李荣轶 杨 磊

结构力学是固体力学的一个分支,它主要研究工程结构受力和传力的规律以及如何进行结构优化的学科。所谓工程结构是指能够承受和传递外载荷的系统,包括杆、板、壳以及它们的组合体,如桥梁、屋架和承重墙等。

计算机的发展,为结构力学提供了有力的计算工具,另一方面,结构力学对数学及其他学科的发展也起了推动作用。有限元法这一数学方法的出现和发展就与结构力学的研究有密切关系。

1 结构力学的重要性

结构计算简图的选择经历一个复杂的过程,需要力学知识、结构知识、工程实践经验和洞察力,经过科学抽象、实验论证,根据实际受力、变形规律等主要因素,对结构进行合理简化。

结构设计是先有“设想”后有“计算”,“设想”是建立在定性分析的基础上。力学始于定性分析,终于定量分析;定性分析在先,定量分析在后;定性失准,定量准偏。在进行工程设计和处理工程实际问题时,需要设计人员对结构的合理形式以及相应的结构变形和内力等具有总体概念和定性分析能力,还需要具有对工程中计算的数据、发生的现象和出现的问题能够做出迅速科学判断的能力,这就是所谓概念设计和概念分析理念。

结构力学是一切工程进行设计的基础。在实际工程中都是将工程实践中的实际问题抽象为相应的力学计算公式进行求解;作为工程技术设计人员应该掌握工程结构的基本理论和实用设计方法,具备根据建筑工程项目的特点、性质、功能和业主的要求正确、合理地进行工程结构设计的基本能力。

2 在古建筑中的应用

中国以木结构为主体的古建筑,在世界建筑之林中独树一帜。木结构以木构为骨、砖石为体、结瓦为盖、油饰彩绘为衣,经历代能工巧匠精心设计,巧妙施工,潜心装饰,付诸心血和智慧建造而成,体现出东方古典建筑独有的艺术魅力和中国古建筑木结构的历史性、艺术性和科学性。

巧妙而科学的框架式结构是中国古代建筑在建筑结构上最重要的一个特征。因为中国古代建筑主要是木构架结构,即采用木柱、木梁构成房屋的框架,屋顶与房檐的重量通过梁架传递到立柱上,墙壁只起隔断的作用,而不是承担房屋重量的结构部分。“墙倒屋不塌”这句古老的谚语,概括地指出了中国建筑这种框架结构最重要的特点。这种结构,可以使房屋在不同气候条件下,满足生活和生产所提出的千变万化的功能要求。同时,由于房屋的墙壁不负荷重量,门窗设置有极大的灵活性。此外,由这种框架式木结构形成了过去宫殿、寺庙及其他高级建筑才有的一种独特构件,即屋檐下的一束束“斗拱”。它是由斗形木块和弓形的横木组成,纵横交错,逐层向外挑出,形成上大下小的托座。这种构件既有支承荷载梁架的作用,又有装饰作用。只是到了明清以后,由于结构简化,将梁直接放在柱上,致使斗拱的结构作用几乎完全消失,变成了纯粹的装饰品。

中国古建筑木结构在力学上的特点主要有:1)受力体系明确。中国古建筑保持构架制原则,以立柱和纵横梁枋组合成各种形式的梁架,使建筑物上部荷载经由梁架、立柱传递至基础。墙壁只起围护、分隔的作用,不承受荷载。2)创造斗拱结构形式,构造合理。用纵横相叠的短木和斗形方木相叠而成的向外悬挑的斗拱,本是立柱和横梁间的过渡构件,还逐渐发展成为上下层柱网之间或柱网与屋顶梁架之间的整体构造层,这是中国古代木结构构造的巧妙形式。

3 在异形柱结构体系中的应用

异形柱结构体系是指采用轻质填充墙及隔墙的现浇钢筋混凝土异形柱框架及异形柱框架—剪力墙结构体系。柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在2～4之间,相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子。它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙,常用的有“L”形、“T”形、“十”字形。

异形柱结构体系这一新型住宅结构形式能较好地满足现代住宅建筑的要求,可避免框架柱在室内凸出,少占建筑空间,改善建筑观瞻,为建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性,因而逐步得到推广应用。

