结构受力体系

2024-12-02|版权声明|我要投稿

结构受力体系(精选9篇)

结构受力体系 篇1

1 概述

无背索斜拉桥是斜拉桥的一种。其索塔向岸或向边跨方向倾斜, 并仅在靠主跨一侧布置斜拉索, 另一侧无拉索, 故称为无背索斜拉桥。由于索塔倾斜, 给人一种独特的不对称稳定感, 因仅在索塔一侧布置斜拉索, 又有一种轻盈而又惊险的感觉, 高耸的塔身更体现出气势和力度, 形成了壮丽的画面。

自从1992年西班牙塞维利亚建成世界上第1座无背索斜拉桥-Alamillo大桥以来, 这种造型优美、结构独特的桥梁立即引起世界桥梁界的普遍关注。

2 桥型示意及有关参数说明

图1为无背索斜拉桥示意图。主跨两端可以有边跨或无边跨。图中各符号含义说明如下。

H-桥面以上索塔的竖向高度, 即最外一组斜拉索与塔中心交汇点至桥面的高度;β-索塔轴线与水平线之间的夹角, 即索塔的水平倾角;γ-索塔的倾斜角, 即索塔轴线与铅垂线之间的夹角;α-最外一组斜拉索的水平倾角;a-主梁上相邻两根拉索的间距;b-索塔上相邻两根拉索的间距;LL-拉索区主梁重心至塔梁固结点K的水平距离;LT-主塔重心至塔梁固结点的水平距离;WL-拉索区主梁重量;WT-索塔重量。

3 结构体系

按塔、梁刚度比及受力特点, 无背索斜拉桥的结构体系可以分为以下两类:

(1) 刚塔刚梁类。塔梁刚度相当, 为一般斜拉桥的特殊情况, 即无背索斜拉桥。它的力学特征是索塔自重效应完全平衡了主梁竖向荷效应后, 主塔在恒载状态下根部只有轴向力而弯矩为0。这种结构体系应用较早, 例如西班牙Alamillo桥、哈尔滨太阳岛桥。

(2) 柔塔刚梁类。它的力学特征是桥塔自重效应不能完全平衡主梁竖向荷载效应。由塔、梁、索三者组成的结构依靠自身只能达到部分平衡。索塔可以成为一个轴心受压构件, 而梁只能达到部分平衡, 还需依靠主梁的强度和刚度分担一部分荷载效应。其力学特征与部分斜拉桥 (亦称矮塔斜拉桥) 类似。因此可以引入竖向荷载分配系数f与拉索活载应力变幅σf来分别衡量恒载与活载状态下拉索和主梁各自承担竖向荷载的比值。因此, 这类无背索斜拉桥, 也可以称为无背索矮塔斜拉桥 (或部分斜拉桥) , 以区别于一般无背索斜拉桥。例如合肥铜陵路南淝河桥、河南新密市溱水路桥。

4 静力平衡分析

无背索斜拉桥的静力平衡问题, 主要是指索塔自重与主梁自重两者所产生的静力效应如何平衡的问题。

(1) 刚塔刚梁类。

塔梁刚度相当, 其整体平衡是指在恒载情况下, 可使索塔根部只存在轴向力而弯矩为0的平衡状态, 是一个理想化的宏观状态平衡, 用以初步拟定塔梁尺寸。

采用以下假定: (1) 单根斜拉索竖向分力等于相应的索间距节段梁体恒载重量, 全部拉索竖向分力等于拉索区梁体的恒载重量。 (2) 忽略无拉索区段梁体重量、刚度及支承情况对结构平衡的影响。

为了使恒载状态下主塔根部处于轴心受压状态, 索塔根部承受的拉索区主梁倾覆力矩应等于索塔自重产生的抵抗力矩, 可得 (参阅图1) :

此时塔、梁处于恒载总体平衡状态。

对于某一根斜拉索, 在塔、梁相当的情况下, 处于局部平衡状态。其局部平衡用下式表达:

式中:GT-对应于一根拉索的塔体局部区段的自重;GD-对应于一根拉索的梁体局部区段的自重;GL-对应于一根拉索的梁体局部区段的活载;μ-考虑汽车荷载的比例系数, 可近似取μ=0.5 (μ在0~1之间变化) ;C-塔梁重量比, 即1t梁体自重完全由塔通过拉索予以平衡, 则需Ct塔体自重。在相同荷载下, 当各拉索均满足局部平衡时, 则整体结构必然满足整体平衡, 反之则不然。

C是一个反映了塔梁自重分布及索塔倾角影响的综合因素, 是描述无背索斜拉桥结构特征的重要参数。

(2) 柔塔刚梁类

柔塔刚梁类属塔轻梁重的情况。恒载状态下, 塔自重产生的抵抗力矩MT=WT·LT不能完全平衡梁体自重产生的倾覆力矩ML=WL·LL, 此时上述第 (1) 项中的第 (1) 条假定不再成立, 即单根斜拉索竖向分力不等于对应索距间梁体恒载重量, 全部拉索的竖向分力也不等于拉索区的恒载重量, 即WL·LL>WT·LT。

为了达到整体平衡, 引入荷载分担率f, 定义f为:

f=拉索分担的竖向荷载/全部竖向荷载, 可理解为:f是在恒载状态下, 由索塔结构承担的梁体竖向荷载占梁体全部竖向荷载的比值。

于是可得索塔根部弯矩为0, 即整体平衡的公式为:

进一步引伸至局部平衡, 可得

f的概念, 与矮塔斜拉桥荷载分配的概念实质相同。因此, 可以认为, 柔塔刚梁类无背索斜拉桥是矮塔斜拉桥的一种特殊型式。归纳起来, 可以这样描述:无背索斜拉桥是斜拉桥的一种特殊型式。一般的无背索斜拉桥, 为刚塔刚梁, 塔梁刚度相当;当柔塔刚梁时, 实质上为无背索矮塔斜拉桥, 是无背索斜拉桥的一种特殊型式。

(3) 设计要考虑三种平衡状态

(1) 施工过程中的塔梁平衡;

(2) 成桥时塔梁结构的整体平衡;

(3) 运营阶段塔梁的局部平衡, 此时应计入活载影响。

当三种平衡出现矛盾时, 一般可在施工阶段采取临时措施加以解决。若第 (2) 、 (3) 种平衡矛盾较大时, 则应考虑适当调整塔梁构造尺寸或几何参数予以克服。

参考文献

[1]王伯惠.斜拉桥结构发展与中国经验[M].人民交通出版社, 2003-9.第1版.

