結(jié)構(gòu)設(shè)計中剛度理論的應(yīng)用

一般來說,一個注重剛度概念設(shè)計的結(jié)構(gòu)工程師,隨著他年齡的增長,工程實踐經(jīng)驗越來越豐富,其結(jié)構(gòu)剛度概念日趨完善,設(shè)計成果也越來越創(chuàng)新、成熟。然而遺憾的是,隨著社會分工的細化,大部分結(jié)構(gòu)工程師只會依賴規(guī)范、設(shè)計手冊和計算軟件做習(xí)慣性的設(shè)計,而很少進行思考和總結(jié)。很多工程師在全面使用一體化計算軟件進行設(shè)計的今天,當計算機結(jié)果明顯不合理甚至錯誤時不能及時發(fā)現(xiàn),從而使得結(jié)構(gòu)存在安全隱患。

在結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置和計算分析階段, 一般設(shè)計人員比較關(guān)注荷載的種類及其數(shù)值的大小,而忽視結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在外力作用下的變形能力、構(gòu)件之間的內(nèi)在聯(lián)系等,即比較注重力的概念,而忽視或輕視剛度概念。事實上,在建筑所在地、房間功能劃分、墻體分布等客觀因素確定以后,結(jié)構(gòu)受到的荷載是基本確定的,但結(jié)構(gòu)工程師可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置逐步完善結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形更加合理。而這個過程是與結(jié)構(gòu)剛度理論分不開的,結(jié)構(gòu)中力的平衡、變形的協(xié)調(diào)必須通過構(gòu)件的絕對剛度與相對剛度來實現(xiàn)。換言之,屬于結(jié)構(gòu)外部因素的力要通過屬于結(jié)構(gòu)內(nèi)部因素的剛度在結(jié)構(gòu)內(nèi)部作用和傳遞。因此,結(jié)構(gòu)工程師必須重視和理解結(jié)構(gòu)剛度理論,它不僅能夠消除結(jié)構(gòu)的安全隱患,還可以保證結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在荷載作用下受力合理并獲得最佳的經(jīng)濟效益。

1 次梁布置錯位造成主梁扭轉(zhuǎn)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,一般會在填充墻下布置次梁,但有時因為建筑造型或使用功能等的需要,主梁兩側(cè)的填充墻并不完全對齊,這就導(dǎo)致布置的次梁不完全對齊,見圖1。當這兩根次梁的間距較小的時候,中間的主梁就會因兩根次梁傳來的方向相反的彎矩而受到很大的扭矩作用,在這種情況下,程序計算的結(jié)果往往為需設(shè)置很多抗扭鋼筋或截面抗扭驗算不滿足。很多設(shè)計師會采用“抗”的辦法來解決這個問題,即通過加大主梁截面和設(shè)置足夠的抗扭鋼筋來提高主梁抗扭剛度。盡管這種處理方法從理論計算上能滿足設(shè)計要求,但會造成該節(jié)點區(qū)鋼筋過多(不僅是主梁的抗扭鋼筋增加,次梁的梁面鋼筋也需要在此處錨固),而且一旦主梁無法抵抗這種扭矩發(fā)生開裂變形,次梁的梁端彎矩會迅速釋放,導(dǎo)致次梁跨中彎矩增大,結(jié)構(gòu)存在安全隱患。這種由結(jié)構(gòu)布置“先天不足”帶來的扭矩也會隨著主梁抗扭剛度的增大而增大。事實上,我們可以將其中一根次梁的梁端設(shè)置為鉸接進行計算,這樣由于這根次梁梁端的抗彎剛度變?yōu)榱?主梁受到扭矩也會基本消失,另一根次梁梁端彎矩也會因主梁在該節(jié)點處變形能力的增強而減小,兩根次梁的跨中彎矩會適當增大。那么，我們在設(shè)計時只需適當增加次梁跨中的梁底鋼筋就能滿足計算結(jié)果。該節(jié)點在實際工作中次梁梁端會因荷載作用產(chǎn)生少量的開裂變形,然后梁端彎矩就被釋放,跨中彎矩增大,這就與我們的設(shè)計相吻合。

