李榮軼 楊 磊

結(jié)構(gòu)力學是固體力學的一個分支,它主要研究工程結(jié)構(gòu)受力和傳力的規(guī)律以及如何進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的學科。所謂工程結(jié)構(gòu)是指能夠承受和傳遞外載荷的系統(tǒng),包括桿、板、殼以及它們的組合體,如橋梁、屋架和承重墻等。

計算機的發(fā)展,為結(jié)構(gòu)力學提供了有力的計算工具,另一方面,結(jié)構(gòu)力學對數(shù)學及其他學科的發(fā)展也起了推動作用。有限元法這一數(shù)學方法的出現(xiàn)和發(fā)展就與結(jié)構(gòu)力學的研究有密切關(guān)系。

1 結(jié)構(gòu)力學的重要性

結(jié)構(gòu)計算簡圖的選擇經(jīng)歷一個復(fù)雜的過程,需要力學知識、結(jié)構(gòu)知識、工程實踐經(jīng)驗和洞察力,經(jīng)過科學抽象、實驗論證,根據(jù)實際受力、變形規(guī)律等主要因素,對結(jié)構(gòu)進行合理簡化。

結(jié)構(gòu)設(shè)計是先有“設(shè)想”后有“計算”,“設(shè)想”是建立在定性分析的基礎(chǔ)上。力學始于定性分析,終于定量分析;定性分析在先,定量分析在后;定性失準,定量準偏。在進行工程設(shè)計和處理工程實際問題時,需要設(shè)計人員對結(jié)構(gòu)的合理形式以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力等具有總體概念和定性分析能力,還需要具有對工程中計算的數(shù)據(jù)、發(fā)生的現(xiàn)象和出現(xiàn)的問題能夠做出迅速科學判斷的能力,這就是所謂概念設(shè)計和概念分析理念。

結(jié)構(gòu)力學是一切工程進行設(shè)計的基礎(chǔ)。在實際工程中都是將工程實踐中的實際問題抽象為相應(yīng)的力學計算公式進行求解;作為工程技術(shù)設(shè)計人員應(yīng)該掌握工程結(jié)構(gòu)的基本理論和實用設(shè)計方法,具備根據(jù)建筑工程項目的特點、性質(zhì)、功能和業(yè)主的要求正確、合理地進行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本能力。

2 在古建筑中的應(yīng)用

中國以木結(jié)構(gòu)為主體的古建筑,在世界建筑之林中獨樹一幟。木結(jié)構(gòu)以木構(gòu)為骨、磚石為體、結(jié)瓦為蓋、油飾彩繪為衣,經(jīng)歷代能工巧匠精心設(shè)計,巧妙施工,潛心裝飾,付諸心血和智慧建造而成,體現(xiàn)出東方古典建筑獨有的藝術(shù)魅力和中國古建筑木結(jié)構(gòu)的歷史性、藝術(shù)性和科學性。

巧妙而科學的框架式結(jié)構(gòu)是中國古代建筑在建筑結(jié)構(gòu)上最重要的一個特征。因為中國古代建筑主要是木構(gòu)架結(jié)構(gòu),即采用木柱、木梁構(gòu)成房屋的框架,屋頂與房檐的重量通過梁架傳遞到立柱上,墻壁只起隔斷的作用,而不是承擔房屋重量的結(jié)構(gòu)部分?！皦Φ刮莶凰边@句古老的諺語,概括地指出了中國建筑這種框架結(jié)構(gòu)最重要的特點。這種結(jié)構(gòu),可以使房屋在不同氣候條件下,滿足生活和生產(chǎn)所提出的千變?nèi)f化的功能要求。同時,由于房屋的墻壁不負荷重量,門窗設(shè)置有極大的靈活性。此外,由這種框架式木結(jié)構(gòu)形成了過去宮殿、寺廟及其他高級建筑才有的一種獨特構(gòu)件,即屋檐下的一束束“斗拱”。它是由斗形木塊和弓形的橫木組成,縱橫交錯,逐層向外挑出,形成上大下小的托座。這種構(gòu)件既有支承荷載梁架的作用,又有裝飾作用。只是到了明清以后,由于結(jié)構(gòu)簡化,將梁直接放在柱上,致使斗拱的結(jié)構(gòu)作用幾乎完全消失,變成了純粹的裝飾品。

中國古建筑木結(jié)構(gòu)在力學上的特點主要有:1)受力體系明確。中國古建筑保持構(gòu)架制原則,以立柱和縱橫梁枋組合成各種形式的梁架,使建筑物上部荷載經(jīng)由梁架、立柱傳遞至基礎(chǔ)。墻壁只起圍護、分隔的作用,不承受荷載。2)創(chuàng)造斗拱結(jié)構(gòu)形式,構(gòu)造合理。用縱橫相疊的短木和斗形方木相疊而成的向外懸挑的斗拱,本是立柱和橫梁間的過渡構(gòu)件,還逐漸發(fā)展成為上下層柱網(wǎng)之間或柱網(wǎng)與屋頂梁架之間的整體構(gòu)造層,這是中國古代木結(jié)構(gòu)構(gòu)造的巧妙形式。

3 在異形柱結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用

異形柱結(jié)構(gòu)體系是指采用輕質(zhì)填充墻及隔墻的現(xiàn)澆鋼筋混凝土異形柱框架及異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系。柱肢的截面高度與柱肢寬度的比值在2～4之間,相對于正方形與矩形柱而言是異形的柱子。它包括異形柱框架和異形柱框架剪力墻,常用的有“L”形、“T”形、“十”字形。