[2]汪波, 等.斜塔无背索部分斜拉桥结构设计研究[J].公路, 2008-8.

[3]陈爱军, 邵旭东.无背索竖琴式斜拉桥砼斜塔结构设计与研究[J].公路, 2006-8.

[4]王碧波.无背索斜拉桥的结构静力平衡特征探讨[J].桥梁建设, 2004-3.

[5]吴洪峰, 孙宁.无背索斜拉桥设计及施工控制技术[J].公路, 2012-1.

[6]彭旺虎, 等.无背索斜拉的概念、设计与施工[J].土木工程学报, 2007-5.

[7]楼庄鸿, 等.无背索斜拉桥.2005年全国桥梁学术会议论文集.

结构受力体系 篇2

由抛物线方程列出了抛物面的表面积、体积参数方程.根据薄膜理论建立了经向、环向张力表达式,并进行了参数分析.本文工作对气囊膜结构的.设计具有一定的指导意义.

作 者:姜伟 陈务军 付功义 JIANG Wei CHEN Wujun FU Gongyi  作者单位:上海交通大学空间结构研究中心,上海,200030 刊 名:四川建筑科学研究  ISTIC PKU英文刊名:SICHUAN BUILDING SCIENCE 年,卷(期):2007 33(6) 分类号:V21.1 O11.2 关键词:气囊膜结构   抛物面   受力分析  

★ 抛物面气囊膜结构受力分析

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结构受力体系 篇3

为使学生的素质和能力满足企业和市场的要求, 进而能够在社会上立足, 高职高专土建类课程必须进行改革。我院在原有《建筑力学》的基础上将《结构力学》课程进行改革, 设立了《建筑结构体系受力分析与计算》课程。基于建筑工程技术专业学生顶岗实习情况调查, 以及毕业生在施工企业工作情况回访的基础上, 探讨教学改革问题。该课程的教改主要按以下步骤进行:课程教学反思和企业调查→教学理念更新→教学设计研究→课程教学→学习成果考核→评价改进。

1 该课程教学中存在的几个问题

《建筑结构体系受力分析与计算》是建筑工程技术学生的必修课, 该类课程是后续《建筑结构》《建筑工程施工》等课程的基础。如果力学、结构知识掌握情况不佳, 往往会导致学生在施工企业的后续发展受限制。而力学类课程本身就比较枯燥、抽象, 学习难度大, 确实存在一些需要改进之处。

1.1 教材更新速度较慢

高职高专的建筑力学教材一般都是在本科教材的基础上, 删减难度大的内容, 改编成难度适合专科层次的教材。总体上讲, 这类教材比较传统, 更新速度缓慢。传统教材更注重讲述纯理论知识、力学计算原理以及相关公式的推导, 忽略了把力学与日常生活和工程结构相结合, 也不注重基本概念的总结和分析方法的运用。由于传统教材很少将力学知识与建筑结构内容联系起来, 学生学到的仅是理论知识, 又不能活学活用, 专业实践能力很难从本质上得到提高。近几年不少高职院校开发的《建筑力学与结构》教材也存在或多或少的问题[1]。这样的教材不利于培养高职高专学生理论联系实际的能力, 很难为后续结构、施工等课程起好专业铺垫的作用。

1.2 教师自身专业素质需要提高

部分教师的工程经验偏少, 教学经验明显不足。

一些教师直接从一名大学毕业生成为高校教师走上讲台。有的老师甚至从来没有完整地参与或跟踪过一个小型工程, 非常缺乏在实际工程中的锻炼, 工程实践经验严重不足。如果教师自己都很难将工程实践与理论课程结合起来, 仅能将纯理论的内容教给学生, 那么学生理论联系实践的能力必然不高。

少数教师授课缺乏教学经验, 在给不同基础、不同接受能力、不同专业方向的学生授课时, 不做有针对性的备课, 讲授的进度快慢不做调整。还有极少数老师一味追求多媒体教学方式, 讲授力学课程时全部采用PPT授课, 而不用黑板, 难以达到较好的教学效果。随着学生的变化, 工程技术的更新, 教师在教学设计、教学方式方法上都应该努力创新。

1.3 学生学习效果不理想

高职高专的入学门槛低, 学生基础普遍较差, 确实也存在一些学生到学校读书仅为混文凭的现象, 但是大部分学生是愿意学习的。一般来讲, 学生更愿意学习他们自己认为有用的, 在实践中能立竿见影的操作类课程。

在高职高专课程中, 专业理论课的难度较大, 部分学生的学习基础差, 又很难集中精力认真听每一节课, 处于被动学习的状态。随着学习的深入, 知识越来越难, 学生很可能越听越吃力, 形成恶性循环, 学习热情下降, 还容易产生厌学情绪, 造成学习效果不理想。

2 课程教学改革内容

本课程教学改革主要调整《建筑结构体系受力分析与计算》的教学内容、方法以及教学模式等, 让该课程的教学为学生以后顺利走上工作岗位打下良好的基础。

2.1 优化教材, 调整教学内容, 创新教学模式

1) 优化传统教材。

查阅多种资料, 如力学教材、结构教材, 以及建筑施工等专业相关资料。从不同的教材等资料中寻找对本课程有帮助的内容, 将建筑结构、施工等课程, 以及建筑工程施工现场工作中有关内容作为案例、习题, 融入《建筑结构体系受力分析与计算》课程中。这样有利于学生对结构和受力分析知识的理解和掌握, 更有助于学生对知识的活学活用。

