谈协同工作于结构设计的关系

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协同工作于结构设计的关系

协同工作与结构设计是一个有机整体，协同工作的概念是对结构内部的结构部件进行相对的结合，使其共同工作，这不仅对部件提出结构承载力的要求，而且要对整个结构提出了极限状态的限制，同时还对共同的结构寿命进行测定。结构协同工作在基础与上部结构相互结合，并视为一个整体。不能将他们分开处理。例如在进行框架结构设计中，虽然墙体不负担承载力，但是依旧要把墙体和结构柱当成一个整体，而不能单一的依靠柱的承载力来进行设计，另外所有的构造柱都必须围绕这一中心进行设计。

协同关系和材料的使用

协同工作与材料利用率是协同工作设计的另一个方向，其目的是达到对材料的充分利用。一般情况下结构的协同程度越高，所利用的材料效率也就越大。因为在进行结构设计时首先要针对材料因素进行考虑。例如矩形梁截面的材料利用率相对较低。针对这一特点将梁结构的概念进行分析，会发现梁截面存在一定的应变梯度，只有在构件的轴心受到力时，材料的利用率才会不断增大。于是就产生了平面桁架。平面桁架在结构上可以以别理解成“被掏空”的梁。并根据这一理念就可以将结构梁多余的材料进行去除，已达到在施工的过程中降低工程成本、降低结构自重、降低成本的作用。所以在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与梁中主拉力、应力为同一方向，通过以上分析我们还可以对桁架的外形设计进行一定的升级，将它设计成与设计弯矩图相似的形状。这样可以使桁架的弦杆受力更加均匀。由于在桁架中有很多压杆，压杆在桁架中起到稳定性的作用，所以钢件的材料影响并不大，所以在进行平面桁架的设计中要设法改变压杆的比例，而不是一味的增加材料强度。尤其针对上弦杆，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。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。

概念与结构的发展

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。例如，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式。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。(1)通过使用钢管将混凝土变得有约束力，而且提高核心混凝土的强度和变形能力。(2)当核心混凝土达到一定强度后，就会为钢管壁起到很大的支撑作用。两种相互结合就能体现出结构和概念的相互结构。钢管混凝土的极限承载力会远远大于同体积的混凝土和钢管的承载力之和15倍以上，而且极限变形能力是传统钢筋混凝土的10倍以上。这是钢材与混凝土的又一次理想结合，它的出现，使传统意义上的受压破坏特征由脆性变为延性，对结构抗震的延性设计意义巨大，也使超高层建筑底层柱的轴压比限制问题迎刃而解，从上述结构构件的演化，推而广之，在结构设计中，只有当构件越多处于轴心受力状态，其材料的利用率才可以提高，经济性也就越好，对框架结构，竖向荷载作用下，框架柱宜处于小偏心受压下工作，若大量柱处于大偏心受压工作状态，该结构方案的经济性一般不好，故对非地震区的框架结构，其框架结构均为小偏心受压形式。

结束语

在建筑设计中采用协同设计的原则进行设计，是设计原则的根本需要。在人们日益重视概念设计的今天，要求结构工程师在不断利用结构理论知识的基础下，尽可能的吸取先进的设计思想，对自己的设计作品要进行反思，来逐渐美化自己的设计作品，并为以后的设计工作积累经验。

作者：陈锐兰单位：中国建筑西南设计研究院有限公司