结构设计论文范文
时间:2023-04-02 04:06:32
导语:如何才能写好一篇结构设计论文,这就需要搜集整理更多的资料和文献,欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文,供你借鉴。
篇1
1.1地基与基础根据甲方提供地质资料,本工程办公楼A座、B座、C座及通道1,2,3拟采用CFG桩复合地基,基础底标高为-12.10m;地基处理范围:CFG桩的平面布置均在各楼座及通道内;经地基处理后基底承载力特征值(fspk)应大于350kPa;而地下车库部分采用天然地基方案,基底持力层为③粉土层或③1层粉细砂。地基承载力特征值为fak=120kPa。经计算,CFG桩桩径取400,桩顶标高为-12.570m,有效桩长18m,桩端持力层为⑧层粉细砂层,桩端进入持力层深度不小于1.0m。单桩承载力特征值大于600kN,施工桩顶标高宜高出设计桩顶标高不少于0.5m。CFG桩混凝土强度等级为C20。基础设计时,经过反复核算,我们在办公楼A座、B座核心筒部分采用筏板基础,其余部分为十字交叉柱下条形基础。筏基部分的基底反力约245kPa,条基的基底反力约232kPa,两者反力基本接近。基底标高约为-12.10m,条基宽度为3.0m。办公楼C座也采用柱下条形基础,基础宽度为3.0m,基底标高同A,B座,局部达到-14.0m。同样基底反力为230kPa左右。通道1,2,3部分为筏板基础,此处由于上部钢结构跨度大,柱下荷载相对较大,采用筏基后,基底反力均达346kPa左右,满足设计要求。采用分层总和法沉降计算,办公楼A座、B座、C座条形基础及筏基的沉降量计算均小于50m。相邻柱沉降差异及沉降总量计算均满足设计要求。地下车库部分采用天然地基,基础宽度3.0m,基底标高为-11.800m。在所有条形基础与筏板之间及条形基础之间设置钢筋混凝土防水板,防水板厚350。设计时地下水位的浮力按5m的水位进行设计,其中防水板抗浮计算中已考虑枯水期的水位变幅1m。防水板经计算构造配筋已满足设计要求。
1.2上部结构设计1)结构分段。整个建筑我们采用上分而下不分的原则,在办公楼A座、B座、C座及通道1,2,3在±0.000地面以下连为一体,在±0.000地面以上各相邻单体之间设置防震缝,使得将整个看似复杂的连体高层建筑的计算将划分为在±0.000嵌固的6个独立的计算单元进行计算,避免了因楼座之间高位连接所形成的超限问题。我们对整个结构进行了包络设计,即采用整体多塔分析与各单体的独立计算。施工期间,在楼座与地下车库之间设置用于沉降的后浇带,沉降后浇带在结构主体完成后浇筑。C座因为长度119.6m,属于超长结构,我们在设计时考虑了一定的温度应力,在框架梁柱外侧及屋面板面均设置一定数量的温度筋,抵御温度应力,且C座办公楼在长度1/3位置设置用于温度后浇带,温度后浇带在地下室结构完成后60d浇筑。2)结构体系。本工程办公楼A座、B座及C座均采用钢筋混凝土框架—抗震墙的结构形式;通道1,2,3采用钢骨混凝土柱、钢骨混凝土剪力墙、钢梁的框架—抗震墙结构形式;其中西侧通道2、东侧通道3跨度为20.9m,北侧通道1为29.8m~37.3m。楼面、屋面采用钢梁+钢筋混凝土板的组合楼面体系。地下室采用钢筋混凝土框架的结构形式。3)建筑物抗震等级。上部:办公楼A,B,C座,抗震墙抗震等级为一级,框架等级为二级;通道1,2,3抗震墙抗震等级为一级,框架等级为二级(按钢结构考虑)。地下部分:办公楼A,B,C座及通道1,2,3地下一层抗震墙抗震等级为一级,框架等级为二级;地下2层(含夹层)抗震墙抗震等级为二级,框架等级为三级。地下车库抗震等级为三级。与主楼连接的相关范围内其抗震等级同主楼的相应部位的抗震等级。对于地库与主楼连接处的错层部位,我们采取了提高一级抗震等级的构造措施进行包络设计,满足了规范要求。
2结构分析及结果
1)本工程设计计算所采用的计算程序。采用《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件—SATWE》(2012年6月)进行结构整体分析。2)主要计算结构如下。办公楼A,B座计算结果见表1,表2。
3设计总结
篇2
1.1贴楦及要求
中国的童鞋分为小童(3~6岁)、中童(7~12岁)和大童(12岁以上),大童的尺码已接近成年人,一般按成年人的尺码进行设计,但在童鞋设计时,要区分小童和中童。在设计小童鞋时,一般选用26码作为基本码;如果设计中童鞋时,一般选用32码(法码)作为基本码。而本次设计是以小童鞋为例,所以选用26码楦作为标准楦,数据也选用标准数据,即它的楦底样长为166mm、跖围为165mm。目前,贴楦绝大多数是采用美纹纸贴楦法,而在进行沙滩凉鞋的帮样结构设计时,基本都采用贴全楦法,即在贴楦时,有三条美纹纸竖向贴(先贴一条背中线,再在两侧各贴一条),接着其他采用横向贴法,且每条美纹纸都有1/2的重合(见图2)。
1.2标划“三点一线”和口门、后帮控制线
用铅笔在已贴美纹纸的楦头上,将背中线、后弧线、楦底中心线画出,并找到外腰边沿凸度点O,过点O作背中线的垂线OH,即为口门控制线。取OH的中点E和后跟高度点C(26码的后跟高度为45mm),用软尺直线连接CE,即为后帮高度控制线(见图3)。
1.3设定各部位点
各部位点的设定,见图4。(1)鞋帮总脸长的设定鞋帮总脸长没有固定的数据,主要视鞋的风格类型和分割比例而定,同时兼顾美观和穿着的舒适性。本款式凉鞋总脸长点设在脚弯点与跗骨点之间,一般是楦底样长的65%,即166mm×65%≈108mm;以楦底前端点I沿背中线向后量取长为108mm处,定为J点,线段JI即为鞋帮总脸长。(2)内怀最前点的设定全空式凉鞋的内怀最前点主要根据款式类型而定,一般设计在大脚趾后端点的前方。根据本款式特点,内怀最前点一般设计在楦底样长的85.5%处,即以楦底后端点K为起点,直线量取142mm(166mm×85.5%≈142mm)与楦底边沿交叉点P,即为内怀最前点。(3)外怀最前点的设定全空式凉鞋的外怀最前点,也是根据款式类型而定,一般设计在小脚趾后端点的前方。根据本款式特点,外怀最前点一般设计在楦底样长的83.1%处,即以楦底后端点K为起点,直线量取138mm(166mm×83.1%≈138mm)与楦底边沿交叉点S,即为外怀最前点。(4)后帮高度的设定后帮高度主要根据款式、后跟造型和穿着的舒适性而定。本款式是带有后带的凉鞋,且后带中包有海绵,因此,这样的后帮高度要略高于正常的后跟高度点。通常是占楦底样长的28.9%,即166mm×28.9%≈48mm。以楦底后端点K沿后弧线向上量取长为48mm处,定为M点,线段KM的长度即为后帮高度。
1.4设定部位线条与造型
各部位线条与造型的设定,决定了本款式的美观度和一定的舒适度(舒适度还与楦型有关),因此在帮样结构设计中此步骤非常关键。各部位线条和形状见图4或图5。(1)A—前帮内侧面的形状设定本款式的前帮内侧面,是一条带形状,可设计成直条形,但这样设计会过于简单,不是很美观,所以将它设计成下大上小的造型,这样做会有线条的美感,以及与B部件结合的非常流畅,不会那么呆板。大小要考虑B部件的数据,因为B部件的材质是织带,它的宽度数据是固定的几种,有15、18、20、25mm等规格。在本款中选择18mm或20mm(本文选择20mm)规格比较合适,因为太小,不够大方,美观度不好;太大,感觉过于臃肿。因为上端连接B部件,所以选择22mm的宽度;下端要比上端大一些,选择28mm。(2)B—前帮外侧面的数据设计上面已经介绍过,B部件的宽度选择,这里不作过多表述。而它的长度与E部件有关,因为B部件没有内里,它通过对折后固定在A部件上,形成环套,E部件从中穿过。所以与穿过B部件处的E部件宽度有关。(3)C、D—装饰片的造型设计鞋用的装饰件品种繁多,有装饰花、金属扣件、图案装饰等。而本款式的装饰件采用的是金属扣件与皮料装饰搭配使用,使装饰不会过于单调。此装饰件由3个部件组成,分别是C、D部件和“D”字形的金属扣。而C、D部件首先起到固定金属扣的作用,附带装饰的效果。