2) 更新课堂教学内容。

由于本课程通常在大一或大二上学期开设, 建筑结构、施工等课程在其后才开设, 所以在授课中最好尽可能地安排少量学时把学生带到工地和实训室进行观摩、了解, 并引导学生把所见的结构体系与结点、荷载、支座、梁、刚架等课程内容联系起来, 让学生对工程有一定的感性认识, 提高学生对本课程的兴趣。

在课堂教学中, 尽量把学习内容与学生以后可能的工作内容联系起来。例如, 在讲授梁的弯矩和剪力计算时, 结合弯矩图、剪力图, 拓展讲梁纵向受力筋、箍筋以及构造钢筋的受力和作用。还可以将模板设计、脚手架钢管稳定性的计算作为案例给学生讲授。

3) 改革教学方法。

在课堂上, 采用黑板板书、模具展示、视频资料和PPT投影等多种方式辅助教学, 帮助学生理解和掌握知识[2]。多采用启发式教学。教师作为引导人, 多提问, 多启发学生思考, 培养学生发现问题, 分析问题, 解决问题的能力。对学生分析正确之处, 多给予肯定, 提高学生学习的兴趣, 营造互动的教学氛围, 尽可能让学生在学习过程中发挥积极主动的作用。

教师与学生多做学习方面的交流, 获得更多的教学反馈。鼓励学生从生活、工程实践活动中发现受力计算的问题, 锻炼学生分析荷载、约束、结点的类型, 将实际结构转化成力学模型并进行简单计算的能力。在课堂上安排一定的时间, 让学生讲授自己已经解决的受力计算问题, 然后教师进行补充和评价总结。通过这样的过程可以锻炼学生的自学能力、表达能力和心理素质。

2.2 提高教师自身素质

就业市场不只对学生的能力提出了越来越高的要求, 实际上也给教师的素质提出了更高的标准。教师必须增加知识的储备, 丰富施工、结构、设备方面的知识, 积累实际工程经验, 不断提高专业水平和课堂教学能力。特别是刚毕业参加工作缺乏工程历练和教学经验的教师, 不仅需要参加教学能力培训, 还应该到工程项目上实践锻炼, 努力成为合格的双师型教师。

2.3 开展技能竞赛, 激发学生潜能

积极组织学生参加校内、校外相关的技能竞赛, 激发学生的潜能。我院近几年在校内开展了力学竞赛、纸材建筑模型大赛, 参与的学生较多, 取得的效果较好。在竞赛中, 学生在学中做, 做中学, 提高了学生的动手操作能力、计算能力, 也培养了他们吃苦耐劳的精神和团队协作能力。通过竞赛激发了学生对受力分析课程的兴趣, 更提高了他们分析问题、解决问题的能力。

3 结语

本课程通过一系列的改革, 激发了学生的学习兴趣, 提高了学生的学习积极性, 取得了一定的效果。但由于本课程的教学改革时间不长, 还需要进一步的努力。后续的改革仍然主要以学生就业、工作后的继续发展、社会需要为参考和指导, 围绕课程, 从本质上提高课程的教学质量, 增强学生学习的主动性和积极性, 为后续课程打下良好的基础, 培养出适应岗位需求的高素质建筑工程专业毕业生。

参考文献

[1]陶莉, 戴庆斌.高职《建筑力学与结构》课程教学改革初探[J].成人教育, 2012 (9) :105.

结构受力体系 篇4

火箭发动机法兰连接结构的受力与变形分析

法兰连接结构在火箭发动机上得到了大量应用,但由于其结构的非线性和静不定性,给精确的应力应变分析带来了很大的困难.文中分别在预紧和操作情况下,应用弹性理论对火箭发动机法兰连接结构进行了较为详细的载荷变形分析.算例的`计算结果表明,考虑法兰环旋转时更能反映火箭发动机法兰连接结构的真实受力情况.

作 者:张庆雅 杨光松 安联 赵洪海 ZHANG Qingya YANG Guangsong AN Lian ZHAO Honghai 作者单位:刊 名:弹箭与制导学报 PKU英文刊名:JOURNAL OF PROJECTILES, ROCKETS, MISSILES AND GUIDANCE年,卷(期):28(1)分类号:V430关键词:火箭发动机 螺栓 法兰环 载荷 变形

转换梁结构受力优化分析 篇5

1 梁式结构转换层

1.1 预应力混凝土梁式结构转换层

应力技术无论对结构还是对施工都起着重要的作用, 该技术可使截面尺寸有效减小、挠度和裂缝可有效控制 (包括施工阶段的) 及支撑负担的减轻等。因此, 对于建造承重荷载的大跨度转换层, 预应力混凝土结构非常适合。随着预应力技术在我国的发展, 其材料费用和施工费用有不断下降的趋势, 预应力混凝土结构经济优势越来越明显。

1.2 钢骨混凝土梁式结构转换层

建筑结构日益向着高层和超高层的结构形式发展, 相应地转换层承托的层数也日益增多。钢骨混凝土梁的承载能力较高, 刚度好, 构件截面尺寸可以大大缩减, 且其塑性、耐久性及抗震性能也优于一般的钢筋混凝土。因此, 钢骨混凝土的应用被广泛应用。另外, 钢骨混凝土梁由于本身刚度好, 因此在施工时定位准确, 可减少支模, 施工速度有较大提升。

1.3 转换梁受力机理分析

通过对转换梁结构的计算分析可以发现这样一个现象:只要转换梁上部墙体有一定的长度, 不管其以哪种形式存在, 都会在一定程度上减小转换梁中的弯矩, 并在转换梁上产生一定范围的受拉区。对此现象分析后得出以下结论:

(1) 在转换结构体系中, 墙与转换梁是作为一个整体的, 它们共同弯曲变形。若仍将转换梁作为一个构件单独分析而忽略整体作用, 其所算出的弯矩会大很多。同时, 由于转换梁作为受拉翼缘, 则必然出现轴向拉力。

(2) 拱的传力作用是转换梁内力特点形成的主要因素。在墙与转换梁共同工作中, 其内部类似于形成一个传力拱, 由于它的存在, 上部竖向荷载传到转换梁时, 其中很大一部分以斜向荷载的形式作用于梁上;若将斜向荷载正交分解到垂直向和水平向等效荷载, 则由于垂直荷载较单独考虑转换梁时小, 因此弯矩肯定是考虑墙体作用时小, 在水平荷载作用下, 就形成转换梁跨中一定区域受轴向拉力的现象。

