīng)學院土木工程學院,廣東 梅州 514000)

    結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)課程教學內(nèi)容,以高層混凝土框架結(jié)構(gòu)為例,對土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計過程中常見及疑難問題進行了討論。重點分析了目前畢業(yè)設(shè)計過程中較難處理的問題并提出相應(yīng)的處理方法。同時分析了學生在畢業(yè)設(shè)計過程中易犯的錯誤以及容易混淆的概念,提出合理的做法,為改進混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的教學方法以及畢業(yè)設(shè)計的實踐教學提供參考。

    混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計;高層框架結(jié)構(gòu);畢業(yè)設(shè)計

    畢業(yè)設(shè)計是土木工程專業(yè)學生的重要實踐環(huán)節(jié),一方面學生通過畢業(yè)設(shè)計,對所學課程有一個系統(tǒng)的整合過程,鞏固和深化了本科所學知識,另一方面畢業(yè)設(shè)計是學生走向工作崗位前的一次重要實踐活動,通過該實踐,可使學生提高其計算分析、軟件應(yīng)用、文字表達以及論文撰寫方面的能力,同時發(fā)展學生的創(chuàng)新能力和學以致用的思維。

    畢業(yè)設(shè)計所涉及的內(nèi)容是本科所學課程與實際工程的結(jié)合,設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)類型包括多、高層框架結(jié)構(gòu),框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等。大部分學校采用手算和電算相結(jié)合的方式,能夠讓學生掌握結(jié)構(gòu)計算全過程,從而更好地理解結(jié)構(gòu)概念。

    目前關(guān)于畢業(yè)設(shè)計的教學方法方面已有較多研究成果[1-3],然而在畢業(yè)設(shè)計具體內(nèi)容,特別是與現(xiàn)行國家規(guī)范[4-7]以及本科重點課程(如混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計)的教學結(jié)合中常見的具體問題以及畢業(yè)設(shè)計對課程教學的反思目前仍較少文獻報道,僅有少部分學者對實際操作問題做了簡要分析[8-9]。本文以高層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計為例,討論并分析在畢業(yè)設(shè)計過程中較難處理的問題以及容易出現(xiàn)理解錯誤的概念,并提出相應(yīng)的處理方法。

    1 計算嵌固端的選取問題

    計算嵌固端的選取在手算過程中是一個比較難處理的問題。我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定,地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端時,地下室的樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的2倍[5]。畢業(yè)設(shè)計選題要求往往不帶地下室,對于框架結(jié)構(gòu),通常在基礎(chǔ)埋深較大時會在室外地面位置建地梁,以支撐首層填充墻和減小首層柱計算高度。然而由于地梁以下有回填土的剛度貢獻,無法直接當成一個普通結(jié)構(gòu)層進行計算,且我國規(guī)范并無明確規(guī)定如何考慮回填土剛度的貢獻。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計課程教學中,通常認為首層柱在基礎(chǔ)頂面嵌固,沒有考慮回填土的影響。然而在實際操作過程中,往往與電算假定及結(jié)果無法吻合,同時也會帶來一系列問題:如層剛度比,首層柱彎矩放大系數(shù),柱端箍筋加密區(qū)等。目前關(guān)于畢業(yè)設(shè)計中嵌固部位的選取,有如下3種簡化處理方法(見1.1-1.3),本文基于手算與電算的統(tǒng)一及學生對結(jié)構(gòu)概念的正確理解,提出第4種處理方法(見1.4)。

    1.1 地梁建在基礎(chǔ)面,嵌固在基礎(chǔ)面

    該做法適用于基礎(chǔ)埋深不大的情況,地梁建在基礎(chǔ)面起到拉結(jié)獨立基礎(chǔ),防止不均勻沉降的作用,見圖1(1)??稍谑炙愫碗娝阒胁捎猛瑯拥募俣ǎ谑炙阒泻雎缘叵禄靥钔恋淖饔?,但應(yīng)注意風荷載的起算高度。該做法概念較清晰,但應(yīng)用有一定局限。

    1.2 地梁建在室外地坪,地梁層作為結(jié)構(gòu)層

    針對工程中基礎(chǔ)埋深較大的情況,將地梁建在基礎(chǔ)面往往會遇到首層柱高過高的情況,因此通常會將地梁建在室外地坪處,見圖1(2)。則室外地坪到基礎(chǔ)面形成一個結(jié)構(gòu)層,在手算時,往往將其簡化為普通結(jié)構(gòu)層,即忽略地下回填土對地梁層的作用,在計算簡圖中增加一個結(jié)構(gòu)層,但這種簡化方法應(yīng)將首層柱定義在二層,且無法考慮回填土的影響,會造成概念上的不清晰。