因此,C、D部件连接金属扣处的宽度以D字扣的内径为准,而另一端设计成半边D字形的造型,使整个装饰看起来更协调、美观。本款式的D字扣的内径选用16mm,根据装扣件原则,皮料要比扣件内径略小一点,所以C、D部件与金属扣连接处的宽度设为14mm。C部件的另一端设计的要大一些,因为C部件的位置刚好在脚背上,视觉效果很明显,所以选用3颗铆钉去固定,这样饰看起来会更大气,它的宽度设为20mm,长度设为30mm。而D部件的另一端设计的稍大一些即可,因为D部件的位置在后方,装饰效果不很明显,所以用一颗铆钉固定便可,它的宽度设为16mm,长度设为22mm。(4)E—中帮面的线条设定在中帮面的设计中,主要配合整个鞋帮的造型和美观度,但对于凉鞋来讲,还要考虑有尽可能多的部位,同时不影响穿着的舒适度。本款式的中帮面造型中有一部分属于前帮面,它直接顺延到中帮面上,最终形成一个“Y”的造型。在前帮这个部分,它的宽度要与前帮内腰面相协调,因为与B部件有一个镶套的连接,它的尺寸要比A部件设计的小一些,所以在镶接处的宽度设为20mm,帮脚处设为24mm。在中帮面部分的宽度要比前帮面的略宽一些,设为26mm。鞋口处的线条用截面的方法去设计,即固定内外怀鞋底处定位点,再用软尺绕楦型一周,直接画直线便可。前帮部分与中帮部分直接将线条顺延起来,形成“Y”字形的整体。在中帮面的外腰部分,没有设计成直接到帮脚处,为了使穿着更方便,将此处设计成开口装置,用魔术贴(俗称毛刺)作为活动开口。开口的下方连接着F—后腰面部件,中帮面与F部件有一部分重叠。重叠部分的长度设为38mm,因为太长,没必要,太短,魔术贴粘不住。中帮面的分割处离帮脚处约5mm,这样设计可以使后腰面隐藏起来,感觉像是没有分割,是一个整体,会有比较好的视觉效果。(5)F—后腰面的形状设定在本款设计中,后腰面属于隐藏部位,且在中帮面的下方,所以它的尺寸与线条主要顺延中帮的线条设计,只是在上端做成倒角,保证穿着的舒适性就可以了。因此,后腰面的上端宽度设为26mm,帮脚处设为30mm。(6)G—后跟条带带的造型设计对于凉鞋后跟条带的设计,主要考虑保证穿着时的跟脚,及保护中后帮面的造型不易变形。最常用的尺寸为20mm(宽)×25mm(长)。因为这样的长度和宽度就可以满足需求,尺寸太小,会不好入脚;太大,无法起到让穿着更跟脚的作用,也是一种浪费。
2帮面样版的制作
2.1展平样版
在帮样结构设计中,样版的制作方法有很多种,有美纹纸贴楦法、牛皮纸贴楦法和比楦法等。而本文将介绍的是最常用的美纹纸贴楦法。鞋楦是一个三维立体的造型,而帮面样版是一个二维平面图形。因此在制作帮面样版之前必须有一个立体向平面转化的过程,即展平处理。经过展平处理而得到的样板,称之为展平样板。另外,每一块帮面样版都可以根据展平而制得,所以展平样版也称之为母版。具体步骤如下:(1)将已进行结构设计的美纹纸割去多余部分,在后跟条带上沿后弧线方向割开,再将美纹纸撕下,并展平在准备好的纸板上。从背中线部分向两侧逐渐展开、贴平,尽可能不产生褶皱(见图6)。(2)在帮脚处加7mm,后弧线断开处的两侧加2.5mm,然后再将各线条修顺畅,并割下。(3)在帮脚处用分规画一条距边5mm的线,然后在这条线上,取一些点(间距为5mm)并冲孔,作为线缝工艺操作时的缝线定位点。(4)在帮面装饰片的固定位置处,刻出槽线,用于制作装饰片的样版和定位。这样就完成了展平样板的制作(见图7)。
2.2净样版
(1)A—前帮内侧面先在纸板上画出前帮内侧面的轮廓线和帮脚的缝线定位点以及缝线的槽位线,并将此轮廓线割下,再在样板中间处刻一道槽线,作为缝假线的定位线,并做上内怀标志的牙剪。这样就可以得到前帮内侧面的净样板(见图8)。(2)B—前帮外侧面因为前帮外侧面使用的材料是织带,它有固定的宽度,之前的结构设计时已选择宽度为20mm,所以先割取一条宽度为20mm的条带,然后在这条带上做一对折线,将展平样板B部件的外轮廓一端,对准条带的对折线,然后画下与A的分割线和缝合线,最后放出8mm的压茬量,再沿着对折线对折,并剪去多余的条带,即可得到前帮外侧面的净样板(见图9)。(3)C—前装饰片在纸板上先画出前装饰片的轮廓线,然后在离前装饰片与金属扣件连接处3mm(因为金属扣是有厚度的,放出这3mm可抵消扣件厚度对样板的影响)远的地方做一条中心线,作为前装饰片的对折线,做出一个等腰三角形(底边长为8mm,边长为12mm),以此三角形的顶点作为铆钉定位点,用内径为2.0mm的冲子冲孔,将纸板沿对折线对折,并割出其轮廓线,展开后将两侧按线条走向顺延减小,长度为超过第一个铆钉定位孔8mm,剪去多余样板,在对折线上打两个定位孔,这样即可得到前装饰片的净样板(见图10)。(4)D—后装饰片方法同前装饰片的制作,只是在设定铆钉定位点时,将3个点改成1个点即可,这个点距离底边8mm左右,以便可得到后装饰片的净样板(见图11)。(5)E—中帮面先在板纸上画出中帮面的轮廓线和装饰片的定位点,以及帮脚处的线缝定位孔,然后将线条修顺,将外怀后侧的两个圆形倒角画好,后侧鞋口处放3mm翻缝工艺量,在内怀处冲出后跟条带的定位点,在帮脚处冲出的线缝定位点,然后再用内径为2.0mm的冲子冲出装饰片的定位点,最后割出轮廓线,做上内怀标志的牙剪,即可得到中帮面的净样版(见图12)。(6)F—后腰面先在板纸上画出后腰面的轮廓线和帮脚处的线缝定位孔,然后将线条修顺,将上端的两个圆形倒角画好,再冲出后跟条带的定位点,并在帮脚处冲出的线缝定位点,再做出毛刺定位线,最后割出轮廓线,即可得到后腰面的净样版(见图13)。(7)G—后跟条带先在板纸上画出一条中心线,将展平样版的内侧后跟条带的后端线对准此中心线,画出后跟条带的轮廓线,再将展平样版的外侧后跟条带的后端线对准此中心线,画出后跟条带的轮廓线,在上端鞋口处放3mm的翻缝工艺量,在两端各放8mm的压茬工艺量,并刻出槽线,最后割出外层轮廓线,在内怀做上内怀标志的牙剪,在中心线的上端剪出一个牙剪,下端打一个标志点,这样即可得到后跟条带的净样版(见图14)。
2.3划料样版
划料样板是在帮面的净样版基础上放出折边量和压茬量,再除去槽线和定位点的样版。因此,将帮面样版外轮廓线画在纸板上,如果遇到是折边工艺的,这个边放4.5~5mm;如果是压茬工艺的,这个边放8mm;其它工艺的保持不变,割去外轮廓线,即可得到划料样版。
3内里样版的制作
一般情况下,内里样版是根据帮面的展平样版来制作的,但分节式内里除外。而分节式内里一般都根据各组合的帮面来制作。本款式沙滩凉鞋采用的是分节式内里,所以选用帮面样版来制作内里样版。
3.1前帮里
先在纸板上画出前帮内侧面的轮廓线和槽线,在帮脚处向里缩条线3mm,在两侧各放出3mm,又在上端以槽线为基准放5mm,作为冲里量,然后割出轮廓线,作出内怀标志的牙剪,即可得到前帮里的样版(见图15)。
3.2中帮里
在纸板上先画出中帮面的轮廓线,在两边的帮脚处各向里缩条线3mm,在前端和外侧面放出3mm的冲里量,后端不变,然后割出轮廓线,作出内怀标志的牙剪、翻缝标志点和(魔术贴)毛面的定位点,即可得到中帮里的样版(见图16)。
3.3后帮里
在纸板上画出后腰面的轮廓线,在帮脚处向里缩条线3mm,其余部分放出3mm作为冲里量,然后割出轮廓线,即可得到后帮里的样版(见图17)。
3.4后跟条带里
将后跟条带样版放在纸板上画出轮廓线,在两端处各缩回3mm,在下端放出3mm的冲里量,即可得到后跟条带里样版(见图18)。
3.5(魔术贴)毛面和刺面
将中帮里与(魔术贴)毛面镶接的部位轮廓线画在纸板上,然后在后端缩回5mm,割出轮廓线即可得到毛面的样版。制作(魔术贴)刺面的样版时,先将后腰面的轮廓线和刺面的定位线画在纸板上,在前后两端各缩回2mm,割下轮廓线后,修顺四个圆角,便可得到刺面的样版(见图19)。
4定位版的制作
在制作定位版之前,要进行贴楦操作,只是贴楦主要是贴楦底板。贴楦完成后,在结构设计时,在楦底边沿做上各个帮脚处的定位标志,再将楦底样版揭下来,展平在纸板上,修顺轮廓线并刻下。用分规向内缩回5mm,画一圈线,然后将楦底边沿上所做的各个帮脚处的定位标志线顺延至此线,再剪去各定位处凹槽里的量,便可得到定位版(见图20)。