这两种因素决定了转换梁最终的受力状态。

3 改善转换梁受力性能的方法

受剪承载力是控制转换梁截面尺寸的决定因素, 其截面尺寸往往较大, 如不能很好地处理转换梁的尺寸, 则有可能与框支柱形成“强梁弱柱”的结构形式, 对抗震是极其不利的;寻找新的转换结构形式以改善转换梁的受力性能是十分必要的, 常见方法包括以下三种。

3.1 利用斜向支撑

在转换梁的上部框架结构中选择合适部位设置一些斜腹杆, 使转换梁支托柱上的荷载预先通过斜腹杆将一部分荷载传递给两侧落地的竖向框架柱, 相当于改变一部分转换梁上的垂直荷载的传力方向, 类似拱传力的作用。

3.2 多道转换

将转换梁进行多道设置, 即将结构转换梁上部所有荷载施加于其上的情况变为分层施加于几道转换梁上, 由一道转换梁只承托一部分楼层的荷载, 来达到改善单根转换梁上受力的性能。

3.3 转换梁加腋

在转换梁的设计中, 对于它的截面尺寸来说, 受剪承载力才是其主要控制因素。要想使截面尺寸得到有效的降低, 就要增强其在支座区段的抗剪承载力, 而抗剪承载力的提高即局部增大截面面积, 加腋是基于此而产生的。转换梁加腋时还必须考虑其与上部剪力墙共同工作的情况, 转换梁承受的荷载由于共同作用而减小, 但上部剪力墙由于共同作用承受的荷载反而会增加, 在设计过程中对上部剪力墙应采取加强措施。

4 利用ANSYA软件改善转换梁的受力性能

用ANSYA分别对普通梁式转换层、进行加腋后的梁式转换层、加斜向支撑后的梁式转换层进行计算, 得出各种情况下的内力分布情况, 比较各自的内力分布特点以及验证受力性能是否改善。

混凝土等级采用C40, 弹性模量Ec=3.20×1010k N/m2, v=0.2, 转换梁高为1.60 m、宽为0.6m, 下部框架柱截面为正方形, 尺寸为1.6 m×l.6m, 转换梁上部剪力墙墙厚为0.25 m, 上部楼层的层高为3.0 m, 每层板上的荷载经计算简化为25 k N/m2, 转换梁上部设18层。在ANSYS中分析时框架柱、梁, 剪力墙采用solid 45单元。梁的剪应力、拉应力以及第一主应力在距支座处约0.2倍梁跨的范围内比较大, 因此此部位是转换梁的薄弱部位, 通过对此薄弱部位进行加强, 必将大大改善梁的受力性能。

5 结语

通过对ANSYA建立的模型计算结果对比分析, 可以得出下面几点结论:

(1) 转换梁上部承受剪力墙时, 在转换梁上都会出现拉应力, 产生的拉应力对结构的受力性能是极其不利的, 在进行结构设计时, 需对其抗拉强度进行验算。

(2) 转换梁加斜向支撑后, 支座处的水平拉应力、竖向压应力, 和最大第一主应力, 都有比较明显的改善, 同时也有新的问题产生, 即应力集中现象。

(3) 对转换梁进行加腋后, 转换梁的各种应力的改善较加斜向支撑的转换梁更加显著, 对转换梁薄弱部位进行加腋处理是可以有效改善转换梁的受力性能的。

摘要:本文在介绍常见梁式结构转换层的基础上, 重点分析了改善转换梁受力性能的方法, 并且采用ANSYA软件结合实际进行验证。希望能够为相关工程的设计提供参考。

关键词:转换梁,受力机理,性能

参考文献

[1]李永贵.高层建筑钢筋混凝土梁式转换层施工技术研究[D].湖南大学, 2006.

[2]陈勇.带梁式转换层的高层建筑抗震性能的研究[D].西南交通大学, 2008.

[3]乔振伟.高层建筑梁式转换层施工方案优化设计及工程应用[D].安徽理工大学, 2013.

[4]梁炯丰, 张敏.高层建筑转换层结构综述[J].石家庄铁道学院学报, 2006, (S1) .

隧道衬砌模板支撑结构受力分析 篇6

关键词:隧道衬砌,支撑结构,受力分析

0 引言

隧道建筑是铁路, 公路, 水工, 市政工程中很重要的建筑结构形式。为保障隧道结构的安全运营, 混凝土衬砌施工是一项必要的施工环节。一些文献[1,2,3,4,5,6]对隧道设计施工工艺及安全作了必要的论述和规定。一些著作[7]中对隧道设计支撑计算采用不同理论进行了分析, 给出了设计计算公式。本文假定处于均匀围压作用下的矩形隧道衬砌采用“田”字形支撑体系, 利用结构力学方法, 推导出支撑在刚性连接条件下的强度及变形计算公式, 可作为有关设计施工参考。

1“田”字形支撑结构内力与变形计算公式

1) 如图1所示为“田”字形支撑结构受力分析示意图。忽略轴力产生的变形, 不考虑线位移, 利用转角方程:

由于结构对称, 令θA=θB=θC=θD, θE=θF=θG=θH=0。

取A点平衡, 求θA:

将θA代入式 (1) 得:

2) 内力PAG, PEF计算示意图见图2。

取E点平衡, ∑ME=0得:

取y方向平衡, ∑y E=0得:

PAE, PGH计算示意图见图3。

取G点平衡, ∑MG=0得:

取x方向平衡, ∑x=0得:

3) 变形计算。

变形计算示意图如图4所示。

由于对称, θE=θG=0, wA=wE=wg=0, 其中, θ为角变形;w为挠度变形。

2 工程应用实例

某隧道工程为一双线隧道, 隧道断面为10 m×10 m矩形隧道。该隧道地质围岩为Ⅲ级, 设计二次衬砌混凝土强度等级为C30。衬砌厚度40 cm。采用“田”字形支撑结构, 模板支撑间距1 m。假定隧道在初期支护中围岩压力已趋于稳定, 二次衬砌忽略围岩压力和变形。只考虑混凝土自重压力, 则q1=1 m×1 m×0.4 m×24 k N/m3=9.6 k N, q2=1 m×1 m×0.4 m×24 k N/m3×0.9=8.4 k N。q1, q2在“田”字形支撑结构上的分布如图1所示, 支撑结构内力计算示意图如图2所示。由式 (4) 计算PAG:

由式 (5) 计算PEF内力:

由示意图3和式 (6) , 式 (7) 计算PAE, PGH内力:

支撑杆材料选择:

取最大内力值48.63 k N计算杆材钢管截面面积, 考虑2倍安全系数, 内力97.25 k N, 按许用应力[σ]=180 MPa计算, 需截面面积为5.56 cm2, 选择8 cm外径, 壁厚3 mm钢管, 截面面积为7.54 cm2。

计算变形:

见图4, 计算k1, k2处挠度wk1, wk2, 由式 (8) , 式 (9) 分别计算:

计算转角θA:

3 结语

对于处于稳定围岩压力作用下的二次衬砌模板支撑体系采用“田”字形结构, 利用结构力学方法推导计算支撑杆系受力变形公式, 可作为设计施工人员参考。为隧道衬砌支撑结构计算提供了一种新途径。

参考文献

[1]宋非非, 姜维成, 胡晓光.结构力学[M].北京:清华大学出版社, 2007.

[2]JTG D70-2004, 公路隧道设计规范[S].

[3]铁建设[2007]47号, 新建时速300~350公里客运专线铁路设计暂行规定 (上, 下) [M].北京:中国铁道出版社, 2007.

[4]TB 10003-2005, 铁路隧道设计规范[S].

[5]夏立峰.深基坑钢板桩支撑结构设计[J].山西建筑, 2004, 30 (5) :23-24.

[6]刘磊.框架—支撑结构体系的分类及优缺点[J].山西建筑, 2007, 33 (36) :66-67.

转换层结构施工阶段的受力分析 篇7

所谓的转换层是指因建筑功能需要下部大空间,上部结构竖向构件不能直接连续贯通落地而通过水平转换结构与下部竖向构件连接,构成的高层建筑结构为带转换层高层建筑结构[2]。当上部楼层部分竖向构件(剪力墙、框架柱等)由于使用功能的要求不能直接连续贯通落地时,应该设置结构转换层,在结构转换层布置转换结构构件,这类结构称为带转换层的高层建筑结构。近年来,带转换层的高层建筑越来越多,而且结构形式越来越复杂。所以必须对施工阶段进行受力分析。

1 带转换层的高层建筑施工阶段分析

由于我国高层建筑发展的初期使用功能比较单一,结构形式相对比较简单,所以结构的极限承载力对于大多数结构来说,即为正常使用的极限承载力,当然也对少部分结构进行了施工阶段的受力分析,但传统的分析方法都是以竣工后的整体结构作为分析对象,将结构荷载一次性施加在结构上进行计算,计算时经常得到与实际情况不符的结果。对高层结构主要是因为:1)忽略了内、外柱及剪力墙等竖向构件竖向位移差的影响;2)顺序分层施工引起的分层加载的影响。对于带有转换层的高层建筑结构施工过程是分析必须考虑的一个因素,还要考虑收缩、徐变因素的影响[3]。从上面的研究分析可以看出,要想更真实的模拟结构在施工阶段的受力情况,应该对结构施工阶段分阶段进行受力分析。对施工阶段进行分阶段的受力分析更接近实际情况,而且与传统的分析方法所得的结果有很大差异,图1和图2分别列出了相同的结构施工阶段用传统的分析方法和分阶段分析方法所得的结果。

SAP2000中专门提供了一个用于模拟分阶段施工的模块,该模块中的阶段施工加载用来模拟结构在施工过程中的结构刚度、质量、荷载等不断变化的过程。在程序中施工过程的每个阶段由一组称作有效组的构件来表示,当从上一个阶段到下一个阶段分析结构发生变化时,根据定义阶段情况,SAP2000会首先判断哪些构件是新添加的,以及哪些是没有变化的,对于这几种不同的构件,进行不同的操作。

2 模型分析[4]

平面框架结构见图3,结构混凝土强度为C30(E=3.0×107 kN/m2),框架梁的截面采用0.3 m×0.6 m,柱截面为0.5 m×0.5 m,转换层截面尺寸为1 m×2 m的转换梁。计算中的荷载仅考虑结构自重的影响。

模型一:用传统的分析方法和分阶段的分析方法来分析带转换层的高层建筑与层数和跨度之间的关系(见表1,表2,表3)。

模型二:用一个20层结构来分析施工周期对结构的影响(见表4)。

3结语

1)用传统的分析方法和考虑分阶段施工所得的结果相差很大,从算例来看,即使在没有考虑施工周期影响的情况下,分阶段施工所得的结构和传统方法所得的结构分析弯矩、剪力、位移也相差较大。2)随着层数的增加及转换层跨度的增加,传统的分析方法所得的结果与结构分阶段所得的结果差得越远。3)施工周期越短,结构在施工阶段受的力就越小,因为混凝土的收缩、徐变是随时间的增加而增加,这种变形使得超静定结构的内力增加。

参考文献

[1]王心田.建筑结构概念与设计[M].天津:天津大学出版社,2004.

[2]T.Y.Lin Sideny,D.Stotesbury Struete.Structural conceptsand systems for Architects and Engineers[M].New York:Johnwiley and sons,1981.

[3]北京金土木软件技术有限公司,中国建筑科学研究院.SAP2000中方版使用指南[M].北京:人民交通出版社,2006.

[4]曹裕阳,刘开强.高层建筑结构分阶段施工的受力分析[J].四川建筑,2007(3):76-77.

