漫话建筑结构设计第三篇——荷载传力路径(一):精细入微,以观其徼

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       在第一篇我介绍了荷载的种类,第二篇中讲了荷载组合及应对方式,那么这些荷载究竟是怎么样传递的呢?根据荷载作用方向我们把荷载分为竖向荷载和水平荷载,竖向荷载包括恒荷载和活荷载,水平荷载包括风荷载和地震作用,下面我分开讲一下他们的传力路径。        竖向荷载传力路径为:板—梁—墙柱—基础。竖向荷载可直接作用板面,比如楼面装修及吊顶荷载,也可直接作用于梁上,比如梁上的隔墙线荷载,也可以直接只用于墙柱,比如剪力墙的挂石等。作用于板面的竖向荷载通过①梯形三角形导荷②对边导荷③周边布置三种方式把荷载传递给板周边的梁(墙),板传递给梁(墙)的是线荷载。

       在第一篇我介绍了荷载的种类,第二篇中讲了荷载组合及应对方式,那么这些荷载究竟是怎么样传递的呢?根据荷载作用方向我们把荷载分为竖向荷载和水平荷载,竖向荷载包括恒荷载和活荷载,水平荷载包括风荷载和地震作用,下面我分开讲一下他们的传力路径。

       竖向荷载传力路径为:板—梁—墙柱—基础。竖向荷载可直接作用板面,比如楼面装修及吊顶荷载,也可直接作用于梁上,比如梁上的隔墙线荷载,也可以直接只用于墙柱,比如剪力墙的挂石等。作用于板面的竖向荷载通过①梯形三角形导荷②对边导荷③周边布置三种方式把荷载传递给板周边的梁(墙),板传递给梁(墙)的是线荷载。

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梯形三角形导荷

       ①梯形三角形导荷,每个板角均分(45度),交线分割成的三角形和梯形面积包涵的荷载就是相应梁边所受的荷载,由原理可知,梯形和三角形都是面积较大,因此板传递到梁的线荷载非均匀分布,而是中间大,端部小。由于梯形三角形导荷方式可以根据长宽比查静力学手册手算,计算方便且精度也是能够满足工程需求,在以前手算时代优势得天独厚,即便现在计算机早已经普及了,仍然是目前采用的主要导荷方式。

       我们平时在手算过程中经常把长宽比大于3的板称为单向板,采用对边导荷的方式计算,这其实是一种非常粗略的近似计算方法,单向板是主要沿着短跨方向传递荷载,但不代表长跨方向就不能传力,只是传递的力较少而已(短边所占的荷载三角形面积非常小),因此很多教材上忽略了这部分力,但是现在都是用软件计算,因而无论单向板还是双向板,计算模型均应采用梯形三角形导荷这种精确的计算方式。

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对边导荷

       ②对边导荷,这种导荷方式主要用于只有两对边受力的板,比如楼梯板,屋面为了“轻薄”造型而设计的两边自由板等。有些新手刚开始建模设计时,遇到楼梯间,直接输入恒活,不修改导荷方式就直接计算了,这是压根没搞清楚荷载的传力路径,楼梯直接搁置在两对边的梁上,和另外两条梁都没有连接,怎么导荷过去呢?如果设置了梯柱,那传力路径就完全不一样了,这种情况下需按点荷载的方式把梯柱的力输入在支撑的梁上才准确,不能仅仅简单修改导荷方式就行了,有些经验丰富的结构设计师不输入点荷载,而是在配筋的时候手动把梯柱支撑梁纵筋和箍筋加大,这一般来说也没问题,但如果帮你配筋的是一个新手,那就极可能造成配筋不足,须谨慎!

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周边布置

      ③周边布置,当房间为非矩形或房间矩形但某一边由多于一根的梁、墙组成时,近似按房间周边各杆件长度比例分配楼板荷载,根据定义可知道,这也是一种近似计算方法,由于板不规则,无法查静力学手册确定荷载分配,就近似采用杆件长度为度量衡,即四边线荷载均一致,大小为总荷载/边长。那么这种导荷方式与梯形三角形导荷有何区别呢?很明显,总荷载两者是一致的,但是荷载峰值不同,梯形三角形导荷的荷载最大值位于梁中部,而周边导荷没有峰值,相当于削峰填谷,这就会造成周边导荷方式的梁弯矩会小于梯形三角形导荷,配筋也会减少,减少幅度跟梁跨度大小有关,梁跨度越大,减小的幅度越大。

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     笔者认为这种近似采用杆件长度为比例分配荷载的方式误差较大,和实际受力情况不太符合,应尽量少采用,如果建模时发现异形板只能采用这种导荷方式,当跨度太大时,应适当加强梁配筋。有些开发商为了节省工程造价威逼设计师采用这种导荷方式,以达到省钱的目的,这与我们国家强调安全的工程精神不符,我们作为结构安全的保障应该据理力争,捍卫结构的安全性!

     竖向荷载通过板传递到梁上面后,梁传递给墙柱的方式就比较简单了,总荷载/2就是梁传给墙柱的点荷载,有些次梁搭在主梁上面,自然也传递给主梁一个点荷载,这些都是通过简单的力学就可以分析清楚,就不再细说。柱底内力传递给基础就更简单了,柱底内力就是基础顶所受的力。

     篇幅所限,本篇仅讲解竖向荷载的传力路径,下一篇讲解水平荷载的传力路径。

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