建筑构造

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摘 要:风荷载是太阳能光伏支架设计中最主要的荷载之一,目前对于屋顶上的太阳能光伏支架取值尚没有统一的标准。通过刚性模型测压风洞试验的方法,对不同女儿墙高度下平屋面阵列太阳能光伏板上风荷载分布情况进行分析。试验结果表明:对于平屋面上太阳能光伏板,无女儿墙时,光伏板的整体体型系数小于地面单组太阳能光伏板的整体体型系数,距离屋面边缘越近所承受的风荷载越大;女儿墙可以有效减小平屋面光伏板所受到的风吸力,其风荷载取值可以考虑女儿墙引起的折减效应。目前国内外对于屋面光伏支架风荷载取值的研究主要集中在平地面上安装的光伏发电系统。对于安装在屋顶上的分布式太阳能光伏支架的风荷载取值仍然不明确,屋面坡度、女儿墙高度和建筑物尺寸等对太阳能光伏板风荷载会产生很大的影响,如何考虑这种影响是太阳能光伏支架设计目前存在的主要问题之一。房彦山等通过对太阳能光伏板阵列进行数值模拟,得到太阳能光伏板之间的遮挡效应会对受到的风荷载产生影响;杨景晞,李坤彭通过对商业建筑屋顶安装的太阳能光伏板进行数值分析,得到了位于屋顶各区域位置光伏板的风压分布;A.radu 通过研究屋面阵列太阳能光伏板位于中间位置的光伏板的最大风压系数为 0.82,最小为-0.67;黄伯城和马文勇等计算了光伏板不同阵列形式的体型系数,得到上游光伏板对下游光伏板有明显遮挡效应;王京学和杨庆山等通过刚性模型测压试验,分别对平屋盖上放置导流板和双坡屋盖上的光伏板的风荷载特性进行研究,为屋顶光伏系统设计和相关规范提供参考。对于屋顶安装的太阳能光伏阵列而言,除了安装位置、间距对光伏板所受风荷载的影响还要研究女儿墙高度、建筑结构等因素对其风荷载的影响,比如不同的女儿墙高度会对来流风场产生影响,从而影响屋顶上太阳能光伏板表面的风荷载大小。本文通过刚性模型测压风洞试验,研究了女儿墙高度对光伏支架风荷载的影响规律,给出了女儿墙影响下光伏支架的风荷载折减建议。
对规范风荷载计算的思考和解读(下)——献给不盲从规范,而寻求利用自然规律的工程师
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常识分享:结构抗震概念——强柱弱梁
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最通俗易懂的「强柱弱梁」抗震原理——学过高中物理的都能看懂如果您还记得高中物理的大部分内容,那么您就知道有一个东西叫做「弹簧系数」。所谓的弹簧系数,其实就是弹簧的受力与弹簧的变形的比值,在结构工程里,这个比值也就是所谓的刚度。比如说我们上面这个弹簧,本来的长度是 L,我施加了一个大小为 F 的拉力,弹簧被拉长了,拉长之后的长度变成了 L x,这其中的增加的长度 x 等于 F 除以弹簧系数 k。这也就是高中物理的 F= kx。当然,我们也知道,弹簧并不是无限结实的,也就是说,弹簧不能被无限拉伸。大家也肯定都有拉断橡皮筋或者弹簧的亲身感受。当橡皮筋被拉长到一定程度的时候,突然啪的一声就断了。我们把整个拉长过程的变形和受力画成图形,当弹簧断裂的时候,最大的变形是 1,与之对应的最大的受力是10。也就是说,弹簧受力过程在受力变形的图形中是一条直线,这条直线的斜率就是弹簧系数 k,这其实就是 F = kx 这个函数的图形化表达。对于这个弹簧,我们可以说,它的最大承载力是10,最大变形能力是1,刚度是 10 除以 1 等于 10。不同的弹簧有着不同的承载能力、变形能力和刚度,取决于不同的材料、尺寸等等。