异形柱结构受力分析与设计探讨 篇8

1 关于异形柱

异形柱是指柱截面摈弃了惯用的矩形柱, 而采用多个小墙肢的组合截面柱子, 由剪力墙演变而来。柱肢截面中各肢高厚比不大于4, 常用的有L形、T形和十形, 亦有采用Z形。柱肢宽度一般使用与墙体相同的厚度, 一般为200~250mm, 不大于300mm。肢长较大, 《规程》规定不小于500mm, 一般为600~800。除此之外, 不等肢异形柱肢高比一般不超过1.6, 各肢截面厚度不能相差过大。

2 异形柱框架结构的特点

由于截面的特殊性, 使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大, 导致各向刚度不一致, 其各向承载能力也有较大差异;

对于长柱 (H/h>4) 可以不考虑剪切变形的影响, 控制轴压比较小时, 受力明确, 变形能力较好。而对短柱 (H/h<4) , 剪切变形占有相当比例, 构件变形能力下降。异形柱通常在短柱范围, 且属薄壁构件, 即使发生延性的弯曲形破坏, 也因截面曲率M/EI或εcu/χ (εcu为砼的极限压应变, χ为截面受压区高度) 较小, 使弯曲变形性能有限, 延性较差;

异形柱由于是多肢的, 其剪切中心往往在平面范围之外, 受力时要靠各柱肢交点处核心砼协调变形和内力, 这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力, 而该剪应力的存在, 使柱肢易先出现裂缝, 也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态, 它使得异形柱较普通截面柱变形能力低, 脆性破坏明显;

特别是异形柱不同于矩形柱, 它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况, 其延性更差。由国内外大量的试验资料和理论分析, 异形柱的破坏形态为:弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等, 影响其破坏形态的因素有:荷载角、轴压比、柱净高与截面肢长比 (剪跨比) , 配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。由于其受力性能的复杂, 设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。

3 结构的受力分析

3.1 整体计算分析

异形柱的存在和不同的布置对结构整个抗侧力刚度影响很大, 总体来讲相对于同样布置的同截面矩形柱结构, 异形柱结构的整体性要好, 刚度略有增强;而单结构形式来讲, 异形柱结构的刚度介于普通框架和框架剪力墙之间。文献[2]对8度区-6层住宅分别采用矩形柱和异形柱框架进行设计, 然后分别采用SATWE和CRSC程序对比分析, 结果表明在地震作用下异形柱结构的底部剪力要比矩形柱框架结构大16%~26%左右, 各层柱的平均剪力和节点剪力也比矩形柱框架大很多。异形柱结构的受力特点介于普通框架柱和剪力墙之间, 结构的抗震性能比较差, 因此, 对异形柱结构应按空间体系考虑, 宜优先采用具有异形柱单元的计算程序进行内力与位移分析。因异形柱和剪力墙受力不同, 所以计算时不应将异形柱按剪力墙建模计算。

对异形柱框架结构, 一般宜按刚度等效折算成普通框架进行内力与位移分析。当刚度相等时, 矩形柱比异形柱的截面面积大。一般比值 (A矩/A异) 约在1.10~1.30之间。因此, 用矩形柱替换后计算出的轴压比数值不能直接应用于异形柱, 建议用比值 (A矩/A异) 对轴压比计算值加以放大后再用于异形柱。

对有剪力墙 (或核心筒) 的异形柱结构, 由于异形柱分担的水平剪力很小, 由此产生的翘曲应力基本可以忽略, 为简化计算, 可按面积等效或刚度等效折算成普通框架—剪力墙 (或核心筒) 结构进行内力与位移分析。按面积等效更能反映异形柱轴压比的情况, 且面积等效计算更为简便。但应注意, 按面积等效计算时, 须同时满足下面两式:

(1) A矩=A异; (2) b/h= (Ix异/Iy异) 1/2

式中, A矩、A异——分别为矩形柱和异形柱的截面面积;

b、h——分别为矩形截面的宽和高;

Ix异、Iy异——分别为异形柱截面x、y向的主形心惯性矩。

但这种等效转化后的计算模型仍与实际结构有较大出入, 由于异形柱肢长比较大, 与梁相交时梁柱重叠部分较大, 形成类似与壁式框架的梁柱刚域, 梁的计算长度大大减小, 实际结构的侧向刚度比计算模型大, 导致地震力计算偏于不安全, 文献[3]对柱内力在程序计算结果的基础上乘以约1.1的放大系数或者加大周期折减度以适当考虑其影响。考虑到受力后异形柱结构反应复杂, 抗震性能不好, 为符合“三水准两阶段”的抗震设计思路, 地震作用计算后梁柱的内力调整都相对要求更严格些。

3.2 截面承载力

柱肢截面的差异, 导致柱肢平面内外两个方向的截面特性相差较大, 异形柱截面在轴压力及弯矩剪力共同作用下, 正截面承载力的计算是一个十分复杂的问题, 因为柱截面中和轴一般不与弯矩作用平面相垂直, 也不与截面边缘平行, 其位置随截面尺寸、混凝土强度、配筋率及荷载角等诸多因素的变化而变化。进而导致柱肢平面内外两个方向的惯性矩差异明显, 进而侧向刚度相差较大, 对不等肢的截面表现尤甚。因此普通柱正截面抗弯验算的计算公式并不适用于异形柱, 《规程》将异形柱截面划分为有限个混凝土单元和钢筋单元, 仍然采用平截面假定给出了双向偏压的正截面承载力验算公式。

由于多肢的存在, 其截面的剪力中心往往在截面外, 受力后主要依靠柱肢交点处的核心混凝土协调变形和传递内力, 导致各柱肢内存在相当大的剪应力和翘曲应力, 柱肢易首先出现裂缝, 核心混凝土处于三向受剪状态, 变形能力降低, 脆性破坏特征明显。

异形柱的斜截面受剪承载力也随荷载作用方向而变化, 但对同一方向的地震作用由于翼缘的有利作用, 通常比等面积矩形柱高, 文献[4]表明, T形截面柱的受剪承载力至少为同截面面积矩形柱的1.15倍, L形柱则基本相同。