5问题分析
(1)鞋帮不伏楦鞋帮不伏楦分两种情况,原因有所不同,处理方法也有所变化。第一,如果鞋帮出现歪扭现象,从而导致不伏楦,很有可能是在制作展平样版时,没有顺延美纹纸的方向展平,强行拉动美纹纸,偏离自然跷度太多。或者在做定位版的时候发生了偏差,从而导致定位不准。第二,如果是因为鞋帮太大而导致鞋帮不伏楦,可能是因为材料太薄或延伸性太大所致。也可能是制作样版时放余量太大,或美纹纸被拉伸了太多。如果是材料问题,只需改变复合材料或增加复合材料便可。如果是样版问题,则必须修改样版。(2)鞋帮太紧,无法线缝这个问题比较简单,最有可能是因为制作样版时,没有加放余量或加放余量太小。又或者材料太厚或几种材料复合后太厚。如果厚度没问题,材料延伸性也正常,那就要调整样版了。(3)(魔术贴)毛、刺外露,盖不住毛、刺外露,可能是在设计时刺的大小已经超出了毛覆盖的范围。如果设计没有问题,那就是中帮面的样版制作得太小了。
6结束语
篇3
【关键词】型钢混凝土;石油化工;结构设计
1引言
型钢混凝土结构构件具备诸多优势,比如:受力性能好、截面尺寸小、抗震性能好、自重轻等,在石油化工结构设计中具备很优越的应用价值。在型钢混凝土结构设计过程中,需要明确方法,遵循《型钢混凝土组合结构技术规程》《型钢混凝土结构设计规程》等[1]。此外,还有必要通过构件的实际受力情况,对设计进行优化。总之,由于型钢混凝土具备很好的应用价值,所以对其应用进行探讨意义重大。
2工程实例分析
在石油化工焦化装置中,焦炭塔框架属于核心构筑物,操作重量大,装置支座位置及井架总高度偏高,通常情况下会有焦溜槽以及楼梯间附带。整体结构体系较复杂,设计存在一定难度。以某炼油厂为例,其工程延迟焦化装置焦炭塔框架属于两塔结构,焦炭塔单塔自重达4300kN(430t),塔外径为9690mm,单塔最大高度为41.3m。水焦工况最大操作介质为3040t,满焦工况焦炭量达到1150t。该工程所处场地在地面上10m位置的基本风压为0.5kN/m2,地面粗糙度为B类,抗震设防裂度为7度,工程场地设计基本地震加速度值为0.15g[2]。从框架设计来看属正常,但在结构空间利用方面提出了一些基本建议:(1)尽可能控制主要构件截面,使整体平面布置的需求得到有效满足;(2)确保塔体下方具备充足的空间,能够设置冷焦水过滤器1台和别的附属操作框架;(3)在塔体下方框架位置,有必要对全封闭设备操作房进行合理设置;(4)确保型钢混凝土结构能够合理、科学地应用,进而发挥型钢混凝土结构的作用。
3型钢混凝土结构的选择以及模型的计算
3.1结构选择
对于上述工程的焦炭塔框架设备支承部分来说,为典型的塔型设备基础,即:两塔板式框架联合塔基础,一共有3层,高为27m,纵向连续两跨2.5m×2,横向为单跨12.5m,出焦井架标高为27~117m,属中心支撑钢结构框架。
3.2模型计算
在设计中,所使用的是有限元分析软件STRAT,在利用该软件进行计算过程中需由经验丰富的技术人员操作,以确保计算值的精准性。同时,在焦炭框架选择上,选择高耸组合结构,在建模分析过程中,有必要对下部混凝土框架和上部钢结构的共同作用充分考虑,以此有效模拟结构的具体情况。对于完整的焦炭塔框架模型来说,需具备:①混凝土框架柱;②井架钢结构梁;③混凝土框架梁。此外,利用厚壳单元模拟混凝土顶板,利用薄壳单元模拟设备塔体。
4荷载组合与截面设计
4.1荷载组合分析
根据相关设计规范要求,对焦炭塔框架设计需根据承载能力极限状态最不利的效应组合加以设计。因此,两塔结构设计时的荷载组合为:(1)正常操作工况下:1.2永久荷载+1.0×1.3×(介质荷载+活荷载)+1.4×风荷载;(2)停产之前:1.2永久荷载+1.0×1.3×(介质荷载+活荷载)+1.4×风荷载;(3)停产检修工况下:1.2永久荷载+1.0×1.3×活荷载+1.4×风荷载;(4)地震作用下:1.2×[永久荷载+0.5×(介质荷载+活荷载)]+1.3×水平地震荷载+1.4×0.2×风荷载[3]。总之,需合理分析荷载组合,以此为进一步截面设计以及计算结果的准确性提供保障。
4.2截面设计分析
截面框架柱、框架梁的设计内容如下:1)框架柱设计。在设计初始阶段,如果外在条件全部一致,为了使框架柱截面的尺寸得到有效保证,可选择2种框架柱截面尺寸,通常会选择1个大柱尺寸,即:2500mm×2500mm规模;同时选取1个小柱尺寸,即:1800mm×1800mm规模,根据计算结果,采取对比的方法最终选择适合本工程结构的合理尺寸。在外在条件一致时,大柱和小柱模型需采取分别进行计算的方法。由于会受到框架柱截面尺寸差异的影响,进而使结构刚度存在很大的差异。针对此类情况,需要利用地震组合工况控制好设计结构。从实际经验来看,小柱模型在刚度上偏小,在柔性上较好,基于同样风载或者地震条件作用之下,结构内力偏小,便于为构件截面设计提供有利的条件。2)框架梁设计。对于框架梁来说,因受到工艺设计需求的影响,加之标高相对明确,使得调整的空间偏小。在梁截面上,一般选取为1500mm×2500mm。在对梁截面刚度进行合理增多的条件下,能够使框架柱的反弯点位置得到有效控制,进而使框架梁设计弯矩的要求得到有效满足。基于框架梁内部对H型钢进行设计,能够和框架柱内型钢柱之间组合成为内框架体系,从而使结构的整体性得到有效提升[4]。此外,框架顶板属于设备的支座层,起到承载塔体荷载的作用,在顶板中间部位需设置型钢斜梁,并采取STRAT计算结果提取内力,对厚板配筋进行计算。总结起来,在设置斜梁的条件下,能够使顶板的受力得到有效改善,同时使传力路线得到有效简化。
5结语
本次研究结合实际工程案例,对型钢混凝土在石油化工结构设计中的应用进行了探讨。在了解工程实例的条件下,需选择合理的型钢混凝土结构,并通过模型的计算,进一步分析荷载组合,然后在截面设计过程中,注重框架柱的设计和框架梁的设计。总之,对于型钢混凝土结构来说,对型钢和混凝同受力的特性加以应用的条件下,使混凝土的抗压性能以及型钢的抗弯性能得到有效展现,进而使结构的延展性得到有效提升。此外,在合理应用型钢混凝土结构的条件下,能够提升结构空间的利用效率,进而使实际生产需求得到有效满足。
作者:冉艳华 单位:中海油山东化学工程有限责任公司
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篇4
【关键词】结构设计问题分析
引言
建筑工程质量直接关系到人民生命和财产的安全,而施工图的设计质量又是整个工程质量的基础,一份高质量的施工图是工程建设质量保证的前提。但是目前施工图纸的质量远没有人们所想象的那么精确和完善。通过在多项建筑结构设计施工图的设计及审查中发现,结构设计中存在比较常见的问题有:超长结构与基础设计、板面设置温度应力筋及梁筏基础板筋位置等问题。
1有关超长结构与基础设计
混凝土结构设计规范第91111条中规定钢筋混凝土框架结构伸缩缝最大间距为55m,而71112条则规定当采取后浇带分段施工,专门的预加应力措施或采取能减小混凝土温度变化或收缩的措施且有充分依据的,伸缩缝间距可适当增大。这两条使我们在实际设计过程中较难把握。工程实例中超过55m就设置伸缩缝,这显然是很难保证的,但采取后浇带分段施工后究竟应控制房屋长度多少而不至于产生裂缝等不良现象呢?笔者认为这取决于各地区的温差及混凝土不同的收缩应力。按本人在广东省地区所做的工程实例经验,多层房屋长度超过55m但在75m以内时,采取设置施工后浇带及相应的构造加强措施后,不设置伸缩缝是可行的,这在许多工程竣工使用多年后也已得到证实,多个工程(比如有40m×72m的四层厂房,10m×72m的九层教学楼,2m×65m的九层宿舍,还有长达近100m的三层商业建筑等)均未产生严重的裂缝。但在结构设计中必须对梁柱配筋进行概念上的调整。首先是长向板钢筋应双层设置,并适当加强后浇带处的梁板配筋;而两端梁柱,特别是边跨的柱配筋必须加强,以抵抗温度应力带来的推力;另外,超长结构在角部容易产生扭转效应,我们在设计中也必须对角部结构进行加强。当框架结构超过75m时,笔者认为必须采取特殊的措施才能不设置伸缩缝,譬如说采用预加应力,掺入抗裂外加剂等等,而且作为超过75m的结构,必须对温度及收缩裂缝采取定量的分析,并相应施加预应力,这在许多工程实例中应用的效果也是众目共睹的。如果对超长结构,不能有效的分析清楚受力情况,本人建议还是应按规范要求设置伸缩缝,毕竟建筑上缝只要处理得当还是不影响观瞻的。目前的短肢剪力墙体系小高层由于考虑埋置深度的要求,一般均设置地下室。基础则采用桩筏基础。如何对桩进行合理选型,将对整个地下室设计的经济性产生重要影响。
