结构设计中的力学和构造基本原理.ppt

结构设计中的力学和构造基本原理,昆明市建筑设计研究院2008年7月16日,力学分析中需要考虑的三种条件,1、平衡条件：遵守经典物理世界运动基本原理,牛顿三大运动定律2、物理条件：本构关系（应力应变等）3、几何条件：几何构成、变形协调4、边界条件,平衡条件,1、不受外力作用的物体，永远将保持静止或匀速直线运动。牛顿第三运动定律：Fma2、物体处于静止状态的必要条件，所受合力为零：F03、动力学平衡条件：达朗贝尔原理F-ma0,结构处于平衡的条件,1、截取任一结构部件，作用于其上的荷载的合力在任一方向上均为零。2、据此，力学分析可以采用任意坐标系（但坐标分量需要相互独立），力系合成和分析可以在任意方向上进行。3、满足平衡条件要求的内力，不一定是结构所受的真实内力。故满足力学平衡条件条件。只是结构真实内力的必要条件。,物理条件（本构关系）,1、在经典物理世界，任何物质的运动均遵守牛顿三大运动定律。但各种介质表现出来的物理现象千差万别，主要原因在于介质的本构关系不同。2、一般地，本构关系大体可以归于两类:1)麦氏（麦克斯威尔）体2）开氏（开尔文）体详细可参考：辛弹性力学（中国科学技术大学出版社）或者粘弹性力学方面的教材。,固、液体的界定,1、传统认识中的这两类物质，其性状与荷载作用于其上的时间密切相关。2、任何物质都有蠕变和松弛特性，但各种物质的松弛时间各不相同。（Maxwell）3、举例：水下核爆炸、地质变迁4、现代力学统一将流体和固体称之为流变体。,松弛和蠕变的力学定义,松弛：材料在固定位移加载情况下，其应力随时间而减下的现象。蠕变：材料在固定应力荷载作用下，其应变随时间而增加的现象。上述两种非线性现象，还与与温度、应力水平等因素有密切关系。,松弛时间,松弛时间：定义为材料实际应力减小为初始应力的37%时，所需要的时间。,几种典型材料的松弛时间：1、坚硬岩石：2、水：3、沥青：,传统固、液体力学的部分共性,1、两者动力学均遵守经典力学中的质量守恒和牛顿三大运动定律。它们的动力学平衡控制方程在形式上完全相同。,两种物质遵守相同的客观运动物理规律,1、在荷载作用时间很长的情况下，固体可能表现出液体的性状，2、而当荷载作用时间足够短时，液体也可表现出固体的性状。3、在荷载作用下，两者都会表现出平衡分叉现象，也可认为是混沌现象。固体力学中的失稳：稳定分叉流体力学中的湍流：不稳定分叉,传统固、液体力学的部分异性,1、物质不同，它们的本构也不同。导致虽然遵守相同的运动规律，但却表现出看似完全不同的物理现象2、在数学上，当把本构方程代入到完全相同的平衡控制方程后，得到的将是在形式和内容上均有显著差异的动量方程。3、传统固体，当作用于其上的荷载不发生变化时，在有限的时间里，物体就一般不再发生显著的变形，而液体则不同，只要荷载不移去，变形就会永远继续下去。,4、固体在荷载作用下的各稳定状态间的间隔较大；例如压杆总是出现临界荷载较低的失稳模态。而液体的运动粘性系数很低，运动过程中表现出高度的几何非线性。5、由于物理现象的显著差别，固体力学和液体力学的研究方法存在很多差别。例如：计算力学中的很多数值方法，在流体动力学中不再具有适用性。即使在计算流体力学中，可压缩流体与不可压缩流体的数值研究方法均有很大的差异。,固体力学中的本构关系,1、广义本构方程：2、各向同性弹性材料：虎克定律3、非各向同性材料的本构关系，比较复杂：目前，岩土领域可查阅到的本构关系，有100种以上。4、本构关系，是一切力学分析的基础。在非线性（材料非线性、几何非线性）力学中，本构关系与结构内力水平、时间密切相关,几何条件,1、结构的几何形状、几何构成。2、结构首先必须是几何不变的。3、理论上，几何不变的结构都是可以实现的。4、复杂结构的几何可变性分析，一般会用到几何拓扑学，该学科是专门研究物体几何构成的学科。5、四角锥网架的几何可变性问题；钢结构屋盖系统中的屋盖、支撑、系杆、檩条设置的目的就是为了构成一个在空间上几何不变的屋盖体系。