圖1 次梁錯位布置圖

2 邊梁剛度變化改變內(nèi)力傳遞路徑

由于造型需要,建筑物外立面經(jīng)常會利用混凝土構(gòu)件設(shè)置一些線條,很多時候這些線條設(shè)置的位置不在結(jié)構(gòu)梁上,需要從結(jié)構(gòu)梁下掛混凝土板,施工中下掛板與結(jié)構(gòu)梁往往一同澆筑,導(dǎo)致整體構(gòu)件的剛度大于原結(jié)構(gòu)梁,這會影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配。由圖2所示,這是一種常見的結(jié)構(gòu)布置形式,懸挑范圍的荷載由框架梁和次梁共同承擔(dān),程序的計算結(jié)果通常為框架梁懸挑端配筋較大,次梁懸挑端配筋較小。但若圖中結(jié)構(gòu)邊梁存在下掛板,完全按照計算結(jié)果配筋則會給結(jié)構(gòu)留下安全隱患。由于下掛板與邊梁連成整體,邊梁剛度增大,主梁懸挑端分配到的荷載會增加,應(yīng)適當加大其配筋,而次梁懸挑端分配到的彎矩減小,這會造成次梁懸挑端里面一跨的跨中彎矩增大,故應(yīng)適當加強其梁底配筋。

圖2 懸挑梁布置圖

3 地下室頂板高差梁

如今多數(shù)建筑物都會設(shè)置地下室,地下室可以提供停車、設(shè)備間或商業(yè)用房,還能增加基礎(chǔ)埋置深度,《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3—2010)》也規(guī)定高層建筑宜設(shè)置地下室。而地下室以上通常分為室內(nèi)區(qū)域和室外區(qū)域。室外區(qū)域多為道路和綠化,為了達到綠化率,室外區(qū)域的覆土厚度經(jīng)常會達到1.5 m,加上完成后的室內(nèi)外高差0.3 m,結(jié)構(gòu)室內(nèi)外高差會達到1.8 m。地下室頂板的室內(nèi)外高差梁需要擱置室外的次梁,結(jié)構(gòu)梁高一般會有2.5 m以上(圖3)。這樣的框架梁實際剛度非常大,室內(nèi)外的次梁構(gòu)件截面遠小于該框架梁,兩者剛度差異也較大。通過程序的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),次梁在該框架梁處的配筋較大,這說明該框架梁對次梁來說是固定支座,約束了次梁的梁端變形。但是,該框架梁若要真正成為次梁的支座還要滿足一定的構(gòu)造要求,按照圖集次梁的梁面鋼筋水平錨固長度應(yīng)達到0.6laE,而此處次梁的梁面配筋較大,鋼筋常需要分兩層布置,該框架梁的梁寬往往不足以保證這種錨固長度,因此我們?nèi)绻凑者@樣的計算結(jié)果進行配筋,對次梁的安全性是有影響的。所以,此處也可以將次梁的梁端設(shè)置為鉸接進行計算,并按計算結(jié)果配筋。

另外,由于此處存在高差,在進行板配筋計算時,程序通常會將高差梁這一側(cè)設(shè)置為簡支邊,通過前面的分析我們知道,高差梁對于次梁來說都有足夠的剛度作為固定支座,那么對于剛度更小的樓板來說就更能作為固定支座,而板面鋼筋直徑通常較小且為單層配筋,可以滿足錨固長度的要求。在板配筋的設(shè)計中,我們可以將高差梁這一側(cè)也設(shè)置為固支邊,以減小板配筋,提高經(jīng)濟效益。

圖3 室內(nèi)外高差梁示意圖

4 地下室底板剛度理論的應(yīng)用

另外,當?shù)叵率业装宀捎脽o梁體系時,樁承臺與底板交界處由于板厚突變,結(jié)構(gòu)剛度存在突變的情況,使該部位成為結(jié)構(gòu)的薄弱部位。大量的工程實例表明,地下室底板開裂漏水往往是發(fā)生在這個部位。因此,結(jié)構(gòu)設(shè)計中設(shè)計師應(yīng)該在這個部位采取構(gòu)造措施來減小剛度突變，辦法是可以將交界處做成帶斜角的形式,并在斜角區(qū)域設(shè)置一定的構(gòu)造鋼筋,這樣可以有效地使剛度平緩變化,減小應(yīng)力集中,增加結(jié)構(gòu)可靠度。見圖4。

圖4 承臺加斜角示意圖

5 結(jié) 語

1)結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計中應(yīng)保持對剛度理論清醒的認識,對計算模型與實際情況的剛度差異要進行合理的分析,必要時對設(shè)計進行調(diào)整,如邊梁剛度變化改變內(nèi)力傳遞路徑時。

2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,靈活運用剛度理論,既可以釋放構(gòu)件剛度使結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布,也可以通過構(gòu)造措施使部分節(jié)點完全剛接,這樣不但保證了結(jié)構(gòu)安全性,還能提高經(jīng)濟效益。

3)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,外部荷載是相對確定的,結(jié)構(gòu)工程師并不能人為減少外部的荷載,但是可以通過對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件剛度的調(diào)整來控制變形和位移,減少安全隱患,使整個結(jié)構(gòu)設(shè)計更加完善、合理。