2防止由于地基沉降或不均匀沉降引起的构件开裂或破坏
预防或减少不均匀沉降的危害,可以从建筑措施、结构措施、地基和基础措施方面加以控制。诸如:避免采用建筑平面形状复杂、阴角多的平面布置;避免立面体形变化过大;将体形复杂、荷载和高低差异大的建筑物分成若干个单元;加强上部结构和基础的刚度;同一建筑物尽量采用同一类型基础并埋置于同一土层中等一系列措施。应该引起重视的是:对高层建筑来说,由于需要一定的埋置深度,从经济的角度考虑,基础一般采用桩箱或桩筏结合的形式,此时应保证箱体的整体刚度,群桩布置的形心应与上部结构重心相吻合。当土层有较大起伏时,应使用同一建筑结构下的桩端位于同一土层中,并应考虑可能产生的液化影响。
3从结构计算和构造上满足规范要求
3.1从结构计算角度,看结构计算应注意的问题:
避免荷载计算的错误。诸如漏算或少算荷载、活荷载折减不当、建筑物用料与实际计算不符,基础底板上多算或少算土重。底框砌体结构验算时就应注意:底部剪力法仅适用于刚度比较均匀的多层结构,对具有薄弱层的底层框架混合结构,应考虑塑性变形集中的影响,通常对底层地震剪力乘以1.2—1.5的增大系数;底层框架混合结构的剪力分配不能简单地按框架抗震墙的方法。连续板计算不能简单地用单向板计算方法代替;双向板查表计算时,不能忽略材料泊松比的影响,否则,由于跨巾弯矩未进行调整,将使计算值偏小对电算结果的正确性进行正确评价。
3.2从构造角度看应注意的问题:
注意构件最大配筋率和最小配筋率的限值。尤其是在抗震设计中既要保证建筑结构在地震发生时具有一定的延性,又必须满足最小配筋的要求。严格按照规范要求,保证钢筋在各个部位所需满足的锚固、延伸和搭接长度,材料选用也必须满足强度要求。为了防止屋面温度应力引起的墙体开裂,必须采取有效的通风散热措施。按抗震构造要求设置的构造柱,应在整个建筑物高度内上下对准贯通,上至女儿墙压顶,下伸人基础圈梁,或伸人室外地面以下500毫米,构造柱与圈梁、楼板和墙体的拉接必须符合规范要求。
4剪力墙设计
布置:剪力墙布置必须均匀合理,使整个建筑物的质心和刚心趋于重合,且X,Y两向的刚重比接近。在结构布置应避免一字形剪力墙,若出现则应布置成长墙(h/w>8)应避免楼面主梁平面外搁置在剪力墙上,若无法避免,则剪力墙相应部位应设置暗柱,当梁高大于墙厚的215倍时,应计算暗柱配筋,转角处墙肢应尽可能长,因转角处应力容易集中,有条件两个方向均应布置成长墙;规范中对普通墙及短肢墙的界定是墙高厚比8倍以下为短墙,大于8倍则为普通墙,这就引起高厚比为719倍及811倍的两种墙的受力特性截然不同,而配筋亦大相径庭,这显得比较机械而不合理,因此笔者建议布置长墙时高厚比能大于9。超级秘书网
5结束语
以上几点是对设计中经常出现的几个问题的理解。在今后的设计过程中,设计者要把提高设计质量作为终身奋斗的目标,应以规范为依据,不断总结,因为安全才是人民利益的根本所在,使我们的设计更经济合理。
参考文献:
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龙驭球、包世华.结构力学教程.北京:高等教育出版社,2003.
赵明华.土力学与基础工程.武汉理工大学出版社,2003.
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1.1本项目的基本情况
本工程位于湛江市开发区的某小区。总用地面积17062.13m2,总建筑面积82351.57m2(其中地下建筑面积为12829.25m2,地上建筑面积为69522.32m2)。另外本工程设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,抗震设防类别为丙类。
1.2场地自然条件
(1)风荷载:基本风压按50年重现期取0.8kN/m2,地面粗糙度B类。(2)本工程设计地震分组为第一组,抗震设防烈度为Ⅶ度,设计基本地震加速度值0.1g,地类别为Ⅲ类,属于中软场地土。
2结构设计
2.1地基基础
由于业主未提供详细地质资料,基础设计待业主提供详细地质资料后确定。本院根据当地工程经验,本工程拟采用桩基础。
2.2上部结构设计
根据建筑使用功能的要求并结合本工程的特点,本工程结构形式为:1~3栋采用框架-剪力墙结构;4栋采用剪力墙结构,其中剪力墙及框架抗震等级均为二级。本工程混凝土强度等级为C50~C30,钢筋采用HRB400级钢筋。
2.3PKPM系列结构软件分析
在本次湛江市开发区的某小区的结构设计中采用PKPM系列结构软件进行结构分析。具体来讲本设计所采用的计算机程序为中国建筑科学研究院PKPM-SATWE,版本型号是2010版,这也是在目前设计院住宅结构设计中较为常用的一款软件,并且该转件的结构计算结果较为可靠。本次住宅的结构采取较为常用的框架加剪力墙结构,目前这种结构在现有的高层住宅设计中被广泛的应用,这种形式结合了框架和剪力墙两种结构的优点,具有受力稳定,造价相对经济的特点。同样的为了保证整个结构的稳定性,在住宅建筑的-1~3层对结构进行了加强。整体结构的嵌固位置为地下室的顶板。每个建筑的结构在计算的过程中都会对灾害进行预估,提前计算其所受的荷载,并在设计过程中采取相应的措施。在本次住宅小区的结构设计中,对于五十年一遇的大风,预估的基本风压值为Wo=0.8kN/m2,建筑物地面的粗糙程度按照B类设计,以一号住宅楼为例,其承载风荷载效应时的放大系数为1.1,最终建筑物的体型系数采取1.4来进行计算。其次,对于地震灾害中的受力,在建筑结构的整体设计中也是应当考虑的,本项目的所处的地质环境要求建筑物按照Ⅶ度抗震烈度进行设防,所以在结构设计中按照其相应的抗震烈度设防地震分组为第一组,场地的类别为三类,建筑物的抗震设防类别为丙类,并且需要考虑在地震作用下构的偏心问题,以及双向地震作用力的问题。在地震作用下:计算振型个数为15,重力荷载代表值的活载组合值系数为0.5,周期折减系数为0.75,结构的阻尼比为5%,特征周期Tg为0.45,地震影响系数最大值为0.08。具体来讲混凝土框架的抗震等级为二级,剪力墙的抗震等级为二级,综合来讲其抗震结构措施为二级设计。最后在计算的过程中还需要对一些系数进行调整和修改:梁端负弯矩调幅系数为0.85;梁活荷载内力放大系数为1;梁扭矩折减系数为0.4;托墙梁刚度增大系数为1;实配钢筋超筋系数为1.15;连梁刚度折减系数为1.0(注:风荷载控制),0.6(地震荷载控制);梁刚度放大系数按2010规范取值;并且柱配筋的计算按照双偏压来进行设计。
3本工程的结构计算
本工程位于湛江市开发区的某小区,在进行结构计算的过程中采用的活载标准值按照《建筑结构荷载规范》(GB5009-2012),取值见表1。
4展望
对于实际的居住区工程来说,好的结构设计往往是整个项目成功的关键所在,合理的结构设计不仅可以使形体优美的建筑得以成为现实,更是为建设的设计者提供新的构思机会,因为合理的结构设计通常与美学的要求不谋而合。所以本文通过对实际项目结构计算过程中的地基基础、上部结构设计、PKPM系列结构软件分析等重要步骤的解析,探讨住宅小区在结构设计的过程中应当注意的关键点,对居住小区结构设计的方法进行了验证,希望可以对实际的居住区的建筑的结构设计提供一些灵感。
作者:潘伟朝 单位:广东省建科建筑设计院有限公司
参考文献
[1]梅丽娜.浅谈结构设计的几项基本原则[J].黑龙江科技信息,2010(15).
[2]梁兴泉.结构设计的体会[J].山西建筑,2009(27).