,变形协调,1、是组成结构的各部分保持整体、不发生局部撕裂、断裂、倒塌等非连续性损坏必须遵守的条件。在有限元(在连接节点处是连续的，在节点之间是用形函数来协调)分析中的形函数。直接影响着分析的精度和可靠性。2、变形连续直接影响着结构内力、应力组成构件间的分配，分配原则，以考虑边界条件、初始条件、几何条件以后的结构刚度为分配标准。（弹性地基梁、平面交叉梁系）,结构研究和设计中的一些考虑,1、涉及松弛和蠕变现象较为敏感的材料时，必须关注加载速率、荷载持续时间。例如公路工程中的沥青混凝土、油膏受荷特性。2、在超长、超厚或超大混凝土结构的分析和设计中，必须考虑混凝土的收缩和徐变（包括温度应力的分析和裂缝控制计算）。3、预应力混凝土结构设计中，必须考虑高强钢材应力松弛引起的预应力损失。,4、混凝土结构正常使用极限状态验算中，必须考虑材料收缩和徐变对构件刚度和裂缝的影响。在温度应力计算中，也必须考虑材料收缩、徐变及蠕变的影响。5、流体的运动粘性系数很小，故而日常生活中的流体对结构的荷载作用，主要表现为法向应力作用。（切向剪力几乎可以忽略不计）6、流体静压力各向大小相同。而动压力则变化较为复杂，一般地，正压力系数不会大于1.0,而负压力系数则没有上限。建筑结构中碰到的瞬间负压力系数可以高达9.0。,解决科学问题的两个方面,1、建立正确的数学模型。（主要依赖于对结构平衡条件、物理条件、几何条件、边界条件的考虑）2、正确求解根据数学模型得到的控制方程组。（主要依赖于数学工具的合理利用、数值离散技术对几何条件、物理条件、变形协调的考虑、算法）国内传统教育存在的问题：过分强调控制方程组的求解过程，而忽视了从工程实践中发现和建立合理数学模型能力的培养。,1、不可压缩流体，数学方程为椭圆型的可压缩流体接亚音速区域时，方程为抛物线型的，而高超音速区域的数学方程是双曲线型的。2、数学工具在工程分析中具有重要作用，是工程分析研究中的生产工具。举例：美国阿波罗登月工程中钝体前沿流场中的数学问题。,事物的相对性,世界上，除了一些为实践所证实的客观规律外，没有绝对的东西，我们的认知所表述的东西都是相对的。我们的判断都是在比较中存在的。例如：结构设计中的强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件；节点约束（节点刚接、半刚接和铰接、边界条件影响、所受荷载大小）等；,设计计算与构造,1、设计计算与构造是并重的，只有两者的合理结合才可保证结构的适用性、安全性、耐久性。2、构造设计必须考虑材料、强度、边界条件、几何条件、施工可行性等因素。3、结构预定功能的实现，部分通过设计计算保证，部分通过构造保证。,斜截面承载力的保证,1、斜截面破坏的三种型式：A、斜拉破坏（构造控制最小配筋率）B、剪切破坏设计计算保证C、斜压破坏截面限制条件（构造要求，对应的配箍率可以理解为最大配箍率）,抗弯承载力的保证,1、正截面抗弯承载力：通过正截面抗弯承载力计算保证。2、斜截面抗弯承载力：通过构造保证；例如1)钢筋应自强度充分利用点强度外延一段长度。2）必须保证锚固、搭接长度要求。,锚固、搭接的概念,1、锚固发生于构件间；搭接一般发生于同一构件内。2、锚固长度与纵向钢筋的应力水平、截面剪力、抗震等级、混凝土标号、保护层厚度、是否有附加锚固措施等有关。3、搭接长度与混凝土中的应力状态、搭接率、混凝土标号、抗震等级等有关。4、考虑锚固搭接的基本原则：荷载及内力的可靠接力传递。（顶层边柱节点、折举例梁）,构造做法与材料特性有关,1、脆性材料的边界支承条件处理（简支）。2、钢板间焊接（平面内两向与厚度方向的性能差异）。3、合金钢压力容器裂纹的修补措施。4、预制板桥与现浇板桥的计算跨度。5、不合理的构造，会在结构内导致不可忽视的次应力作用（加拿大魁北克钢桥的跨塌）。,强度和稳定设计,1、强度计算针对截面进行；稳定计算针对构件甚至结构体系进行。