比如我换一根更结实的弹簧,这根弹簧的最大承载能力是 14,最大变形能力是 1,刚度为 14 除以 1 等于 14。如果我们把两根弹簧连在一起呢?比如说,我们把两根刚度为 10、最大承载力为 10 的弹簧连在一起,组成一根新的弹簧,这根弹簧的性能又如何呢?相信高中物理也讨论过这个问题。这两根连在一起的弹簧,受力相等,总的变形等于两者的变形之和。换言之,这根组合起来的新的弹簧,最大承载力还是 10,最大变形能力变成了 2,而刚度变成了 10 除以 2 等于 5。下面就是有意思的部分了。我们说这根新的弹簧的最大承载力是 10,也就是说,我施加大小为 10的拉力,这根新的弹簧就会断裂。问题来了,我们能确定断裂发生在哪个部位吗?简单说,这根 A1 A2 组成的新弹簧,如果被拉断,断点发生在 A1 那一部分呢还是 A2 那一部分呢?答案是不知道,或者说是随机的。可能是 A1 被拉断,也可能是 A2 被拉断。注意,我们讨论的是理论问题,所以我们的前提是 A1 和 A2 是完全一样的弹簧。现实世界中没有两片相同的树叶,也没有两根相同的弹簧。但如果我们接受 A1 和 A2 是完全一样的这个假设,那么断裂发生在 A1 还是 A2 就是完全随机的。那如果不是两根完全一样的弹簧,而是两根不一样的弹簧呢?比如说,我们把上面这个刚度为10的弹簧和刚度为14的弹簧连在一起。这时候,这根新弹簧 A B 的最大承载能力是多少呢?是 10 还是 14?答案很显然是 10。因为两根弹簧的受力每时每刻都是相同的,A 最大可以承受 10,B 最大可以承受 14。当外力逐步逐步增大到 10 的时候,A 已经达到极限,啪的一声就断了,而 B 却不会断裂,因为这时候的受力 10 还是小于 B 的最大承载能力 14。换句话说,这其实是个「木桶原理」的实例。木桶能装多少水,取决于组成木桶的木板里最矮的那一个;弹簧组成的串联弹簧的承载力,取决于这些弹簧里承载力最低的那一个。这时候这根新弹簧被拉断,我们能确定断裂发生在哪里吗?理论上说,断裂一定会发生在 A 弹簧上。因为 B 弹簧的承载力大于 A,所以一定是 A 先断。也就是说,通过配置不同的弹簧,断裂的位置不再是随机的,而是可以被控制的。我们想让断裂发生在哪里,就把 A 弹簧放在哪里,将来一旦断裂,断点就肯定会发生在那里。类似的例子就是电路里的保险丝,一旦过载,断点肯定是在保险丝那里,而不是在别的地方,从而保护了电路的其它位置。我们也知道,并不是所有的材料都是弹簧,也并不是所有的材料都是拉长到一定程度啪的一声就断了。比如说,大多数金属材料都是延性材料,或者说弹塑性材料,也就是说,这些材料不仅仅像弹簧那样会发生弹性变形,还会发生后面的塑性变形。比如这样一根钢棒,逐渐逐渐加大外力,一开始,它表现的其实就是一根弹簧,变形随着外力成比例的线性增加,刚度为 12。当外力加大到 12,变形变成 1 的时候,这根钢棒开始进入塑性阶段。什么意思呢?意思就是变形持续增加,但是外力不再增加。受力变形图从一条斜率为 k 的斜线变成平行于 x 轴的水平线。举个简单的例子,一根钢尺子,如果你轻轻的掰它,一松手尺子自己就会弹回原来的形状。为什么呢?因为你施加的外力还不够大,尺子还处在斜率为 k 的斜线阶段,也就是所谓的弹性阶段。如果你狠狠心,下狠手掰尺子,钢尺子会断成两截吗?一般不会。通常来说,钢尺子会被你掰弯成 U 形,松手之后也不会再弹回去。这又是为什么呢?因为你施加的外力足够大,钢尺子进入了水平线阶段,也就是所谓的塑性阶段。这时候承载力已经不能再增加,但是位移可以持续增加,所以尺子就被掰成了 U 形。当然,尺子变成 U 形之后,如果你继续用力掰,总归可以把尺子掰断。