3.3 节点强度

普通框架只要梁柱截面满足规范构造要求, 节点核心区面积大, 除二级或更高抗震等级的节点外, 一般不需要特别进行节点抗剪验算。但异形柱框架的肢厚不大, 节点核心区有效水平截面积小。另外, 异形柱由于轴压比的要求, 通常肢长较大, 相对同截面面积的矩形柱来讲, 刚度大, 地震作用大, 相应的节点剪力比相同布置下 (柱面积相等) 的矩形柱结构大很多。因此异形柱框架节点一般都需要验算节点抗剪强度。同时, 异形柱肢厚度偏薄, 节点斜压机制引起的核心区斜压力相对较大, 钢筋握裹性能差, 施工质量的可靠性也难以满足。

异形柱截面形式的不同, 其节点受剪承载力也差别较大。十形截面柱的翼缘布置在节点截面中间受力最大的部位, 翼缘的作用得以充分发挥, 节点受剪承载力与同截面面积的矩形柱相差不大, T形截面次之, L形相差最大, 受剪承载力下降最大。文献[5]研究表明:L形、T形、十形柱节点的受剪承载力比具有相同有效截面的矩形柱节点分别低33%、17.5%、8%左右, 且用于矩形柱框架节点抗剪验算的公式已不适用于异形柱节点, 在高烈度地区控制异形柱结构适用高度的参数已不单单是柱轴压比, 而是节点区的强度。因此在设计时必须进行节点区的强度验算。

4 构造措施

异形柱的受力情况复杂, 结构延性相对较差, 单纯依靠目前的程序计算配筋尚难满足结构抗震的延性要求, 因此必须加强构造措施, 从概念出发, 保证结构具有足够的安全度。

4.1 结构平面布置

异形柱框架应设计成双向刚接梁柱抗侧力体系, 根据结构平面布置和受力特点, 可设计成部分异形柱部分矩形柱的形式, 特别注意在受力复杂部分采用矩形柱。平面布置宜使结构平面刚度均匀对称, 尽量控制或减小扭转效应:竖向布置注意体型力求简单规则, 避免过大的外挑内收, 避免楼层刚度沿竖向突变;柱网尺寸不易过大, 一般不超过6m, 柱矩大梁高也大, 一方面建筑净空难以满足要求, 另一方面柱承受的轴力也大, 轴压比高, 于抗震不利。为保证梁板对异形柱节点的约束, 宜采用现浇楼盖。

4.2 轴压比及柱配筋

对于柱而言, 控制其延性的因素很多, 不管对矩形柱还是异形柱, 轴压比无疑是最重要的控制条件之一, 其侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降, 对异形柱更应从严控制。这可以通过控制柱距、采用轻质墙体、优化结构平面布置改善。柱肢端承受梁传来的集中荷载, 局部压应力大, 可设置暗柱。曹万林等《钢筋混凝土带暗柱异形柱抗震性能试验及分析》表明:带暗柱异形柱与普通异形柱相比, 承载力及延性和耗能能力有显著提高。

异形柱截面的剪力中心与截面形心不重合, 剪应力的存在使柱肢先于普通矩形柱的剪压构件出现裂缝, 产生腹剪破坏, 导致柱脆性显著, 延性普遍低于矩形柱。而且柱截面可能出现单纯翼缘受压, 此时柱的延性最差, 因此需要进一步提高异形柱的抗剪能力。除此之外, 尽量避免短柱的出现, 对剪跨比小的短柱要采取相应的加强措施, 以免形成薄弱环节。

4.3 节点构造

节点已经成为异形柱结构的薄弱环节, 考虑到节点处钢筋的锚固以及保证节点区混凝土浇筑的质量, 柱钢筋数量不宜过多且直径不宜过大。

5 结束语

异形柱结构具有广阔的应用前景, 但其受力性能具有自己的独特性, 目前仍需要进一步研究以完善设计理论, 开发更适用的设计软件, 提高工程设计效率, 便于推广运用。

参考文献

[1]JGJ 149-200.混凝土异形柱结构技术规程

[2]黄锐.抗震设防高烈度区异形柱结构设计应注意的两个问题.建筑结构.2005 (5)

[3]沈伟, 汪杰.南京虎啸小区09栋住宅异形框架设计.建筑结构.2001 (11)

[4]李建辉.论述异形柱轻型框架的设计.福建建筑高等专科学校学报.2000 (2)

高层建筑结构设计和计算受力 篇9

一、结构选型

对于高层结构而言, 在工程设计的结构选型阶段, 结构工程师应该注意以下几点:

(一) 结构的超高问题

在抗震规范与高规中, 对结构的总高度都有严格的限制, 尤其是新规范中针对以前的超高问题, 除了将原来的限制高度设定为A级高度的建筑外, 增加了B级高度的建筑, 因此, 必须对结构的该项控制因素严格注意, 一旦结构为B级高度建筑甚或超过了B级高度, 其设计方法和处理措施将有较大的变化。在实际工程设计中, 出现过由于结构类型的变更而忽略该问题, 导致施工图审查时未予通过, 必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况, 对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。

(二) 嵌固端的设置问题

由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防, 嵌固端有可能设置在地下室顶板, 也有可能设置在人防顶板等位置, 因此, 在这个问题上, 结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面, 如:嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题, 而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。

(三) 短肢剪力墙的设置问题

在新规范中, 对墙肢截面高厚比为5~8的墙定义为短肢剪力墙, 且根据实验数据和实际经验, 对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制, 因此, 在高层建筑设计中, 结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙, 以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。

二、高层建筑结构分析方法

(一) 计算分析基本假定

高层建筑结构要完全精确地分析三维空间结构是十分困难的。需要通过各种分析方法对计算模型进行不同程度的简化。以下是一些常见的假定:

1.弹性假定

目前实用的高层建筑结构分析方法都是使用的弹性计算方法。这一假定符合建筑结构的工作状况, 因为在一般风力作用下, 建筑结构一般都处于弹性工作阶段。

2.小变形假定

小变形假定也是各种高层建筑结构实用分析方法中普遍采用的基本假定。对几何非线性问题的研究认为:当顶点水平位移与建筑物高度的比值大于1/500的时候, 就必须重视几何非线性问题的影响。