2、强度计算属于一阶分析；稳定分析属于二阶分析。在稳定分析中，必须考虑轴力对构件抗弯刚度的影响、3、强度计算采用净截面；稳定计算采用毛截面（在一般正常开孔情况下,截面削弱率小于15，开孔处于构件截面内部）,边界条件对稳定的影响,1、边界条件通过影响构件的抗弯刚度来影响结构构件的稳定承载力。（轴压构件，柱脚铰接与刚接，承载力成4倍关系；实腹梁柱与实腹柱和桁架梁两种情况下，柱计算长度的区别）2、边界条件通过影响构件的受力影响结构构件的稳定承载力。（大跨悬索桥中的桥塔稳定，保守力与保极力）3、钢筋混凝土结构中，楼板对梁的平面外稳定支撑作用，在受压及水平荷载作用，进行独立梁应注意的问题。,正常使用极限状态设计,1、正常使用荷载：恒载、活载、吊车荷载、疲劳荷载及其它正常使用情况下出现的荷载。2、传统意义上的正常使用极限状态验算，是验算上述荷载组合作用下结构的变形、裂缝、疲劳寿命。（强度计算时，需考虑荷载的动力效应系数，而疲劳验算时不考虑的原因？）3、地基基础设计规范是按正常使用极限状态进行设计的。抗震是进行验算。4、地震、暴风、爆炸、撞击等荷载属于偶然作用，仅进行强度计算或验算。5、还包括结构自振周期的控制设计、舒适度设计。,变形控制设计,1、从理论上看，变形控制设计涉及承载力极限状态（不适宜继续承载的变形）和正常使用极限状态（挠度、位移、角变形）。2、结构构件的变形控制应从以下几个方面考虑：1）构件的截面及配筋。2)边界条件（变简支为固定或连续）3）荷载在数值上及作用点的优化。(结构布置的调整）,抗震设计的一般性概念,1、材料要求：强制性条文，对屈强比、强强比、延性、最低强度等有要求。2、结构布置：1）结构在平面和空间上的均匀性；2）所布置构件的有效性。3）对扭转的严格控制。减小结构扭转的措施。4）计算分析:必须遵守基本假定，满足基本构造要求。5）构造措施：结构的整体性、构件及其截面、节点的延性、强节点弱构件、强柱弱梁、强剪弱弯。,保证结构抗震性能的基本原理,1、三水准设防原则：小震不倒、中震可修、大震不倒。2、小震情况下结构处于弹性状态，进行弹性设计，确保结构在水平荷载作用下具有一定的承载力。验算罕遇地震作用下的弹塑性变形并加以限值，同时通过延性材料的采用、合理化构造措施，保证结构进入弹塑性状态以后具有足够的变形能力。3、结构耗散的能量，在广义上为力和位移的乘积。刚柔相济的结构方为抗震性能良好的结构。（结构内力的调幅，框架与排架，剪力墙连梁的刚度调整系数不能小于0.55,风荷载作用下该系数不能小于0.8）,混凝土耐久性设计,1、材料选用：对水泥品种、骨料级配等有要求。2、配比有要求：最大水灰比、最小水泥用量。3、对构件表面保护措施有要求：混凝土的保护层厚度、必要时需粘贴耐腐面砖或者涂刷专用涂料。4、特殊情况下，对混凝土的密实性有要求，一般要求单方密度。遇特殊环境，必须查阅相关的规范及技术标准，进行针对性设计。一般均涉及强制性条文。,防火设计,1、根据建筑防火需要，选用符合建筑防火设计规范,高层建筑防火设计规范要求的结构材料，确定构件的混凝土保护层厚度。2、对于不满足相应耐火极限要求的材料，采取措施。（涂装保护、外侧包裹等）3、钢结构工程中使用防火涂料，必须对防火涂料及防锈涂料的相容性进行试验）,结构专业的学习建议,1、应理论联系实际，在工作中相互促进，加深理解。（没有理论指导的实践是盲目的实践）2、充分了解条文背后隐含的科学，对规范条文的学习，特别要注意对注释和条文说明的学习与理解。注册考试往往针对注释和条文说明涉及的要点进行。3、透过现象看本质。（冰、乒乓球与网球。规范是为方便使用而制定的，在少数情况下表面看到的并不是本质的东西。（L形构件的稳定计算）4、加强对相关专业的学习。（建筑防火、建筑排水）5、加强力学功底，掌握一到两个大型通用结构分析软件。,6、有条件情况下，加强自然科学哲学素养，将对结构的理解上升到一定理论高度。（事实上，自然科学与社会科学有很多相似之处）,谢谢大家！,