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对结构概念设计的认识(二)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 ,努力减少或消除结构中的压杆 ,就使我们找到了悬索结构 ,悬索结构中所有的“杆件”均为拉杆 ,这样就使悬索结构中杆件的应力水平极高 ,材料利用率极大 ,高强材料得以充分利用 ,还可施加预应力。因而在超大跨度的结构中 ,悬索结构 (或包括悬索结构的组合结构 )是首选的结构类型。就混凝土基本理论的发展来看 ,也体现了使各种材料充分发挥性能 ,并相互协同工作的特点。林同炎教授认为 :钢筋混凝土与预应力混凝土之间的区别在于钢筋混凝土是将混凝土与钢筋两者简单地结合在一起 ,并让他们自行地共同工作 ,预应力混凝土是将高强钢筋与高强混凝土能动地结合在一起 ,使两种材料均产生非常好的性能。反映了人们对混凝土中的协同工作认识和运用过程的加深。目前广泛使用的钢 -混凝土结构 ,是将钢结构与混凝土结构相互取长补短形成的一种新型的结构形成。尤其是钢管混凝土 ,与预应力混凝土相似 ,更将这两种材料能动地结合起来 ,实现了结构材料的又一次革命。钢管混凝土的原理有二 :
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