论文发表：建筑结构设计中的概念设计与结构措施__墨水学术,论文(2)

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上的“惯性矩”相等,以防止一个方向强度(稳定性)储备太大,而另一个方向较弱,因此,抗侧力结构(柱、剪力墙)宜设置在四周,以增大整体的抗侧刚度及抗扭惯性矩,同时,应加大梁或楼层的刚度,使柱(或剪力墙)能承担较大的整体弯矩,这就是“转换层”的概念。防止扭转的目的,是因为在扭转发生时,各柱节点水平位移不等,距扭转中心较远的角柱剪力很大,而中柱剪力较小,破坏由外向里,先外后里。为防止扭转,抗侧力结构应对称布置,宜设在结构两端,紧靠四周设置,以增大抗扭惯性矩。因此,高层或超高层建筑中,尽管角柱轴压比较小,但其在抗扭过程中作用却很大(若角柱先坏,整个结构的扭转刚度或强度下降,中柱必定依次破坏),同时,在水平力的作用下,角柱轴力的变化幅度也会很大,这样势必要求角柱有较大的变形能力。由于角柱的上述作用,角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑,如加大配箍,采用密排箍筋柱、钢管混凝土柱。目前,部分已建建筑在其四角设置巨型钢管柱,从而极大地增强了角柱的强度和抗变形能力。在高层建筑结构设计中,柱轴压比的限值已成为困扰结构工程师的实际问题,随着建筑高度的增加,结构下部柱截面也越来越大,而柱的纵向钢筋却为构造配筋,即使采用高强混凝土,柱截面也不会明显降低。实际上,柱的轴压比大小,直接反映了柱的塑性变形能力,而构件的变形能力会极大地影响结构的延性。混凝土基本理论指出:混凝土构件的曲率延性,即弯曲变形能力主要取决于截面的相对受压区高度和受压区边缘混凝土的极限变形能力。相对受压区高度主要取决于轴压比、配筋等,混凝土的极限变形能力主要取决于箍筋的约束程度,即箍筋的形式和配箍特征值(λ=ρｆｙｆｃ)。因此,为了增大柱在地震作用下的变形能力,控制柱的轴压比和改善配箍具有同样的意义,因而采用密排螺旋箍筋柱或钢管混凝土均可以提高柱轴压比的限值。
　　3协同工作与材料利用率
　　协同工作设计的另一个目的,还在于对材料的充分利用。一般来讲,材料利用率越高(即应力水平越高),该结构的协同工作程度也越高(从优化设计的角度,尽管结构性能最好的方案,不一定是材料利用率最高),尤其对我国这样一个发展中国家,结构设计的目的即是花最少的钱,做最好的建筑,这就要求设计时对结构材料的充分利用,这从梁类构件的演变可以看出。矩形截面梁是最普通的受弯构件,它的材料利用率很低,原因有二:一方面是靠近中和轴的材料应力水平低,另一方面是梁的弯矩沿梁长一般是变化的,这样对等截面梁来说,大部分区段,即使是拉、压边缘,其应力水平均较低。针对梁的这种受力特点,用结构概念分析,主要是因为梁截面存在应变梯度,只有当构件是轴心受力时,材料利用率才可能增大,于是就出现了平面桁架,平面桁架可以理解成“掏空”的梁———将梁中多余材料去除,既经济,又降低自重;故桁架的上弦相应于梁的受压边,下弦相应于受拉钢筋。规则桁架中腹杆的受力(拉、压)与梁中主拉、压应力方向一致,根据上述分析,还可以将桁架的外形设计为与弯矩图相似的形状,从而使桁架的弦杆受力均匀。由于桁架中大量存在压杆,压杆的强度往往由其稳定性决定,而不是由杆件截面材料强度决定,因此,在平面桁架的设计过程中,应设法降低压杆的长细比。单纯增大截面是下策,特别是上弦杆,应努力增加其平面外的刚度(有时上弦采用双杆形成的复合压杆),提供平面外约束(增加支撑),如果把这些平面外的支撑再连接成桁架,这样就使平面桁架变为平面交叉桁架,最后发展为空间网架。空间网架的材料利用率高,应力水平高,故在大跨度、大空间结构中广泛使用,但网架结构中仍然存在压杆,压杆(特别是钢压杆)的应力水平不可能太高(因为随着跨度的增加,网架的高度增大,腹杆的长度将增大,同时节点距离的增大也导致弦杆长度的增大),这样高强材料就不能使用。因此,努力减少或消除结

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