也就是说,材料在进入塑性阶段之后,还是会有最终的破坏点。比如我们的这个例子里,这根钢棒在位移为 1 的时候进入塑性,然后一直到位移为 4 的时候断裂。我们把这两者的比值,也就是 4 除以 1 等于 4,看作这根钢棒的延性比。换句话说,延性比越大,延性越好,在最终破坏之前的变形越大。为什么我们需要弹塑性材料呢?为什么不能全用弹簧呢?我们可以比较一下我们例子里的这个弹塑性材料和完全弹性材料的区别。如果这根钢棒变成一根刚度相同的弹簧,那么达到同样的变形,弹簧的受力要远远高于钢棒。换言之,弹簧必须非常非常结实,结实到足够承受大小为 48 的外力,才能做到变形为 4。而对于弹塑性的钢棒来说,不需要那么结实就可以,只需要承受大小为 12 的外力,此后就进入塑性阶段了。也就是说,我们想要的是比较大的变形能力,同时,与最大的变形相对应的受力可以尽可能的小一些。而这正是弹塑性材料的特征,也是为什么我们要在抗震里应用弹塑性材料的原因。接下来呢,我们就把这根弹塑性的钢棒 C 和弹簧 A 连接在一起:钢棒 C 的承载力是 12,弹簧 A 的承载力是10,它俩连在一起,根据木桶原理,最大承载力是 10。当外力为 10 的时候,弹簧 A 被拉断,此时的变形为弹簧 A 的 1 再加上钢棒 C 的10/12,只有 1.83。简单说,钢棒 C 根本没有发挥什么作用。还没等它的塑性阶段大显神威呢,它的猪队友——弹簧 A——已经先挂了。结论就是,如果钢棒强于弹簧,则这个组合很糟糕,弹簧变成了猪队友,钢棒被猪队友拖累,还没发展到大后期呢就跟着猪队友一起被团灭了。那如果我们把钢棒 C 跟弹簧 B 连在一起呢?这时候,弹簧 B 就不是猪队友了,因为它的承载力要大于钢棒 C,所以当外力增大到 12 的时候,钢棒 C 进入屈服,变形开始持续增大,而弹簧 B 可以轻松的承载大小为 12 的外力而不破坏。整个系统的变形可以一直持续增大,直到最大变形等于弹簧 B 的变形 12/14 再加上钢棒 C 的变形 4 等于 4.86。所以呢,如果弹簧强于钢棒,则这个组合就很理想,钢棒的变形能力得到了最大发挥,而弹簧可以有效的传递外力,不会过早破坏,圆满的完成了「扶上马送一程」的任务,然后笑看高等级的大后期英雄——钢棒——发挥最大的变形能力。最终的结论,想要变形能力,同一个系统里的弹塑性构件的承载力就必须小于弹性构件的承载力,或者说,系统里的弹性部分的承载力必须大于贡献了绝大部分变形的弹塑性部分的承载力。简单说,弹簧的承载力要大于钢棒,强弹簧弱钢棒。类比造句,强柱弱梁,强剪弱弯,强节点弱杆件……这里的「强」和「弱」,并不是绝对意义上的强弱,也不是破坏的先后顺序。并不是说梁用 C30 的混凝土,柱子就必须得用 C50 的;也不是说破坏的时候一定是梁先断,柱子还屹立不倒;更不是说既然「强柱弱梁」可以,那「强柱强梁」岂不是更好?「强柱弱梁」,相当于我们的弹簧 B 加钢棒 C,变形能力很好,这正是我们想要的;「弱柱强梁」,相当于我们的弹簧 A 加钢棒 C,变形能力不好,塑性变形能力完全没有发挥,既浪费了钢棒的能力,效果又很差;「强柱强梁」,相当于我们这里的两个弹簧连在一起,变形能力一般,多用了很多材料,而且你还永远不知道断裂究竟会发生在哪个弹簧上面。PS: 又有专业大神出现啦!水平比我不知道高到哪里去了~~这位大神,回去多翻翻书。(图片来源:Sei ** ic design of reinforced concrete and ** sonry buildings, T. Paulay and M. J. N. Priestley)看来在这位大神眼里,Paulay 老师也是连最基本的设计概念都没有。