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1.1结构抗震性能目标本工程存在扭转偏大、楼板不连续、尺寸突变、竖向构件不连续、承载力突变等多项不规则,属特殊类型高层建筑。结构设计确定的抗震性能目标见表1。由表1可知,本工程采用的性能目标较高,介于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)[2](简称高规)定义的A,B级之间,主要原因有两个方面:一方面是经对比分析,与B级目标相比较,性能目标提高后仅核心筒部分需要增加较少工程造价,对于总体造价而言,增加比例很小的造价即可满足性能目标要求;另一方面是考虑到结构悬挑比较大,且是乙类建筑,特意提高其性能目标。本工程于2012年6月通过广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查。
1.2结构受力特点及分析地震作用下整个结构有比较复杂的反应,主要有以下几个方面:一是水平和竖向震动耦合;二是悬挑端有比较大的竖向震动反应,导致核心筒远离悬挑端一侧混凝土承受拉力;三是水平地震和竖向地震引起的整体结构扭转作用导致结构筒体有比较大的扭转效应。(1)大震作用下悬挑端位移分析大震作用下悬挑端的位移见表2。由表2可知,X向地震作用下,悬挑远端Z向位移比较显著;Y向地震作用下,因结构扭转造成悬挑远端Y向水平位移比较显著。X向地震作用下,悬挑远端Z向位移由框筒部分的剪弯变形(包含绕Y轴的转动变形)及悬挑部分自身的竖向弯曲变形组成;Y向地震作用下,悬挑远端Y向位移由框筒部分绕Z轴的转动变形和悬挑部分自身的水平弯曲变形组成。(2)小震Y向作用下核心筒的总力矩分析图6给出了核心筒外筒墙、柱编号,表3给出了各墙体在Y向小震作用下的剪力及其相对于核心筒形心点O的力臂。由表3可知,核心筒外筒墙体对核心筒形心点O的力矩之和为979014kN•m。Y向地震作用为61147kN,等效力臂为979014/61147=16.01m。此巨大力矩将通过内藏钢骨的核心筒传递至地下室的核心筒,再传至基础。(3)核心筒外筒墙体轴向内力分析表4给出了小震、大震作用下核心筒外筒墙体轴向内力,其中小震作用考虑恒荷载和活荷载及风荷载,大震作用仅考虑恒荷载和活荷载,活荷载均按最不利布置(仅悬挑部分有活荷载)。从表4可看出,小震作用下,墙体Q2,Q5均受压,墙体Q3受拉,墙体Q1总体是以受压为主,但其与墙体Q3相连端受拉;在大震作用下,墙体Q1,Q3受拉,墙体Q2在4层以上受压、在4层及其以下受拉,墙体Q5在5层以上受压、在5层及其以下受拉。(4)核心筒外筒墙体剪压比分析图7给出大震作用下核心筒外筒墙体的剪压比曲线,其中剪力按照墙体中混凝土和型钢所能承担的比例分配,此处用于计算剪压比的剪力为混凝土部分承担的剪力。由图7可见,大震作用下核心筒外筒墙体的剪压比均小于限值0.18,满足设定抗震性能目标的要求。图7核心筒外筒墙体剪压比曲线(5)悬挑部分竖向地震作用及其收敛分析通过SATWE和ETABS软件,采用振型分解反应谱法与弹性时程分析法对比分析了竖向地震作用下结构的反应,得到了竖向地震作用下悬挑部分的竖向地震作用系数(即悬挑部分所承受的总竖向地震力与悬挑部分的重力荷载代表值的比值)。悬挑部分恒荷载总重GDL=58269kN,活荷载总重GLL=7822kN,悬挑部分结构重力荷载代表值GE=GDL+0.5GLL=62180kN,故小震作用下悬挑部分的竖向地震作用系数α小震=2641kN(小震竖向地震力)×1.25(小震放大倍数)/62180kN=0.053,在大震作用下竖向地震作用系数为α大震=16145kN(大震竖向地震力)/62180kN=0.260。高规中并未规定7度(0.10g)时的竖向地震作用系数,但参照高规插值,可以得到7度(0.10g)时的竖向地震作用系数为0.05,本文如不考虑1.25放大系数,其竖向地震作用系数仅为0.0424,小于0.05,故在采用振型分解反应谱法计算竖向地震作用时应注意其所计算的竖向地震作用是否达到高规规定值。Z向地震时程分析所得的竖向剪力平均值与弹性反应谱分析所得的竖向剪力之比为2987/3389=0.88。尽管不同位置的构件内力随竖向振型参与系数的变化是不一致的,但是当振型参与系数在15%~90%之间时,其竖向地震引起的构件内力增长非常缓慢,此与高层结构有较大不同。
1.3结构性能化设计措施(1)为提高剪力墙连梁的延性,在连梁中配置型钢,并加强其腰筋及箍筋配置(配筋率不小于0.4%且不小于计算配筋)。(2)在核心筒剪力墙中配置型钢,一是为了承担部分剪力及弯矩;二是与墙体竖向钢筋共同承担拉力。(3)通过核心筒的连梁来实现结构耗能,虽然连梁中设置了型钢,但墙体中也设置了型钢,相对于墙肢而言,连梁截面内力远小于墙体截面,所以地震作用时是连梁首先发生弯曲破坏,起耗能作用。虽然结构承载力已按较高的性能目标实现,但为使结构具有较好的塑性变形能力,结构仍然按高延性设计,核心筒及框架柱抗震等级为一级,钢构件抗震等级为二级。
2结构计算分析
2.1振动模态采用SATWE,ETABS软件进行多遇地震作用下的计算对比分析。ETABS软件计算得到的结构的振型图如图8所示(两种软件计算得到的振型一致),由图8可以看出,悬挑部分有较大的振动反应。
2.2整体分析结果对比由SATWE,ETABS软件计算的结构总体指标对比见表5。由表5可知,两个软件计算的结果比较接近,相符度较好。SATWE软件计算的整体稳定性验算指标刚重比X向为117.86,Y向为46.79,均大于规范限值2.7(不考虑二阶效应的限值);ETABS软件计算的整体稳定性验算指标刚重比X向为106,Y向为46.79,均大于规范限值1.4(稳定限值)和2.7(不考虑二阶效应的限值)。
2.3施工卸载模拟计算悬挑桁架部分采用满堂脚手架施工,脚手架支承于地下室顶板上,地下室顶板考虑60kN/m2的施工荷载。采用分段吊装的施工方案,桁架在现场焊接成型,采用塔吊和汽车吊相结合的方法完成吊装(图9)。全部钢结构构件安装完毕后再进行脚手架卸载,卸载顺序为由远端向根部逐渐延伸,在卸载过程中应对钢结构变形及位移进行现场测量。卸载完毕后,开始安装钢筋桁架,浇筑楼板,砌筑固定隔墙,然后封闭楼板后浇带。图9施工方案示意图本工程进行了施工卸载模拟分析,分四步拆脚手架,首先拆第四节下对应的脚手架,接着拆第三节、第二节、第一节下对应的脚手架。卸载过程远端位移模拟显示悬挑远端满足《钢结构设计规范》(GB50017—2003)[3](简称钢规)要求,虽卸载过程与使用状态下的结构支撑条件和荷载作用条件不同,但卸载过程中构件的内力符号没有发生变化,且其应力比均小于正常使用状态下的应力比。
2.4防连续倒塌分析与设计对于防连续倒塌的分析,参考高规采用了两种方法:一是拆除构件法;二是施加表面荷载法。(1)KZ1是受荷最大、最为重要的柱,所以对其按拆除构件法验证是否满足防连续倒塌的要求。计算结果表明,与所拆除构件直接相连的构件最大应力比为[(0.69/1.35)/1.25]×2=0.818,斜拉腹杆最大应力比为(1.13/1.35)/1.25=0.67,其余各构件应力比均小于1。(2)对于桁架的主要弦杆和腹杆,采用在构件表面附加80kN/m2侧向荷载的方法进行验证分析,分三步进行:第一步是按未加侧向荷载进行计算;第二步是将构件从整体结构中取出来,施加侧向荷载进行内力计算;第三步是叠加前两步内力。计算结果见表6,由表6可知,桁架一的主要杆件应力比均小于1.0。
2.5人群荷载下楼盖振动舒适度验算由于楼盖结构的跨度比较大,故对其进行了舒适度研究,采用MIDAS/Gen进行楼盖振动舒适度分析。楼盖振动舒适度分析考虑两种人群荷载工况:工况一为21人同频率、同相位行走;工况二为60人同频率、不同相位行走的。计算结果表明,楼盖最大振动加速度为0.0452m/s2,满足规范限值0.05m/s2要求。
2.6楼盖风振时程分析基于风洞试验实测数据,结合风速时程样本,采用MIDAS/Gen软件模拟结构风振[5],本工程中只考虑顺风向风速的影响,采用了Davenport脉动风速谱,参考深圳市气象局近年来的风速统计资料,设定参考风速,以MonteCarlo法为基础采用谐波叠加法,设定关心的频率始值和终值,随机产生风速时程曲线。局部风振时程荷载按点荷载直接施加于模型相应测点处。分析结果表明,不同风振时程样本引起的楼盖最大加速度差别较大,这主要是由于随机生成的风振时程的自身差异所导致的;基于本文的时域分析方法及风振报告提供的频率方法(其中楼盖振动最大加速度为0.221m/s2)计算出的楼盖风振效应均很明显。针对本工程而言,风荷载引起的竖向振动是设计的控制因素。
3关键节点设计及有限元分析
悬挑桁架从混凝土核心筒及外框柱伸出,第7层E,B点(图3)处节点交汇杆件达11根,节点受力比较复杂。悬挑桁架下弦杆根部弯矩非常大,尽管钢材已采用Q420GJC,但板厚仍超过100mm,基于此提出了解决桁架根部局部弯矩过大的新型节点,见图10。此节点通过对工字形截面翼缘板加下挂板的方式,变相增加了翼缘板的宽度。此种做法一是可以减小板厚,降低焊接难度;二是相对于箱形截面其便于焊接和混凝土浇捣。节点分析拟考虑两种荷载工况:一是大震作用工况;二是构件屈服工况,即加载至某构件(根据大震的分析结果,选取承载能力利用率最高的构件)发生屈服。选取桁架一下弦杆梁柱节点及桁架二下弦杆梁墙节点进行节点分析。采用MIDAS/FEA[7]进行分析。大震作用下节点应力云图如图11所示,结果表明,节点区几乎所有的钢构件均保持在弹性状态,混凝土受拉及受压均保持在弹性状态,节点区构件满足承载能力极限状态的要求。构件屈服工况下节点应力云图如图12所示,结果表明,应力最大钢构件中和轴以下全部发生屈服时,节点核心区内板件仍保持在弹性状态,节点板屈服区域仅分布在以屈服构件相连的局部区域,没有向节点板核心区扩展,满足“强节点、弱构件”的控制要求。