    1.3 地梁建在室外地坪,將地梁簡化為次梁

    該做法即在電算中,將地梁層建在室外地坪處,而在手算中,計算簡圖忽略地梁的存在,即直接嵌固在基礎(chǔ)頂面,見圖1(3)。很多高校在畢業(yè)設(shè)計指導中采用這種方法,認為應(yīng)在電算中以合理的方式處理首層柱的問題,但在手算中可以簡化處理,方便手算。但該方法造成手算和電算的不統(tǒng)一,且手算中同樣存在首層柱過高的情況。

    1.4 地梁建在室外地坪,嵌固在地梁頂

    本文在總結(jié)前幾種做法的基礎(chǔ)上,提出一種新的處理方法,即將地梁建在室外地坪,且嵌固在地梁頂,見圖1(4)。該方法基于抗震嵌固端的概念,由于回填土剛度的貢獻,柱鉸應(yīng)該出現(xiàn)在室外地坪以上的柱端,因此室外地坪應(yīng)作為抗震嵌固端,在電算和手算中都將計算嵌固端設(shè)在地梁頂。雖然抗震嵌固端和計算嵌固端在計算中不能相互替代,但回填土是不可忽略的一個重要因素,因此不少設(shè)計人員的做法通常也是考慮回填土剛度的貢獻,直接將嵌固端設(shè)在地梁頂。該方法能讓學生清晰地掌握概念,同時兼顧考慮實際情況。

    圖1 嵌固端簡化方式

    2 內(nèi)力計算方法的選取問題

    2.1 水平荷載作用下

    水平荷載主要為風荷載、地震作用采用底部剪力法計算時簡化形成的荷載。水平荷載作用下的內(nèi)力計算方法主要有:反彎點法,D值法,位移法,矩陣位移法,也可直接采用sap2000或結(jié)構(gòu)力學求解器等較容易操作的有限元工具求解。其中反彎點法和D值法為近似解,位移法、矩陣位移法和求解器求解為精確解。

    水平荷載作用下的內(nèi)力計算方法較為明確,手算時較適合采用近似解法。反彎點法適用于層數(shù)較少、樓面荷載較大時,通常認為梁柱線剛度ib/ic>3時可滿足工程精度要求。當框架高度較大、層數(shù)較多時,柱子截面尺寸一般較大,梁柱線剛度之比往往很小,此時應(yīng)采用D值法求解。該方法在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計課程中有詳細講解,而求解器基于矩陣位移法,其原理也在有限元課程中有簡略的介紹。本文建議學生采用D值法和求解器同時計算并做對比,有助于學生更深入地理解該方法的計算原理,反過來對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計課程所學知識能有進一步的掌握,而不會僅僅機械地套用模板解決問題。

    2.2 豎向荷載作用下

    豎向荷載作用下的內(nèi)力計算方法主要有:分層法、彎矩分配法、位移法、矩陣位移法及直接采用求解器求解的方法。其中分層法為近似解,彎矩分配法為漸進解,而簡化后的彎矩二次分配法也屬于近似解,位移法、矩陣位移法和求解器求解為精確解。

    有分析表明[10]在多層框架結(jié)構(gòu)中,與分層法相比,采用彎矩二次分配法計算結(jié)果精確度更高,本文選取某11層框架結(jié)構(gòu)工程的其中一榀框架(見圖2),分別采用分層法和彎矩二次分配法進行計算求解,將計算結(jié)果與有限元解做了對比。由于篇幅限制,本文僅提取平均值結(jié)果(見表1),計算結(jié)果表明,對于高層框架結(jié)構(gòu),采用分層法計算時梁的誤差較小,柱的誤差較大,采用彎矩二次分配法的精度較高。

    表1 兩種方法的計算內(nèi)力對比

    混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計課程中對分層法和彎矩二次分配法均有詳細講解,本文建議學生在掌握分層法和彎矩二次分配法基本原理的基礎(chǔ)上,采用彎矩二次分配法進行計算。鼓勵學生采用分層法、彎矩二次分配法和精確解進行計算對比,加深這方面知識的掌握。

