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概念设计非常重要,用钢量大结构反而不安全的实例及分析

(2011-04-27 22:23:53)
标签:

概念设计

经济性

优化

用钢量

分类: 设计·优化·成本


    今年参加上海市的注册结构师继续教育培训,课堂上老师反复强调概念设计、延性设计的重要性。并对现在部分设计人员(包括审图公司)过分依赖程序,对规范的理解机械刻板、不求甚解的态度表示担忧。

 

    为什么要重视概念设计呢因为现有的各种计算理论、计算假定、计算模型、计算方法还不够完善,都是近似的。程序不是万能的,程序是有使用条件和适用范围的,程序也会有缺陷(特别是PKPM),程序计算出来的结果不一定完全准确,不一定都与事实相符,程序计算通过了并非就可以高枕无忧了。对程序计算结果,设计师应根据力学概念和工程经验进行判断,确认合理有效后再实施。不掌握概念设计的精髓,不理解规范的意图,不知道从宏观上控制结构安全,那么很可能出现设计出来的结构在6度时计算可以通过,烈度一增大到7度,结构马上就倒塌了,那是不行的。因为实际地震发生时,它的烈度是不确定的,很有可能大于设防烈度,如果你只能满足设防烈度的要求,说明你的设计不是好的设计。真正好的设计,应该是在设防烈度(弹性)下不坏,大于设防烈度(进入弹塑性)情况下也能最大程度的减小震害。

 

     为什么要重视延性设计呢?因为延性设计是概念设计的一部分,是保证结构在超过设防烈度的地震作用下仍旧有良好的变形能力,通过耗能,减小地震作用的破坏,最大程度的保护生命财产安全。延性设计的目的是控制破坏形态,规范中有很多属于概念设计的延性措施,如强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件。拿强柱弱梁来说,其目的就是让梁先坏来保证柱不坏以防止结构发生整体垮塌。如果设计者不理解规范的意图,通过盲目加大材料用量来解决安全问题,以为结构更安全了,实际上起了反作用,使结构变的更不安全了。 

    延性包括两个层面:构件延性和结构整体延性。构件延性是结构延性的前提,但只满足构件延性是不够的,满足后者更重要。延性设计的本质是通过构造措施提高结构整体变形能力,通过变形耗能,延长抵抗地震的时间,实现大震不倒的目的。延性设计的关键是通过控制构件破坏顺序(次要构件先坏,弯曲先于剪切破坏)实现控制结构整体破坏形态。因此构件过分强大不一定有益,延性好才更安全。

     强震是不可硬抗的,强震时地震力可能是设计值的几十倍甚至上百倍,在强震下没有安全储备,一切构件都是可能破坏的,但我们仍然可以通过控制构件破坏的顺序和结构整体破坏形态达到减少地震伤害的目的,即以柔克刚。这才是延性设计的精髓。

 

     下面以强柱弱梁为例,说明现在设计中普遍容易犯的错误。

 

     "强柱弱梁"的实现一定要保证柱的实际抗弯能力大于梁的实际抗弯能力,实际抗弯能力应用实际配筋计算(梁的实配钢筋包括梁的钢筋和相关范围内楼板的钢筋)。这里特别强调“实际”两字,因为现实设计中设计人员往往喜欢放大梁端配筋(有的放大达2倍),实配钢筋远远大于计算配筋,设计师认为这样更安全,实际情况恰恰相反。由于梁配筋增加幅度远大于柱配筋增大幅度,使得梁的实际抗弯能力大大高于柱的抗弯能力,这样在中震情况下,首先是柱而不是梁出现塑性铰,造成结构垮塌。在汶川地震震害调查时,因“强梁弱柱”而引起结构破坏的情况比比皆是,这充分说明目前设计人员对于规范的理解不够透彻,对延性设计的概念不够清晰,迷信程序,盲目放大配筋,造成了严重的后果。这都是血的教训

 

     也许有人会说,梁端配筋放大是为了满足梁抗裂要求造成的,这又是一种不求甚解、不负责任、偷懒和片面的观点。我们知道,SATWE 计算配筋和裂缝时都是按单筋矩形梁计算的,而工程中实际的梁基本上都是有翼缘的,受压区也是有配筋的。如果计算裂缝时考虑受拉区楼板钢筋参与工作并考虑受压区配筋的贡献,那么绝大多数情况下梁按强度计算结果所配钢筋是满足0.3mm的抗裂要求的。还有一个事实大家容易忽略,那就是梁的配筋是按弯矩包络图中的最大值计算的,在计算梁的裂缝时应选用正常使用情况下的竖向荷载梁端弯矩标准值计算,不能用极限工况下的柱中心弯矩设计值计算裂缝,而按正常使用工况计算的梁裂缝都是很小的。真的发生地震了,梁端出现裂缝对“强柱弱梁”是有利的,根本没有必要用pkpm控制裂缝。况且satwe的计算结果本身有很大富裕量。所以,梁配筋只要满足计算结果就行了,不好选筋时,配筋适当降低一点也是可以的,但千万不要随意放大,放大幅度最大不要超过10%,否则强柱弱梁就无法实现了。

 

      有人会说,裂缝计算通不过,审图公司不同意怎么办?培训老师的建议是,送审时根本就不要送裂缝计算书,实在要送时,就挑选几个重点断面提供手算计算书,手算时可以考虑楼板和受压区钢筋的贡献,这样配筋和裂缝都可以满足规范要求,审图公司就不会有意见了。

     补充一条:重要构件和预应力构件建议手工复核一下裂缝。本文不是反对计算裂缝,而是不主张用pkpm计算裂缝。如果设计师不放心,一定要放大支座负筋,建议柱的钢筋同步放大,否则强柱弱梁很难实现,就会顾此失彼,得不偿失。 

      下面再举一些配筋增大反而对结构不利的例子:

   1.  适筋梁超配筋变成超筋梁,使梁失去了应有的延性

   2.  框架梁端超配筋,破坏强柱弱梁的延性构造,地震时容易造成结构倒塌

   3.  连梁超配筋,地震时连梁的耗能能力下降,造成墙肢先坏,可能引起结构倒塌

   4.  柱子超配筋,可能使大偏压构件变成小偏压构件,柱子丧失延性,在中震时可能提前破坏,使结构倒塌

   5.  节点配筋过多过密,使得节点浇筑质量不良,地震时节点先破坏,造成结构倒塌

   6.  剪力墙底部加强区,抗弯钢筋配的比非加强区多很多,造成地震时底部没有按希望出现塑性铰,薄弱部位转移到非加强区,或抗剪能力低于抗弯能力,使结构丧失耗能能力,可能提前破坏

   7.  底层柱的实际配筋比嵌固层的还大,造成嵌固端先坏,违背了延性设计的初衷

       ……          ……             ……

   超配筋都是人为原因造成的,后果很严重,须引起设计人员足够重视。

   通过深入领会规范精神和编制意图,合理判断和修正计算结果,这些错误都是可以避免的。

 

【思考】:为什么历次大震中,配了钢筋的房子倒塌的很多,而没有配筋的树木倒塌或折断的却很少见呢?(地质滑坡和被建筑物压断的不算)这对于我们有什么启发呢? 

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