3.刚性楼板假定

刚性楼板假定在对高层建筑结构进行分析的时候, 一般假定楼板自身平面内的刚度是无限大的, 平面外的刚度则为零。这就简化了计算方法, 减少了结构位移的自由度。

(二) 高层建筑结构受力分析方法

1.框架一剪力墙结构的高层建筑内力与位移的计算分析, 大都采用连梁连续化假定。可由框架结构与剪力墙水平位移或转角相等的位移协调条件, 建立位移与外荷载之间关系的微分方程进行求解。

2.剪力墙结构的受力特性与变形主要取决于墙体的开洞情况。单片剪力墙按其受力特性的不同, 可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙等各种类型, 不同类型的剪力墙结构其截面应力分布的规律也不相同, 计算结构内力与变形位移时需采用相对应的计算方法。

3.按照对计算模型处理的手法不同, 筒体结构的实用分析方法通常可分为:等效连续化法、等效离散化法和三维空间分析法。等效连续化方法的具体应用包括有连续化微分方程求解法、有限单元法、能量法等;等效离散化方法则包括等代角柱法、核心筒的框架分析法等;相对于等效连续化方法和等效离散化方法的筒体结构计算模型, 完全按三维空间结构建立计算模型来分析筒体结构体系的受力性能更为精确。三维空间分析法将高层筒体建筑结构体系看作是由若干个空间梁单元、空间柱单元和薄壁柱单元组合而成的空间杆系结构体系进行计算分析, 更符合受力结构体系的实际工作状态。

三、工程概况

本工程为某房地产有限公司开发的11楼, 工程主体地上30层, 地下2层, 结构总高度为93, 800米, 地上部分首层商铺及架空、其余为住宅, 地下部分为停车库。结构类型为框支剪力墙结构。本地区的基本风压为0.35k N/m2, 地面粗糙度类别为C类, 风载体型系数1.4。抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度为0.05g, 水平地震影响系数最大值α为0.04设计地震分组为第一组。

对于高层建筑所采用框架剪力墙结构体系, 其中裙楼以住宅及塔楼电梯间为主核心筒, 楼梯间为若干个小型剪力墙筒体, 其余位置布置框架柱, 柱距7.2~9.8m。通过调整筒体剪力墙厚度和增减剪力墙数量, 使主楼的形心与刚心重合, 避免结构产生较大的扭转。住宅塔楼为了有效地确保建筑功能, 采用框支剪力墙结构, 并适当在平面设置结构转换层, 住宅上部标准层采用剪力墙结构, 剪力墙布置考虑建筑功能, 可保证两户打通的需要。本工程地下室不设防震缝, 裙楼于住宅塔楼柱外侧设置防震缝一道, 兼作温度缝, 缝宽300mm。在设计过程中, 合理确定各构件的截面尺寸, 使绝大部分构件以合理经济的指标进行设计, 如楼板厚度的选择对结构造价影响较大, 因此需在设计中以满足强度与刚度要求的情况下选取较小的厚度, 同时与各设备专业密切配合, 只在局部埋设暗管的部位增加板厚, 避免为设计便利而增加构件尺寸的情况。

合理选用基础方案与基坑支护方案, 对于高层建筑结构及其带有地下室的情况, 由于基础及基坑支护的造价在结构工程中占有很大部分, 对工程造价的影响也较大。因此, 在设计过程中, 应当对高层建筑结构的基础设计与基坑支护设计多方案经济比较, 从而选取较为经济的方案进行设计。

鉴于高层结构其涉及到构件繁多, 而且其受力较为复杂, 尤其是风荷载与重力荷载起着决定作用, 为此必须对构件材料的选取、经济性以及构件受力方面更加着重考虑。结合本工程设计实践, 笔者总结了高层建筑结构设计时可采取的有效设计措施, 以确保结构在良好受力的前提下, 仍有效地保证工程的经济性。

四、高层结构布置要点

(一) 采用新型轻质墙体材料

高层建筑结构鉴于其重力荷载较大, 因此设计时应尽可能地选取轻质材料, 如本工程拟采用容重<11k N/m3的轻质墙材作为非承重的分户、分室、厨厕隔墙 (机房隔墙除外) , 控制及减轻建筑物总自重, 并由此控制各层楼板和构件钢筋含量。

(二) 采用高强度钢筋替换低强度的钢筋, 合理采用Ⅱ、Ⅲ级钢筋

鉴于Ⅲ级钢筋的强度设计值360N/mm2, Ⅱ级钢筋的强度设计值300N/mm2, 盘圆钢筋的强度设计值210N/mm2, 工程实践表明, 当采用二、三级钢筋代替一、二级钢筋用于楼板配筋、梁、柱箍筋, 可减小用钢量约20%, 有效地节约成本。因此在设计板钢筋及梁柱箍筋中应当合理采用Ⅱ级钢筋, 同时在梁柱主筋中合理采用Ⅲ级钢筋, 以有效地提高钢筋强度设计值, 减少钢筋用量, 降低构件最小配筋率或体积配箍率, 达到节约工程投资的目的。

(三) 采用根据弯矩包络图设计的方法进行梁配筋

由于现在运用的计算机结构计算软件多数采用空间杆系计算方法, 计算结果及配筋未考虑框架柱支座宽度的影响。若考虑此影响, 框架梁面钢筋的配筋可以适当减少。采用弯矩包络图设计的方法可考虑此因素, 同时在钢筋截断位置的确定上可以进一步优化。

(四) 结构分析

本工程使用中国建筑科学研究院PK.PMCAD工程部编制的结构分析程序《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》 (2004年5月版) 对结构进行整体分析。分析中考虑楼板开洞的影响, 上部结构与地下室作为一个整体, 上部结构的嵌固点位于±0.000;地震作用和风荷载按两个主轴方向作用, 同时考虑5%的偶然偏心地震作用下的扭转影响。通过采取上述的结构设计措施, 经结构分析, 本工程的主要控制参数结果表明, 本工程的各项控制参数均满足规范要求, 而且经济上表现客观。

五、结语

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