    圖2 豎向荷載下框架受荷圖

    3 內(nèi)力調(diào)整應(yīng)注意的問題

    內(nèi)力組合前后應(yīng)進行組合值的調(diào)整,很多學生出現(xiàn)的問題是不調(diào)整、少調(diào)整或是調(diào)整了但并沒有真正理解哪些值需要調(diào)整,為什么要調(diào)整。內(nèi)力調(diào)整分為組合前調(diào)整和組合后調(diào)整,在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計課程中雖提到了各種調(diào)整方法,但卻缺乏系統(tǒng)的串聯(lián),導致學生概念和邏輯關(guān)系不清晰。只有把這個關(guān)系理清,才能對整個計算過程有清晰的概念。

    3.1 組合前調(diào)整

    組合前調(diào)整包括剪重比調(diào)整、彎矩調(diào)幅和支座邊緣內(nèi)力調(diào)整。

    3.1.1 剪重比調(diào)整

    剪重比即剪力系數(shù),要求該系數(shù)(樓層剪力與該層重力的比值)不能小于規(guī)范限值[6]。剪重比的存在實際上是為了保證長周期結(jié)構(gòu)的安全而設(shè)置的一個限值,由于加速度譜并未考慮位移和速度對結(jié)構(gòu)帶來的影響,長周期結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜曲線下降比較快,計算時地震影響系數(shù)較低,從而使計算的地震作用偏小。手算時可采用放大地震作用的方法。由于剪重比調(diào)整的是外力,必須在組合前調(diào)整。通常畢業(yè)設(shè)計所涉及的結(jié)構(gòu)層數(shù)不高,周期較短,不會出現(xiàn)剪重比超限的問題,若出現(xiàn)超限,應(yīng)注意檢查結(jié)構(gòu)布置的合理性。

    3.1.2 彎矩調(diào)幅

    彎矩調(diào)幅是在豎向荷載作用下,從梁鉸機制出發(fā),考慮塑性應(yīng)力重分布的合理性所進行的一種調(diào)幅方式。從施工方面考慮,梁端彎矩過大,則頂部鋼筋配置過多,對澆筑和振搗混凝土也會造成很大的困難。因此人為地將梁端彎矩乘以一個折減系數(shù),同時跨中彎矩根據(jù)平衡條件相應(yīng)增大(見圖3)。應(yīng)注意的是,柱端彎矩仍應(yīng)按調(diào)幅前的梁端彎矩計算,且彎矩調(diào)幅只在豎向荷載作用時進行,不能對水平荷載作用下的彎矩進行調(diào)幅,那么在內(nèi)力組合時只有這一組內(nèi)力被調(diào)整,因此該調(diào)整只能在組合之前進行。有學生在水平荷載作用時也進行彎矩調(diào)幅,是對調(diào)幅原理的理解有誤造成的。

    圖3 彎矩調(diào)幅示意圖

    3.1.3 支座邊緣內(nèi)力調(diào)整

    如圖4所示,根據(jù)計算簡圖計算的內(nèi)力依據(jù)的是軸線到軸線間距,而梁截面實際內(nèi)力到達柱截面范圍內(nèi)時,理論上截面抗力無窮大,即該部分不再屬于梁,則實際內(nèi)力應(yīng)計算到梁柱邊緣,因此需要對計算出的內(nèi)力進行調(diào)整,從概念上來說,該調(diào)整的目的是反映出結(jié)構(gòu)在每組荷載下產(chǎn)生端部內(nèi)力的真實狀況,因此也應(yīng)在內(nèi)力組合前進行。

    圖4 支座邊緣內(nèi)力調(diào)整示意圖

    3.2 組合后調(diào)整

    組合后調(diào)整包括強柱弱梁和強剪弱彎的調(diào)整,該調(diào)整是根據(jù)抗震設(shè)計的要求,對計算配筋所采用的那組內(nèi)力進行無條件調(diào)整,因此應(yīng)在組合后進行調(diào)整。

    3.2.1 強柱弱梁

    由于柱是上部結(jié)構(gòu)最后一道支座,若柱先出鉸,則可能導致結(jié)構(gòu)直接倒塌,因此要控制塑性鉸先出現(xiàn)在梁端,讓梁先屈服去耗能。具體做法為放大柱端彎矩,以提高柱的設(shè)計要求:

    應(yīng)注意的是,頂層梁柱不用進行強柱弱梁的調(diào)整。原因是:頂層柱軸壓比較小,柱端塑性鉸的變形能力較大;頂層梁端產(chǎn)生塑性鉸與柱端產(chǎn)生塑性鉸對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響是相同的。

    3.2.2 強剪弱彎

    由于彎曲破壞是延性破壞,剪切破壞是脆性破壞,不可避免要發(fā)生破壞時,必須讓構(gòu)件發(fā)生有預(yù)兆的延性破壞,具體做法為放大梁柱剪力,以提高梁柱抗剪的設(shè)計要求:為柱剪力放大系數(shù),對應(yīng)一、二、三、四框架為1.4、1.3、1.2、1.1。為梁剪力放大系數(shù),對應(yīng)一、二、三框架為1.3、1.2、1.1。

    4 幾個容易混淆的概念和做法

    4.1 強柱弱梁和彎矩調(diào)幅

    強柱弱梁是框架抗震設(shè)計的重要概念,是實現(xiàn)梁鉸機制的重要措施。該調(diào)整是人為地放大柱端彎矩,提高柱的設(shè)計要求(詳見3.2.1)。而彎矩調(diào)幅則更多地從塑性理論出發(fā),使框架梁的內(nèi)力重分布更合理的一種調(diào)整(詳見3.1.2)。畢業(yè)設(shè)計過程中學生經(jīng)常將這兩者混淆,教師在課程教學中應(yīng)更加強調(diào)結(jié)構(gòu)的概念。

    4.2 應(yīng)力重分布和內(nèi)力重分布

    應(yīng)力重分布是相對于截面來說的,裂縫產(chǎn)生后,截面上的應(yīng)力不再服從線彈性分布規(guī)律的現(xiàn)象。 內(nèi)力重分布是相對于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件來說的,桿件開裂后,剛度隨即發(fā)生變化,實際上就改變計算簡圖,那么內(nèi)力也就相應(yīng)發(fā)生了變化。應(yīng)力重分布可能發(fā)生在靜定結(jié)構(gòu)或超靜定結(jié)構(gòu)中,內(nèi)力重分布只可能發(fā)生在超靜定結(jié)構(gòu)中。

    4.3 活荷載不利布置和跨中彎矩增大

    《高規(guī)》規(guī)定,當樓面活荷載大于4kN/m2時,應(yīng)考慮樓面活荷載不利布置引起的梁彎矩的增大[5]?;詈奢d不利布置在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計課程中有詳細講解,此處不再贅述。當樓面活荷載不大于4kN/m2時,為減少計算工作量,可將活荷載滿布,再將跨中彎矩增大1.1-1.2倍,近似考慮活荷載的不利布置。因此這兩者是針對同一概念的不同條件時的處理方法。不少學生在畢業(yè)設(shè)計手算稿中忽略了活載不利布置,卻在結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中同時考慮不利布置與跨中彎矩增大,是沒有掌握這一概念的表現(xiàn)。

    4.4 頂部附加水平地震作用和鞭梢效應(yīng)

    頂部附加水平地震作用和鞭梢效應(yīng)都是結(jié)構(gòu)頂部應(yīng)考慮的問題,但卻是完全不同的概念。增加頂部附加水平地震作用是由于按底部剪力法計算水平地震作用時,僅僅考慮了第一振型的影響,且第一振型強行假定為直線倒三角分布,當周期較長時,高階振型的影響變大,底部剪力法則低估了結(jié)構(gòu)底部的地震剪力。為修正高層振型的影響采用的方法就是增加頂部水平力,附加在頂部質(zhì)點上。采用振型分解法時則不存在這個問題,因為振型分解法考慮了各振型的影響。鞭梢效應(yīng)是由于頂部的突出部分(如小塔樓)由于質(zhì)量和剛度較小,高振型時往往無法與結(jié)構(gòu)一起振動,單獨形成局部振動的現(xiàn)象。在手算中采用剪力放大3倍來近似考慮。

    應(yīng)注意的是,通常在電算時,鞭梢效應(yīng)放大系數(shù)僅取1.5,是因為軟件通過反應(yīng)譜計算,只要振型足夠多,鞭梢效應(yīng)可以得到反映,而按照底部剪力法計算地震時,完全無法考慮頂部小塔樓,因而要求3.0的放大系數(shù)。