4结语
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关键词:异形柱短肢剪力墙结构设计
现代住宅建筑要求大开间,平面及房间布置灵活、方便,室内不出现柱楞、不露梁等。异形柱与短肢剪力墙结构能较好地满足现代住宅建筑的要求,因而逐渐得到了推广应用。目前,现行国家规范或规程中尚未给出有关异形柱与短肢剪力墙结构设计的条款,因此,结构设计人员在设计中常会遇到一些规范或规程尚未论及的问题,需要设计人员积累经验,利用正确的概念进行设计。
本文旨在对异形柱与短肢剪力墙结构设计中的一些问题进行探讨,提出个人看法,供结构设计人员参考
1异形柱结构型式及其计算
异形柱结构型式有异形柱框架结构、异形柱框架—剪力墙结构和异形柱框架—核心筒结构。
异形柱结构自身的特点决定了其受力性能、抗震性能与矩形柱结构不同。由于异形柱截面不对称,在水平力作用下产生的双向偏心受压给承载力带来的影响不容忽视。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。
当采用不具有异形柱单元的空间分析程序(如TBSA5.0)计算异形柱结构时,可按薄壁杆件模型进行内力分析。
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[1]。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。
一般,按面积等效计算时,矩形柱的惯性矩比异形柱的小。但对有剪力墙(或核心筒)的异形柱结构,计算分析表明[2],按面积等效与按刚度等效的计算结果是接近的。
异形柱的截面设计,可根据上述方法得出的内力,采用适合异形柱截面受力特性的截面计算方法进行配筋计算。
2短肢剪力墙结构及其计算
短肢剪力墙结构是适应建筑要求而形成的特殊的剪力墙结构。其计算模型、配筋方式和构造要求均同于普通剪力墙结构。在TAT、TBSA中,只需按剪力墙输入即可,而且TAT、TBSA更适合用来计算短肢剪力墙结构。TAT、TBSA所用的计算模型都是杆件、薄壁杆件模型,其中梁、柱为普通空间杆件,每端有6个自由度,墙视为薄壁杆件,每端有7个自由度(多一个截面翘曲角,即扭转角沿纵轴的导数),考虑了墙单元非平面变形的影响,按矩阵位移法由单元刚度矩阵形成总刚度矩阵,引入楼板平面内刚度无限大假定减少部分未知量之后求解,它适用于各种平面布置,未知量少,精度较高。但是,薄壁杆件模型在分析剪力墙较为低宽、结构布置复杂(如有转换层)时,也存在一些不足,主要是薄壁杆件理论没有考虑剪切变形的影响,当结构布置复杂时变形不协调。而短肢剪力墙结构由于肢长较短(一般为墙厚的5-8倍),本身较高细,更接近于杆件性能,所以,用TAT、TBSA计算短肢剪力墙结构能较好地反映结构的受力,精度较高。
对设有转换层的短肢剪力墙结构,一般都只是将电梯间、楼梯间、核心筒和一少部分剪力墙落地,其于剪力墙框支。框支剪力墙是受力面向受力点过渡,由于薄壁杆件的连接处是点连接,所以用薄壁杆件模型不能很好地处理位移的连续和力的正确传递。因此,带有转换层的短肢剪力墙结构宜优先采用墙元模型软件(如SATWE)进行计算。当然,从整体上的内力(特别是下部支承柱的内力)分布情况来看,如果将剪力墙加以适当的处理,还是可以用TAT、TBSA对结构进行整体计算的[3]。
3异形柱的受力性能及其轴压比控制
天津大学的试验研究结果表明[4]:异形柱的延性比普通矩形柱的差。轴压比、高长比(即柱净高与截面肢长之比)是影响异形柱破坏形态及延性的两个重要因素。
异形柱由于多肢的存在,其剪力中心与截面形心往往不重合,在受力状态下,各肢产生翘曲正应力和剪应力。由于剪应力,使柱肢混凝土先于普通矩形柱出现裂缝,即产生腹剪裂缝,导致异形柱脆性明显,使异形柱的变形能力比普通矩形柱降低。
作为异形柱延性的保证措施,必须严格控制轴压比,同时避免高长比小于4(短柱)。控制柱截面轴压比的目的,在于要求柱应具有足够大的截面尺寸,以防止出现小偏压破坏,提高柱的变形能力,满足抗震要求。广东《规程》按建筑抗震设计规范(GBJ11—89)中所规定的柱子轴压比降低0.05取用(按截面的实际面积计算);天津《规程》则根据箍筋间距与主筋直径之比、箍筋直径及抗震等级共同确定,其要求比广东《规程》严格,例如,对s/d=5、4(即箍筋间距s=100mm,纵筋直径d分别为20mm、25mm的情况),箍筋直径dv=8mm,抗震等级为三级的L形截面,其轴压比限值分别为0.60,0.65。异形柱是从短肢剪力墙向矩形柱过渡的一种构件,柱肢截面的肢厚比(即肢长/肢宽)不大于4。《高规》(JGJ3—91)第5.3.4条,“抗震设计时,小墙肢的截面高度不宜小于3bw”,“一、二级剪力墙的小墙肢,其轴压比不宜大于0.6”。根据上述分析,为便于应用,建议在6度设防区,对于异形柱框架结构,L形截面柱的轴压比不应超过0.6(按截面的实际面积计算,下同),T形截面柱的的轴压比不应超过0.65,十字形截面柱的轴压比不应超过0.8;对于异形柱框架—剪力墙(或核心筒)结构,由于框架是第二道抗震防线,所以框架柱的轴压比限值可放宽到0.65(L形)、0.70(T形)、0.90(+字形),但对于转换层下的支承柱,其轴压比仍不应超过0.60。
短柱在压剪作用下往往发生脆性的剪切破坏,设计中应尽量避免出现短柱。根据高长比不宜小于4,在梁高为600mm的前提下,当标准层层高为3.0m时,异形柱的最大肢长可为600mm;底层层高为4.2m时,肢长可为900mm。
4短肢剪力墙结构中转换层的设置高度及框支柱
在现代高层住宅的地下室和下部几层,由于停车和商业用房需较大空间,就得通过转换层来实现。在短肢剪力墙结构中,一般都只将电梯间、楼梯间、核心筒和一少部分剪力墙落地,其于剪力墙框支。
据研究表明[5],“框支剪力墙结构当转换层位置较高时,转换层附近层间位移角及内力分布急剧突变,内力的传递仅靠转换层一层楼板的间接传力途径很难实现;转换层下部的‘框支’结构易于开裂和屈服,转换层上部几层墙体易于破坏。这种结构体系不利于抗震。高烈度区(9度及9度以上)不应采用;8度区可以采用,但应限制转换层设置高度,可考虑不宜超过3层;7度区可适当放宽限制。”因此,建议在6度抗震设防区,短肢剪力墙结构中转换层设置高度不宜超过5层,避免高位转换。转换层上下的层刚度比γ宜接近1,不宜超过2。转换层位置较高时,宜同时控制转换层下部“框支”结构的等效刚度(即考虑弯曲剪切和轴向变形的综合刚度),使EgJg与EcJc接近。EgJg为剪力墙结构的等效刚度,剪力墙结构高度取框支层的总高度,其平面和层高与转换层上部的剪力墙结构相同;EcJc为转换层下部“框支”结构的等效刚度。研究表明[5],“控制转换层下部‘框支’结构的等效刚度对于减少转换层附近的层间位移角和内力突变是十分必要的,效果也很显著。”
规范对框支柱的内力、轴压比、配筋等的要求都严于普通柱。框支剪力墙结构当转换层位置较高时,如何定义框支柱,涉及到安全与经济的问题。根据圣维南原理,局部处理的影响只限于局部范围,所以当转换层位置较高(如高位转换)时,除转换层附近楼层的内力较复杂外,下面的结构受到的影响很小,应与普通框架结构基本一样,不必按框支柱处理。文献[6]计算了两个28层的结构,一为内筒外框架结构,一为内筒外框支结构,转换层设在18层。计算结果表明,转换层下二层的内力影响很大,下三层的内力误差最大为15%,下五层的内力已比较接近(最大误差小于10%),下八层的内力已基本一样(最大误差小于5%)。这说明框支柱只需在五层范围内加以考虑,其它层的柱子按普通框架柱处理即可。因此,建议当转换层位置不超过五层时,转换层下的各层柱均按框支柱处理;当转换层位置超过五层时,转换层下相邻的五层柱按框支柱处理,而其它层的柱按普通框架柱处理。由于高位转换对抗震不利,所以结构设计中应尽量避免高位转换。
5短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节及概念设计
振动台模拟地震试验结果表明[7],建筑平面外边缘及角点处的墙肢、底部的小墙肢、连梁等是短肢剪力墙结构的抗震薄弱环节。当有扭转效应,建筑平面外边缘及角点处的墙肢会首先开裂;在地震作用下,高层短肢剪力墙结构将以整体弯曲变形为主,底部的小墙肢,截面面积小且承受较大的竖向荷载,破坏严重,尤其“一”字形小墙肢破坏最严重;在短肢剪力墙结构中,由于墙肢刚度相对减小,使连梁受剪破坏的可能性增加。因此,在短肢剪力墙结构设计中,对这些薄弱环节,更应加强概念设计和抗震构造措施。例如,短肢剪力墙在平面上分布要力求均匀,使其刚度中心和建筑物质心尽量接近,以减小扭转效应;适当增加建筑平面外边缘及角点处的墙肢厚度(宜取250mm,对底部的小墙肢根据需要可取用300mm),加强墙肢端部的暗柱配筋,严格控制墙肢截面的轴压比不超过0.6,以提高墙肢的承载力和延性;高层结构中连梁是一个耗能构件,连梁的剪切破坏会使结构的延性降低,对抗震不利,设计时应注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算,保证连梁的受弯屈服先于剪切破坏;短肢剪力墙宜在两个方向均有梁与之拉结,连梁宜布置在各肢的平面内,避免采用“一”字形墙肢;短肢剪力墙底部加强部位的配筋应符合规范要求;等。
参考文献:
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[5]徐培福等.转换层设置高度对框支剪力墙结构抗震性能的影响[J].建筑结构.2000,30(1):38-42.