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建筑人必知的十种抗震技术
轴压比,剪重比的定义和介绍(非常好)
1.什么是轴压比轴压比:主要为控制结构的延性,规范对墙肢和柱均有相应限值要求,见抗规6.3.7和6.4.6。u=N/A*fc, u—轴压比,对非抗震地区,u=0.9 N—柱轴力设计值 A—柱截面面积 fc—砼抗压强度设计值 2.什么是周期比?剪重比?位移比?楼层最小剪力系数?新的建筑结构设计规范在结构可靠度、设计计算、配筋构造方面均有重大更新和补充,特别是对抗震及结构的整体性,规则性作出了更高的要求,使结构设计不可能一次完成。如何正确运用设计软件进行结构设计计算,以满足新规范的要求,是每个设计人员都非常关心的问题。以SATWE软件为例,进行结构设计计算步骤的讨论,对一个典型工程而言,使用结构软件进行结构计算分四步较为科学。 1.完成整体参数的正确设定 计算开始以前,设计人员首先要根据新规范的具体规定和软件手册对参数意义的描述,以及工程的实际情况,对软件初始参数和特殊构件进行正确设置。但有几个参数是关系到整体计算结果的,必须首先确定其合理取值,才能保证后续计算结果的正确性。这些参数包括振型组合数、最大地震力作用方向和结构基本周期等,在计算前很难估计,需要经过试算才能得到。 (1)振型组合数是软件在做抗震计算时考虑振型的数量。该值取值太小不能正确反映模型应当考虑的振型数量,使计算结果失真;取值太大,不仅浪费时间,还可能使计算结果发生畸变。《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.13-2条规定,抗震计算时,宜考虑平扭藕联计算结构的扭转效应,振型数不宜小于15,对多塔结构的振型数不应小于塔楼的9倍,且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。一般而言,振型数的多少于结构层数及结构自由度有关,当结构层数较多或结构层刚度突变较大时,振型数应当取得多些,如有弹性节点、多塔楼、转换层等结构形式。振型组合数是否取值合理,可以看软件计算书中的x,y向的有效质量系数是否大于0.9。具体操作是,首先根据工程实际情况及设计经验预设一个振型数计算后考察有效质量系数是否大于0.9,若小于0.9,可逐步加大振型个数,直到x,y两个方向的有效质量系数都大于0.9为止。必须指出的是,结构的振型组合数并不是越大越好,其最大值不能超过结构得总自由度数。例如对采用刚性板假定得单塔结构,考虑扭转藕联作用时,其振型不得超过结构层数的3倍。如果选取的振型组合数已经增加到结构层数的3倍,其有效质量系数仍不能满足要求,也不能再增加振型数,而应认真分析原因,考虑结构方案是否合理。(2)最大地震力作用方向是指地震沿着不同方向作用,结构地震反映的大小也各不相同,那么必然存在某各角度使得结构地震反应值最大的最不利地震作用方向。设计软件可以自动计算出最大地震力作用方向并在计算书中输出,设计人员如发祥该角度绝对值大于15度,应将该数值回填到软件的“水平力与整体坐标夹角”选项里并重新计算,以体现最不利地震作用方向的影响。(3)结构基本周期是计算风荷载的重要指标。设计人员如果不能事先知道其准确值,可以保留软件的缺省值,待计算后从计算书中读取其值,填入软件的“结构基本周期”选项,重新计算即可。 上述的计算目的是将这些对全局有控制作用的整体参数先行计算出来,正确设置,否则其后的计算结果与实际差别很大。2.确定整体结构的合理性 整体结构的科学性和合理性是新规范特别强调内容。