由于其截面的特殊性,在柱截面对称轴内受水平力作用时,弹性分析计算其翘曲应力很小,此时如同承受水平力的偏压构件,仍可按平截面假定分析,按混凝土设计规范计算,特别是在框—剪,框—筒结构中,对6度及其以下烈度区的Ⅰ,Ⅱ类场地,框架柱只承担水平风载的一小部分,如按一般偏压柱计算,误差较小。此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析。而在水平力较大,且水平力作用在非主轴方向,则翘曲应力不容忽视,按平截面假定误差较大,则应对异形柱框架结构进行有限元分析,决定内力和配筋位置及大小。在进行内力计算和配筋计算时,宜选用带有异形柱计算功能的计算软件。

采用异形柱的框架结构、框架—剪力墙结构,其整体变形与普通矩形截面柱接近,与相同截面积的矩形柱比较,异形柱自身刚度大,因而异形柱结构体系整体刚度增大,侧移减少。另外虽然结构的自振周期变短,水平地震作用加大,但结构的整体刚性好,抗震性能不会降低太多。

4 在基坑支护中的应用

目前,深基坑支护结构的设计计算仍基于极限平衡理论,但支护结构的实际受力并不那么简单。

基坑支护结构设计计算方法主要有极限平衡法、土抗力法和有限元分析法3类。目前土抗力法中的弹性地基反力法的应用日益广泛。我国JGJ 120-99建筑基坑支护技术规程推荐弹性支点法。该方法取计算宽度的围护墙作为竖直放置的弹性地基梁,支撑(或锚杆)简化为弹簧,基坑外侧的主动土压力呈梯形分布;坑内侧的土体用刚度系数为常量的土弹簧模拟,在线性共同作用弹性地基反力法中,基坑内、外侧的土体均用刚度系数为定值的土弹簧模拟,弹性支点法和线性共同作用弹性地基反力法对工程实际都作了较大的简化,特别是对地基土的水平基床系数过于简化,仅考虑其随深度的变化,而没有考虑随围护墙水平位移的变化。实际工程中,土体与基坑支护结构是一个相互作用的体系,土抗力与支护结构位移的关系是非线性的。

高层建筑的飞速发展给深基坑支护结构带来一场技术革命。在钢板桩、钢筋混凝土板桩、钻孔灌注桩挡墙、地下连续墙等支护结构成功应用后,双排桩、土钉、组合拱帷幕、旋喷土锚、预应力钢筋混凝土多孔板等新的支护结构形式也相继问世。但是,这些支护结构形式的计算模型如何建立、计算简图怎样选取、设计方法如何趋于科学,仍是当前新型支护结构设计中急需解决的问题。

5 结语

我们知道,结构内力计算始终围绕着平衡这一主题展开,在荷载作用下,结构的整体和局部都要维持平衡,局部平衡是以局部以外构件对局部施加约束构成的。在实际工程中都是将实际结构作适当地简化,忽略次要因素,显示其基本的特点。合理地选取结构的计算简图是结构计算中的一项极其重要而又必须首先解决的问题。在对结构进行内力估算时,可取需要计算的部分为研究对象,其余部分对研究部分的约束作用可以用支座来表示。

结构计算简图的选择经历一个复杂的过程,需要力学知识、结构知识、工程实践经验和洞察力,经过科学抽象、实验论证,根据实际受力、变形规律等主要因素,对结构进行合理简化。它不仅与结构的种类、功能有关,而且与作用在结构上的荷载、计算精度要求、结构构件的刚度比、安装顺序、实际运营状态及其他指标有关。计算简图的选择可能因计算状态(是考虑强度或刚度,计算稳定或振动,还是钢筋混凝土抗裂验算)而异,也依赖于所要采用的计算理论和计算方法,方能完成结构构件线性或非线性的应力和应变状态分析。

我们研究结构力学的任务是研究工程结构在外载荷作用下的应力、应变和位移等的规律;分析不同形式和不同材料的工程结构,为工程设计提供分析方法和计算公式;确定工程结构承受和传递外力的能力;研究和发展新型工程结构。

[1]JCJ 120-99,建筑基坑支护技术规程[S].

[2]DBJ/T 15-20-97,建筑基坑支护工程技术规程[S].

[3]雷钟和.结构力学解疑[M].北京:清华大学出版社,2001.

[4]曹汉杰,王伟霞.基坑支护的综合应用[J].山西建筑,2008,34(12):131-132.