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在建筑形式和数量不断增多的前提下,工程项目中所涉及的信息量也越来越大,这些信息如果得到及时收集,并加以利用,那么对于其他建筑工程的建设将会具有极大的推动作用。不但能够缩短工期,还能够加有效节约成本,提高施工质量,除此之外还能够更好的避免很多施工事故的发生,因此,信息技术在我国建筑工程中的优势非常显著。但是现阶段,我国还是应该采取一定的措施更好的发展和推广这项技术,这样才能够将次技术的优势充分发挥出来,有效的节约成本,提高施工效率以及施工安全保障。在这个基础之上,我国相关技术人员应该全方面,高效率的对BIM技术的核心技术原理进行研究,可以说,此项技术是我国建筑设计领域的新起点,是一次革命性的开始,因此具有非常巨大的现实意义。
二、BIM模型所包含的设计项目
1.构件方面
BIM技术在建筑结构构件设计中具有非常重要的作用,其中内容很丰富,包括构建材料、几何尺寸以及荷载等信息,这些信息能够非常直观的显示出来,相关的设计人员能够随时进行使用和分享。尤其是在结构节点设计方面,BIM技术的使用,能够快速和直接进行构件作用的判断,将梁、板以及墙、柱等部分的信息进行定义,同时能够对连接构件做出更加合理的判定,这样是为了更好的将其与节点的进行匹配,这样就能够将所建立模型的信息进行科学地参数计算。比如,建筑设计中的混凝土构件,BIM技术能够将其使用量的多少以及钢筋的用量进行准确预测,并将其现实在模型信息中。
2.整体层次关系
使用BIM技术,必须要建模,而模型的构件需要大量的信息数据,在虚拟的条件下,模型能够非常正确完整将结构进行优化调整,为人们提供最合理、最具可行性的施工方案,同时,还可以缓解施工过程中所产生的突发问题,协调各部分施工之间的关系,BIM技术可以及时搜集并整理各种施工信息,并实现分享,施工人员以及技术人员在需要的时候可以随时进行查阅和使用,为建筑结构整体分析计算提供更多依据。
三、BIM模型的层次应用
1.BIM模型的集成化应用
BIM模型采用的是参数化的描述方式,这种方法是目前最合理的信息单元描述方式,能够非常准确的将建筑结构中的梁、墙以及柱等部分建立模型,在建立模型的时候,建筑物实际上就是真实的展现过程中,其内部信息以及内涵都会被描述出来。另外,在建立模型的这个过程中,系统还会对结构中大量物理信息进行全面的分析,进行分类处理。技术人员能够更加直观,便捷、多方位的对建筑物的构造情况进行了解,从而有效避免很多设计上失误,以及事故的发生。
BIM技术的核心就是利用数据库模型体现出各个设计参数,这使很多结构模型都和实体结构参数相互一致,参数在形成模型化后,会根据不同的构件特征形成相互的规则性,使模型设计能够和实际施工相互联系。
3.信息共享和交换
在结构设计完成后,BIM模型能够直接读取结构设计中的信息,并且结合这些信息建立完整的结构分析模型。三维模型的结构布置保持与分析模型相互一致的状态,使结构状态得到高度的统一,建筑信息模型在传统的模型分析上往往以数据作为基础,BIM在读取数据的过程中,使数据文件转换为自身的结构形式,最终实现设计流程中的资源共享,以此提高资源的协调应用能力。
四、结构设计中BIM应用的难点
1.应用BIM技术的三维设计工具软件(Revit釆等)用了较多的模块参变量和系统参数,与二维创建视图技术有很大的不同,软件需要兼顾与二维设计习惯的一致性,所以模块参变量和系统参数比常规工具软件要复杂很多倍,这就使得应用中因为系统参数设置不当或参数与参数之间不匹配而导致很多意想不到的问题。
2.在进行结构设计时,很多结构形式十分特殊,这就需要特殊的结构模块对其进行控制,但是三维图形和剖面视图不能形成理想的施工效果,很多设计者会因此放弃BIM技术,而使用原始的二维绘图设计方案
3.结构工程师在建立BIM模型时,注重的问题主要是物理模型能否自动生成平法施工图文档,以及能否正确转化为可以被结构分析软件认可的结构分析模型。在结构设计中,安全性分析计算是首要环节和重要问题。BIM建立的是完全的数据库式模型,从理论上来说,实现BIM物理模型与结构分析模型之间的双向链接是完全可行的。
五、BIM在结构设计中的处理办法
1.建立完整的项目样板
在建筑结构设计中,项目样板是所有设计中的基础,而项目样板设计所包含内容很多,具体为标准化处理的线型、字体以及符号等方面。而BIM技术的应用,能够快速有效的建立完整的样板,并且能够避免很多必要的重复,减少无用功,提高工作效率,现阶段,我国已经建立了一套符合我国实际情况的设计标准,这项标准能够对我国结构设计中的各个环节进行监控并能够更具不同用户的需求,有针对性的进行指导。
2.设计符合要求的结构构件
在建筑结构中,梁、柱以及楼板等都是非常重要的基础部件,因此这些部件对于建筑来说,有着非常重要的支撑作用,通常来说,它们一般为预制部件、现浇部件以及各种更结构部件等。设计的时候,要从建筑物的实际情况出发,根据不同需要进行设计。在这些形式中,比较常用的就是现浇部件。设计的时候,设计人员应该严格进行设计方案的选择,部件功能不同,浇筑的方式也不同,要最大限度减少不同因素之间的冲突反映。保障结构部件的作用能够得以有效发挥。
3.钢筋混凝土结构中的平法表示
在钢筋混凝土施工图绘制中,通常采用平面方法进行表示,在图纸上采取特殊的标点符号进行标注,施工技术人员通过工艺转换形成样图。BIM技术可以使平面表示法的内容多环节和多角度展示,BIM模型能够更加轻松的提取出关键数据和核心信息,以满足施工时间和放样需求。
六、结束语
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1决策设计因素。工程项目的形成离不开工程的决策设计,因此,决策设计十分重要,设计方案的准确性对该项目的造价有重要影响,针对其使用功能、后期的维持费用而言,设计方案的选择也直接关系到项目的具体落实细节,关系到项目投资效益的实现和造价的多少。
2施工因素。对于处在施工阶段的工程来说,工期长短、质量高低、技术是否先进等因素都是影响工程造价的重要问题,如果工程已经可以满足预先使用功能,就并不应该以追求高规格高品质为理由大幅度上升造价,也不应该为了加快建设进度增加没有预期的赶工费用。在施工过程中应按照工程建设的基本规律,在满足工程质量良好及进度无误差的情况下,应积极寻求工程最低造价,实现工程的质量、投资及进度的平衡局面。
3其他因素。导致工程造价的增加的其他无法避免的因素主要包括政府相关政策调整、物价上涨导致的材料价格上升还有各种不可预见的自然灾害或社会事件的发生。
二、工程造价的控制方法
1造价的动态控制方法。项目建设的建设时间越长,在工程的施工过程中就越容易发生各种不确定因素导致的风险,因此,经常发生实际施工情况与目标状态偏离的状况,这就需要我们在工程的施工过程中不断对施工过程进行同步跟踪,及时地了解相关全面的施工信息,并随时将工程的实际施工情况与预订目标进行对比,如果离目标差距过大,就必须采取一定的措施,使项目能及时改正错误并朝预期的方向前进,使发生的误差得到控制。但是任何的控制修改措施都不可能一直有效,即使解决了原有的问题,仍可能会出现不断地新问题,这就需要对整个工程项目实时进行观察。类似于这种对项目工程的不断控制不断观察不断改正是一个不断循环的过程,它贯穿于整个建设项目的始终。对项目工程的控制不断地循环、纠正,才能有效的控制实际工程造价。这种方法被称为工程的动态控制法。采用动态控制法可以有效地控制工程造价,确保整个建筑工程的稳定性。
