在进阶之路(五)中,大白提出了基于侧移变形的结构调整策略。 但在解决实际工程问题时,大家肯定会有这样的疑问: 结构任一主轴方向的变形是非常直观的,配套的结构调整方案也弄懂了,只是在上手时,依然无从下手。 大白也经历过同样的阶段,材料加在哪片横墙上?或是哪片横墙的翼缘上?是否存在一些指导性的原则? 大家都清楚,建筑专业对平面布局、功能需要和立面要求等等需求,限制了剪力墙结构的墙体位置、长度和开洞方式,各片横墙的侧移刚度难以相同。
在进阶之路(五)中,大白提出了基于侧移变形的结构调整策略。
但在解决实际工程问题时,大家肯定会有这样的疑问:
结构任一主轴方向的变形是非常直观的,配套的结构调整方案也弄懂了,只是在上手时,依然无从下手。
大白也经历过同样的阶段,材料加在哪片横墙上?或是哪片横墙的翼缘上?是否存在一些指导性的原则?
大家都清楚,建筑专业对平面布局、功能需要和立面要求等等需求,限制了剪力墙结构的墙体位置、长度和开洞方式,各片横墙的侧移刚度难以相同。
在刚性楼盖的约束下,整体结构协同受力并同步变形,结构的总侧移刚度EJd为该轴方向上所有墙体侧移刚度的和,即EJd=EJd1+……+ EJdn。
单纯从公式来看,加强任意一片剪力墙似乎都能提高整体刚度。
不过,大白在布置结构方案时,总会问自己这个问题:
墙体材料的利用效率如何?是否发挥了最大刚度?
运用简单的算例就可以答疑解惑:
假设一个高层剪力墙结构,横轴方向上的平面最大宽度为15m、最小宽度为12m,其间布置两片三肢联肢墙(尺寸如下图所示),各墙肢的截面尺寸相同,均为0.25×2.4m。
剪力墙结构平面
墙1和墙2的墙肢材料用量相同,等效抗侧刚度指标如何?
联肢墙墙1(墙2)布置图
高层混凝土结构教材都有求解方法,这里不再赘述,直接列出等效惯性矩结果:
对比发现:
究其原因,是该墙体的肢强系数最大,其中起到关键作用的,是各墙肢形心与联肢墙截面形心轴的距离。
距离越大,肢强系数越大,墙体刚度也就越大。
这是大白构建剪力墙结构抗侧力体系的首要原则。
如果剪力墙布置的结构效率考虑的是存量问题,接下来大白要回答的第二个问题,则是结构调整的效率问题,亦即增量问题:
在增加相同墙体材料情况下,哪片剪力墙的侧移刚度增量敏感性高?
以上图为基础,调整横、翼墙布置,形成两种结构调整方案:
方案一:调整各墙肢截面尺寸至0.25×2.8m,即继续加强横墙的方案。
加强横墙方案后,等效惯性变化为:
方案二:墙肢1,3上同时增设0.6×0.25m的翼墙,即增加翼墙共同作用的方案。
增设翼墙后联肢墙墙1(墙2)布置图
考虑翼墙共同作用后,联肢墙的指标变化为:
上述算例说明:相较于其他横墙,最优横墙的侧移刚度变化对增量结构材料更为敏感。
这是大白提高剪力墙调整效率的首要原则。
大白猜测,在结构工程学中,也存在着“马太效应”。
这是一个广泛存在于社会心理学、教育、金融以及科学领域的现象,名字来自圣经《新约·马太福音》中的一则寓言:“凡有的,还要加倍给他叫他多余;没有的,连他所有的也要夺过来”。
诺贝尔经济学奖获得者,美国哈佛商学院教授罗伯特·莫顿把马太效应归纳为:任何个体、群体或地区,在某一个方面(如金钱、名誉、地位等)获得成功和进步,就会产生一种积累优势,就会有更多的机会取得更大的成功和进步。
前文提到,最优横墙利用结构的平面最大宽度,构建了自身的刚度优势。结构调整时,不管是采用增强横墙刚度或增强翼墙共同作用的方案,都应选择最优横墙作为首要的载体。
这种强者使之愈强的结构布置及调整策略,不正是马太效应的在工程运用上的最好体现么?
根据大白以往的工程经验,就算受限于建筑功能需求,无法构建以最优横墙为主的结构抗侧力体系。那么在结构调整时,仍然应以平面内侧向刚度最大的主要横墙作为载体,利用已经积累出来的刚度优势,赋予新增的墙体材料,照样可获得较高的整体刚度增量。
本章小结:
一、构建剪力墙结构抗侧力体系的首要原则:
充分利用建筑的面宽来布置结构的横墙,提高剪力墙布置的结构效率。
二、提高剪力墙调整效率的首要原则:
总而言之:
充分利用结构工程中的“马太效应”,提高结构调整的效率。
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