異形柱結(jié)構(gòu)體系這一新型住宅結(jié)構(gòu)形式能較好地滿足現(xiàn)代住宅建筑的要求,可避免框架柱在室內(nèi)凸出,少占建筑空間,改善建筑觀瞻,為建筑設(shè)計及使用功能帶來靈活性和方便性,因而逐步得到推廣應(yīng)用。

由于其截面的特殊性,在柱截面對稱軸內(nèi)受水平力作用時,彈性分析計算其翹曲應(yīng)力很小,此時如同承受水平力的偏壓構(gòu)件,仍可按平截面假定分析,按混凝土設(shè)計規(guī)范計算,特別是在框—剪,框—筒結(jié)構(gòu)中,對6度及其以下烈度區(qū)的Ⅰ,Ⅱ類場地,框架柱只承擔水平風載的一小部分,如按一般偏壓柱計算,誤差較小。此時異形柱可用等剛度等面積代換成矩形柱后由程序進行整體分析。而在水平力較大,且水平力作用在非主軸方向,則翹曲應(yīng)力不容忽視,按平截面假定誤差較大,則應(yīng)對異形柱框架結(jié)構(gòu)進行有限元分析,決定內(nèi)力和配筋位置及大小。在進行內(nèi)力計算和配筋計算時,宜選用帶有異形柱計算功能的計算軟件。

采用異形柱的框架結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu),其整體變形與普通矩形截面柱接近,與相同截面積的矩形柱比較,異形柱自身剛度大,因而異形柱結(jié)構(gòu)體系整體剛度增大,側(cè)移減少。另外雖然結(jié)構(gòu)的自振周期變短,水平地震作用加大,但結(jié)構(gòu)的整體剛性好,抗震性能不會降低太多。

4 在基坑支護中的應(yīng)用

目前,深基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算仍基于極限平衡理論,但支護結(jié)構(gòu)的實際受力并不那么簡單。

基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法主要有極限平衡法、土抗力法和有限元分析法3類。目前土抗力法中的彈性地基反力法的應(yīng)用日益廣泛。我國JGJ 120-99建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程推薦彈性支點法。該方法取計算寬度的圍護墻作為豎直放置的彈性地基梁,支撐(或錨桿)簡化為彈簧,基坑外側(cè)的主動土壓力呈梯形分布;坑內(nèi)側(cè)的土體用剛度系數(shù)為常量的土彈簧模擬,在線性共同作用彈性地基反力法中,基坑內(nèi)、外側(cè)的土體均用剛度系數(shù)為定值的土彈簧模擬,彈性支點法和線性共同作用彈性地基反力法對工程實際都作了較大的簡化,特別是對地基土的水平基床系數(shù)過于簡化,僅考慮其隨深度的變化,而沒有考慮隨圍護墻水平位移的變化。實際工程中,土體與基坑支護結(jié)構(gòu)是一個相互作用的體系,土抗力與支護結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系是非線性的。

高層建筑的飛速發(fā)展給深基坑支護結(jié)構(gòu)帶來一場技術(shù)革命。在鋼板樁、鋼筋混凝土板樁、鉆孔灌注樁擋墻、地下連續(xù)墻等支護結(jié)構(gòu)成功應(yīng)用后,雙排樁、土釘、組合拱帷幕、旋噴土錨、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土多孔板等新的支護結(jié)構(gòu)形式也相繼問世。但是,這些支護結(jié)構(gòu)形式的計算模型如何建立、計算簡圖怎樣選取、設(shè)計方法如何趨于科學,仍是當前新型支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中急需解決的問題。

5 結(jié)語

我們知道,結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算始終圍繞著平衡這一主題展開,在荷載作用下,結(jié)構(gòu)的整體和局部都要維持平衡,局部平衡是以局部以外構(gòu)件對局部施加約束構(gòu)成的。在實際工程中都是將實際結(jié)構(gòu)作適當?shù)睾喕?忽略次要因素,顯示其基本的特點。合理地選取結(jié)構(gòu)的計算簡圖是結(jié)構(gòu)計算中的一項極其重要而又必須首先解決的問題。在對結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力估算時,可取需要計算的部分為研究對象,其余部分對研究部分的約束作用可以用支座來表示。

結(jié)構(gòu)計算簡圖的選擇經(jīng)歷一個復(fù)雜的過程,需要力學知識、結(jié)構(gòu)知識、工程實踐經(jīng)驗和洞察力,經(jīng)過科學抽象、實驗論證,根據(jù)實際受力、變形規(guī)律等主要因素,對結(jié)構(gòu)進行合理簡化。它不僅與結(jié)構(gòu)的種類、功能有關(guān),而且與作用在結(jié)構(gòu)上的荷載、計算精度要求、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度比、安裝順序、實際運營狀態(tài)及其他指標有關(guān)。計算簡圖的選擇可能因計算狀態(tài)(是考慮強度或剛度,計算穩(wěn)定或振動,還是鋼筋混凝土抗裂驗算)而異,也依賴于所要采用的計算理論和計算方法,方能完成結(jié)構(gòu)構(gòu)件線性或非線性的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)分析。

我們研究結(jié)構(gòu)力學的任務(wù)是研究工程結(jié)構(gòu)在外載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等的規(guī)律;分析不同形式和不同材料的工程結(jié)構(gòu),為工程設(shè)計提供分析方法和計算公式;確定工程結(jié)構(gòu)承受和傳遞外力的能力;研究和發(fā)展新型工程結(jié)構(gòu)。

[1]JCJ 120-99,建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

[2]DBJ/T 15-20-97,建筑基坑支護工程技術(shù)規(guī)程[S].

[3]雷鐘和.結(jié)構(gòu)力學解疑[M].北京:清華大學出版社,2001.

[4]曹漢杰,王偉霞.基坑支護的綜合應(yīng)用[J].山西建筑,2008,34(12):131-132.