2全寿命周期控制法。建设项目的项目一般由策划阶段、施工阶段、设计阶段、使用阶段和维护阶段构成。理论上所说的造价控制是对施工阶段的造价进行控制,而实际上设计结束前的阶段影响项目造价最大。在技术设计阶段为33%~74%,在规划设计阶段,影响项目造价的可能性为76%~97%,在施工阶段,通过技术措施节约造价的可能性只有4%~11%。因此建筑结构设计阶段对工程造价影响最大。在对整体建设项目的造价控制中,除了注意决策、设计及施工阶段的造价外,还要对工程完工后的维护费用进行预算和控制,也就是对项目全部周期费用的控制。由于决策不正确或者设计不合理,亦或者是施工质量的不合格都可能造成严重后果,例如建筑完工后产生的运行费用和维护费用大量增加,而且这种费用是随着建筑的使用而不断发生的。因此,在建筑工程的过程中不能为了节省初步投资而降低建筑的质量,纵使节省了初步投资,也会使项目竣工后经常出现各种各样的问题,从而导致项目维修费的大幅增加。也就是说,我们不能盲目减少对建筑项目的最初投资,应该从整体寿命周期费用的理念出发来考虑建筑物的造价问题。
3系统控制法。工程造价、质量、进度是建筑工程的三大要素,这三大因素在一定程度上是对立的关系。具体而言,如果需要较高质量且功能齐全的建设项目,就必须按照良好的工程设备,使用优良的建筑材料,同时在建设过程中要对各个项目严格进行管理,精耕细作,这就会导致工程造价的增加;从另一方面来看,如果一味地强调降低造价,就可能造成在工程中使用劣质材料的现象,同时会对建筑项目偷工减料,就很容易导致工程质量的下降。因此,要想良好地控制工程造价,绝对不能将造价、进度和质量三大因素分割开来,而应该对它们全面系统地进行控制。同时要注意协调进度控制和质量控制的顺序,做到对三大因素的控制的有利配合和相互平衡。例如,当对建筑工程项目采取一些投资措施时,如果该措施会对影响进度、且对项目质量产生不利的影响,就必须考虑是否还有别的更佳的措施,坚决不能为了减小投资就降低工程项目的质量标准,更不能删减工程项目的具体内容。总之,对工程造价的控制是建筑建设项目控制的重要内容,我们可以采取各种不同的有利措施,在确保建设项目造价得到有效控制的同时又不降低工程的总体质量。
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1.1如何更好地达到教学效果
服装结构设计课程作为一门知识系列性较强的课程,有较完备的理论知识内容,教学中旨在使学生系统地掌握结构设计的理论,包括人体与服装的关系,省、领、袖的结构设计原理及结构设计方法,各部件间的组合变化关系,因此习惯性教学常以理论教学为主来完成课堂授课;但结构设计课程中的知识点内容较抽象不易理解,因此常需要实践补充来加深理解知识点,另一方面理论知识最终是运用于具体的实物中,因此服装实践也是检验服装结构理论运用的最佳标准。然而究竟在什么地方运用实践、什么地方理论阐述、二者如何结合,使服装结构课程在有限的学时内达到理想的教学效果?这些都是教师从事服装结构课教学长久以来一直的研究方向和目标。
1.2如何加强专业课程间的内在联系
服装结构设计课程与诸多服装专业课程有着紧密的联系,如服装设计、服装款式设计、服装造型设计课程内容是其结构设计的基础,而服装工艺学、服装工业制板、服装生产管理、服装人体工程学等课程又以服装结构为基础。因此,服装结构课程既是一门独立的课程,又是服装知识储备运用的综合课程,如果能将服装结构置之于服装系列教学的大课程中,不单纯地将其看为一门课,而是作为一个教学分支来展开教学,对服装相关专业知识的学习,将是一项深化工程,因此服装结构设计课程中如何恰到好处地贯穿相关课程专业知识,加强专业课程间的内在联系,也是服装结构设计课教学模式探讨的一项重要内容。
2服装结构设计教学模式的改革
2.1增加项目式教学,与实践紧密结合
服装结构设计课程是为未来进入社会的服装生产服务,因此不可避免地与服装订单及目的性生产相关联,因此在服装教学的实践中可以结合订单的实际要求进行项目式教学培养,增加实践环节。如在讲到女西装的综合制图环节时,由于女西装结构复杂,很容易使学生产生困倦和烦燥的情绪,不能正确将结构制图的方法掌握。在这个环节中可采取项目式教学,指定客户需求,让学生为其设计款式,并根据自己设计的款式进行剖析和绘制结构图,学生们产生了兴趣,乐于实践,积极参与制图,再由教师依据学生设计的款式及结构图进行单独讲解和西装系列化款式变化及结构设计变化的综合总结,不仅使学生掌握一款西装的结构设计,还对比学习了其它的款式结构,增加了学好西装结构的兴趣,加强了款式图结构图间对应互换关系的认识。
2.2增设教学实验环节,贯穿服装工程各环节
服装如果纯以理论教学为主,会有大部分学生对抽象的结构关系的理解片面化,适时地增加服装生产环节是对结构内容学习的加强。如学生在学过裤装结构以后,很多同学对裤装中的上裆、下裆、中裆、侧缝、横裆、立裆的位置混淆不清,相互间的关联更无从理解,严重地影响了裤装结构原理的掌握,只能机械的记忆,对不同款式的变化只能照搬照用,因此,增加裤装制作的实验,让学生自己设计款式、制板并缝制裤装,复杂的结构关系通过工艺制作很容易理解,此时再讲款式结构及变化,板型的疵病修正,印象就更为深刻。在实验环节结束后,学生们感慨地说:“实验中,我开始将裤子缝反了,后来终于搞明白了哪片接哪片,通过实验我知道了裤子制作的全过程,也知道了裤子结构图中线条的意义,很开心”,“通过制作我对服装结构产生了兴趣,很期待下学期的结构课”,“我在实验中知道了认真的重要性”。通过实验教学环节的开展,使大部分同学对所学到的结构知识进行了运用和发挥,制板能力大大增强,同时,简单的裁剪、缝纫操作为以后的制作工艺做好了准备,减少了易出错的环节发生。
2.3强化制图训练体系,提高制板能力
服装结构设计的实现需用结构制图体现,因此制图水平的高低是制图优劣的体现,也是结构设计能力的体现,一张好的结构图不仅要求结构合理,还要制图清晰干净、准确表达结构意图,因此制图本领的培养尤其重要。结构课作为一门必修课,为了考核知识点的掌握情况多数高校将其设为考试课,70%~80%左右的成绩需要在试卷中体现,如何在有限的时间里督促学生认真完成结构图的绘制,除了要求学生认真记好课堂笔记还要即时做好课下练习,制图中需要耐心和细心,稍不留心就会出现制图错误,而自己经常对较大的错误“熟视无睹”,小错误如不及时纠正往往会造成更大的错误,因此课程中大量的结构图需要教师即时的纠正和检查,除此之外,对于不能时时关注的制图细节,可采取课堂互批互改的环节,取长补短,共同学习,活跃了课堂的气氛也激发了学生的思考,尽量避免学生带着错误进入下个环节的学习。同时教学中还可适时地将制图作业或笔记进行展示,让学生在看到别人作业的时候,看到自己的差距和位置。久而久之,在一查二批三看的强化制图训练体系制约下,达到共同进步的教学目的,只有将制图训练做好,制图的本领提高了,结构制图的原理掌握了,制板的能力也才会加强。
2.4导入立体构成教学环节,提高服装综合制板能力
众所周知,服装平面结构设计与立体结构设计同为服装制板的两个方面,二者有着极大的互补关系,随着社会上人们对服装款式求新、求异心理的迫切驱使,立体构成式服装越来越多地走入社会,立体构成服装着装效果好,成功率高、造型直观,但单一的立体构成服装成本高、效果具有随机性,且受操作者经验手法、操作中必须具有人台等的限制,常具有局限性,只有将二者有机结合才能达到扬长避短、提高工作效率、合理使用面料,达到优化设计效果的目的,如在领子的学习中,可结合花式领的设计让学生体验平面结构与立体构成结合的制板方法;再如样衣的试穿阶段,可结合立体构成的方法进行板型校正,减少了疵病,优化了设计。通过立体构成教学环节的加入,实现了平面结构与立体构成的结合,提高综合制板的能力,学生在教学中学习了方法,为高级制板水平的培养奠定基础。
3结语