新规范用于控制结构整体性的主要指标主要有:周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、刚重比、剪重比等。(1)周期比是控制结构扭转效应的重要指标。它的目的是使抗侧力的构件的平面布置更有效更合理,使结构不至出现过大的扭转。也就是说,周期比不是要求就构足够结实,而是要求结构承载布局合理。《高规》第4.3.5条对结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比的要求给出了规定。如果周期比不满足规范的要求,说明该结构的扭转效应明显,设计人员需要增加结构周边构件的刚度,降低结构中间构件的刚度,以增大结构的整体抗扭刚度。 设计软件通常不直接给出结构的周期比,需要设计人员根据计算书中周期值自行判定第一扭转(平动)周期。以下介绍实用周期比计算方法:1)扭转周期与平动周期的判断:从计算书中找出所有扭转系数大于0.5的平动周期,按周期值从大到小排列。同理,将所有平动系数大于0.5的平动周期值从大到小排列;2)第一周期的判断:从列队中选出数值最大的扭转(平动)周期,查看软件的“结构整体空间振动简图”,看该周期值所对应的振型的空间振动是否为整体振动,如果其仅仅引起局部振动,则不能作为第一扭转(平动)周期,要从队列中取出下一个周期进行考察,以此类推,直到选出不仅周期值较大而且其对应的振型为结构整体振动的值即为第一扭转(平动)周期;3)周期比计算:将第一扭转周期值除以第一平动周期即可。(2)位移比(层间位移比)是控制结构平面不规则性的重要指标。其限值在《建筑抗震设计规范》和《高规》中均有明确的规定,不再赘述。需要指出的是,新规范中规定的位移比限值是按刚性板假定作出的,如果在结构模型中设定了弹性板,则必须在软件参数设置时选择“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”,以便计算出正确的位移比。在位移比满足要求后,再去掉“对所有楼层强制采用刚性楼板假定的选择,以弹性楼板设定进行后续配筋计算。 此外,位移比的大小是判断结构是否规则的重要依据,对选择偶然偏心,单向地震,双向地震下的位移比,设计人员应正确选用。(3)刚度比是控制结构竖向不规则的重要指标。根据《抗震规范》和《高规》的要求,软件提供了三种刚度比的计算方式,分别是剪切刚度,剪弯刚度和地震力与相应的层间位移比。正确认识这三种刚度比的计算方法和适用范围是刚度比计算的关键:1)剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定;2)剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构;3)地震力与层间位移比是执行《抗震规范》第3.4.2条和《高规》4.3.5条的相关规定,通常绝大多数工程都可以用此法计算刚度比,这也是软件的缺省方式。(4)层间受剪承载力之比也是控制结构竖向不规则的重要指标。其限值可参考《抗震规范》和《高规》的有关规定。(5)刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它是控制结构整体稳定性的重要因素,也是影响重力二阶效的主要参数。该值如果不满足要求,则可能引起结构失稳倒塌,应当引起设计人员的足够重视。(6)剪重比是抗震设计中非常重要的参数。规范之所以规定剪重比,主要是因为长期作用下,地震影响系数下降较快,由此计算出来的水平地震作用下的结构效应可能太小。而对于长周期结构,地震动态作用下的地面加速度和位移可能对结构具有更大的破坏作用,但采用振型分解法时无法对此作出准确的计算。