    4.5 梁配筋計算考慮板的影響與梁剛度放大

    梁配筋計算考慮板的影響是指在計算梁配筋時,在受壓區(qū)相應(yīng)位置已有部分板鋼筋存在,應(yīng)根據(jù)需要在計算時予以考慮;梁剛度放大是指考慮樓板平面外的剛度貢獻,這是剛度計算問題。即梁配筋計算考慮板的影響理論上只影響梁的配筋計算,減少鋼筋用量,但對內(nèi)力沒有影響,板對梁的內(nèi)力影響應(yīng)考慮為梁剛度放大,兩者并不矛盾,且互不影響,只不過將一種實際情況用兩個功能分開模擬而已。

    4.6 單向板和雙向板

    單向板和雙向板在畢業(yè)設(shè)計中出現(xiàn)的較大問題在于如何求解長邊與短邊比值介于2與3之間的板, 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,當長邊與短邊比值介于2與3之間時,宜按雙向板計算[4]。然而進行手算時,2與3之間的板若按雙向板計算,則無系數(shù)可查。因此這類板應(yīng)按單向板計算,按雙向板的構(gòu)造配筋。

    4.7 周期比和位移比

    周期比和位移比都是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)的指標,但兩者的關(guān)注點不同。周期比控制的是結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)能力,位移比控制的是結(jié)構(gòu)實際存在的扭轉(zhuǎn)量。設(shè)計時不能只關(guān)注位移比。周期比過大說明結(jié)構(gòu)的抗扭能力較差,結(jié)構(gòu)并不一定出現(xiàn)扭轉(zhuǎn),因為有可能給定的作用力條件有限,并沒有找到一個使結(jié)構(gòu)有效扭轉(zhuǎn)的作用位置。因此位移比并未超限,并不代表結(jié)構(gòu)不會扭轉(zhuǎn),實際工程中若結(jié)構(gòu)一旦扭轉(zhuǎn),將會遭到較大程度的破壞。因此周期比和位移比最好應(yīng)同時滿足。

    4.8 框架結(jié)構(gòu)和少墻框架結(jié)構(gòu)

    在高層框架結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計中,常常有學生會在電梯井處布置剪力墻,或為了滿足某些指標的要求,在少部分位置布置剪力墻,并認為剪力墻較少,不能形成框架剪力墻結(jié)構(gòu),仍按框架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,這種做法是錯誤的。當框架部分承擔的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的80%時,會形成帶少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)。實際上帶少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)更復雜,應(yīng)按實際模型和去除剪力墻的框架模型進行小震彈性計算,取包絡(luò)設(shè)計,按純框架模型驗算框架的彈塑性變形?;炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計課程中并未將帶少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)納入教學內(nèi)容范疇,原因在于規(guī)范對該結(jié)構(gòu)體系中框架和剪力墻構(gòu)件的設(shè)計并未細化。因此不推薦學生在畢業(yè)設(shè)計中采用這類結(jié)構(gòu)。

    5 結(jié)語

    土木工程專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計是學生對本科專業(yè)課程的運用及熟悉規(guī)范的過程。要求學生必須對重點課程的知識(混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計)有全方位的掌握。學生畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量是專業(yè)課教學質(zhì)量的體現(xiàn),本文對大量畢業(yè)設(shè)計文本進行了總結(jié),對設(shè)計中較難處理的問題提出相應(yīng)的處理方法,并總結(jié)了學生常見錯誤和知識薄弱點,為混凝土課程的教學提供參考。

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    Analysis on Common Problems in Graduation Design of Civil Engineering

    LUO Ruo-fan, WANG Ying-ge, WANG Shi-cheng
    (Jiaying University, Meizhou 514000, China)

    According to the course content of Concrete Structure, the common problems in graduation design of Civil Engineering are discussed with high-rise concrete frame structure as the example. The article focuses on the problems which are difficult to deal with in the process of graduation design and provides corresponding solutions. It also analyzes general errors and confusing concepts, putting forward the practical suggestions, which may be a helpful reference to the teaching method of Concrete Structure Design and the teaching practice of graduation design.

    Concrete Structure Design; high-rise frame structure; graduation design

    TU3;G642.477

    :A

    :1672-2841(2016)04-0027-05

    2016-11-13

    2016廣東省本科高校教學質(zhì)量與教學改革工程項目精品資源共享課:混凝土結(jié)構(gòu);嘉應(yīng)學院質(zhì)量工程項目。

    羅若帆,男,助教,碩士,研究方向為新材料在土木工程中的應(yīng)用。

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