摘要:关于混凝土结构设计,有一位前辈曾给结构的智慧做了如下阐述:“在许多情况下,结构会接受我们不成熟的假设和不完善的数学模型,结构在失效(破坏)前会耗尽其自身所有的支持能力”。理解这句话本身对于一位结构工程师而言很有意义。
玻璃金字塔
首先,结构分析的假设和模型。一般来说结构设计都要将建筑物合理的简化为力学的模型,并假设适当的外力分布模式以计算简化结构的响应,那么很显然这一切都是基于人为的假设进行,事实上对于很多人而言,有时候整个力学模型的简化或者是外荷载的分布模式(比如风体形)与建筑物的真实状况相去甚远,但是已经建好的建筑却也许可以一直使用到生命周期的结束,这就是因为我们的结构是“智慧”的,比如混凝土的徐变会将应力水平由高的区域扩散到应力水平低的区域,以此自动调节结构的内力平衡,诸如支座沉降的自调节。结构的自我调节的前提就是:一,必须提供至少一条合理的传力路径;二,外力不能超过结构的极限承载力。因此,结构设计应该建立在尽量合理的假设和力学模型上,最坏的情况是假如这些前提是错误的,那么必须在概念上提供合理的、可替代的传力路径,供结构自我调节之用。 其次,弹性分析和塑性设计(极限状态)的矛盾。由于混凝土结构中荷载,材料徐变,以及构件有效惯性矩(与很多因素有关)的不确定性等,导致混凝土结构的精确分析是一个非常复杂的问题。一般结构设计需要在保证安全的前提下将复杂的问题简单化,选择弹性分析方法,有几个原因,一是弹性分析简单却可以得到一个确定的分析结果,并且其内力与实际情况下的内力具有很大程度的相似性并且对于真实的塑性情况具有较好的预判断性(可借助塑性内力重分布方法),因此基于合理力学模型上的弹性分析结果,可以使结构设计得到一个值得信赖的内力分布模式;二是从下限理论的角度看,我们可以自由地选择结构的内力模式,只要它能在给定的强度和边界条件下满足力的平衡条件,所以弹性分析得到的结构内力也可以看作是我们从无穷多内力模式中选择出来的一个而已,并且对于弹性分析的结果做基于塑性内力重分布的假设之后,即采用弯矩调幅后的内力模式也可以认为是一个被选择出来的、用于设计的内力模式。因此,虽然这种分析--设计方法从根本上是不协调的,但是这样做却是安全和保守的,对于一个超静定结构,只要外荷载小于弹性计算值时,经过正确设计的结构是不会破坏的。然而,需要特别强调的是虽然混凝土结构对于外力具有非常好的自调节作用,但是假如设计内力的模式与实际分布差距太大,则会引起裂缝、变形等有关正常使用方面的问题,甚至会引起过早的破坏,也正是在这个意义上,我们采用弹性分析的内力,却并不拘泥于弹性分析的结果。 第三,混凝土结的内力重分布和失效(破坏)。一般来说超静定结构不会因为一个截面达到其极限承载力而破坏,对于混凝土结构而已,当一个截面达到极限状态时会形成一个塑性铰,它允许截面有较大的转动,而弯矩却基本保持不变,塑性铰的出现和转动是实现结构内力重分布的必要条件,然而假如塑性铰的转动能力有限,不足以保证截面的承载力不下降,即构件的延性太差则不但无法很好的实现内力重分布,更可能造成结构的构件的破坏,进而引起结构传力途径和抗力体系的改变,因此,保证混凝土结构的延性意义重大。利用混凝土结构的塑性内力重分布不但可以获得混凝土结构足够的储备承载力,也可以更真实的反映结构的内力分布模式,而且有可能减轻如梁端等临界区域的钢筋密集程度,方便施工。对于构件而言,弯矩重分布主要取决于受拉钢筋的配筋率。对于普通跨度的板,通常配筋率很低,因此也具有良好的延性,适合采用塑性设计方法;对于框架梁由于要综合考虑水平力,因此配筋率较高,应有限考虑弯矩重分布。 最后,小结。混凝土结构具有很强的自动适应我们计算假设的能力,这些计算的假设也许并不代表最合理和自然的解,但是智慧的混凝土结构可以纠正我们的缺陷和错误。混凝土构件可以在自身承载力的范围内转移和接受被转移的内力以实现自身调节的能力,然后这一切都建立在设计师对于临界截面的内力分配和转移有良好的概念判断,并且合理的设计截面的承载力和延性的基础上。注:以上阐述并未考虑混凝土材料收缩,温度等作用导致构件或结构的额外损伤。
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