因此,出于安全考虑,规范规定了各楼层水平地震力的最小值,该值如果不满足要求,则说明结构有可能出现比较明显的薄弱部位,必须进行调整。 除以上计算分析以外,设计软件还会按照规范的要求对整体结构地震作用进行调整,如最小地震剪力调整、特殊结构地震作用下内力调整、0.2Q0调整、强柱弱梁与强剪弱弯调整等等,因程序可以完成这些调整,就不再详述了。3 对单构件作优化设计 前几步主要是对结构整体合理性的计算和调整,这一步则主要进行结构单个构件内力和配筋计算,包括梁,柱,剪力墙轴压比计算,构件截面优化设计等。(1)软件对混凝土梁计算显示超筋信息有以下情况:1)当梁的弯矩设计值M大于梁的极限承载弯矩Mu时,提示超筋;2)规范对混凝土受压区高度限制:四级及非抗震:ξ≤ξb二、三级:ξ≤0.35( 计算时取AS ’=0.3 AS )一级: ξ≤0.25( 计算时取AS ’=0.5 AS ) 当ξ不满足以上要求时,程序提示超筋;3)《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.5%,当大于此值时,提示超筋;4)混凝土梁斜截面计算要满足最小截面的要求,如不满足则提示超筋。(2)剪力墙超筋分三种情况:1)剪力墙暗柱超筋:软件给出的暗柱最大配筋率是按照4%控制的,而各规范均要求剪力墙主筋的配筋面积以边缘构件方式给出,没有最大配筋率。所以程序给出的剪力墙超筋是警告信息,设计人员可以酌情考虑;2)剪力墙水平筋超筋则说明该结构抗剪不够,应予以调整;3)剪力墙连梁超筋大多数情况下是在水平地震力作用下抗剪不够。规范中规定允许对剪力墙连梁刚度进行折减,折减后的剪力墙连梁在地震作用下基本上都会出现塑性变形,即连梁开裂。设计人员在进行剪力墙连梁设计时,还应考虑其配筋是否满足正常状态下极限承载力的要求。(3)柱轴压比计算: 柱轴压比的计算在《高规》和《抗震规范》中的规定并不完全一样,《抗震规范》第6.3.7条规定,计算轴压比的柱轴力设计值既包括地震组合,也包括非地震组合,而《高规》第6.4.2条规定,计算轴压比的柱轴力设计值仅考虑地震作用组合下的柱轴力。软件在计算柱轴压比时,当工程考虑地震作用,程序仅取地震作用组合下的的柱轴力设计值计算;当该工程不考虑地震作用时,程序才取非地震作用组合下的柱轴力设计值计算。因此设计人员会发现,对于同一个工程,计算地震力和不计算地震力其柱轴压比结果会不一样。(4)剪力墙轴压比计算:为了控制在地震力作用下结构的延性,新的《高规》和《抗震规范》对剪力墙均提出了轴压比的计算要求。需要指出的是,软件在计算断指剪力墙轴压比时,是按单向计算的,这与《高规》中规定的短肢剪力墙轴压比按双向计算有所不同,设计人员可以酌情考虑。(5)构件截面优化设计:计算结构不超筋,并不表示构件初始设置的截面和形状合理,设计人员还应进行构件优化设计,使构件在保证受力要求的德条件下截面的大小和形状合理,并节省材料。但需要注意的是,在进行截面优化设计时,应以保证整体结构合理性为前提,因为构件截面的大小直接影响到结构的刚度,从而对整体结构的周期、位移、地震力等一系列参数产生影响,不可盲目减小构件截面尺寸,使结构整体安全性降低。4. 满足规范抗震措施的要求 在施工图设计阶段,还必须满足规范规定的抗震措施要求。《混凝土规范》、《高规》和《抗震规范》对结构的构造提出了非常详尽的规定,这些措施是很多震害调查和抗震设计经验的总结,也是保证结构安全的最后一道防线,设计人员不可麻痹大意。
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