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【钢结构·技术】这些力学原理你都忘了吗?

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本文转载自公众号土木吧(id:tumubar)

作者:昆仑土

几十年前刚刚跨入土建专业门槛,学习理论力学、材料力学、结构力学,有关各种平面图形的几何性质(静面矩、惯性矩,回转半径,特别是薄壁杆件截面的惯性矩,抗弯截面模数等等),就打下了刻骨铭心的烙印。薄壁杆件截面与普通矩形截面比较,惯性矩及抗弯截面模数差不多,但是矩形截面的截面面积要大得多,说明矩形截面用于受弯构件不合理,矩形截面“躺着放”则是最不合理的做法(除非跨度极小,以及考虑施工因素之外)。若改为薄腹(工字形或T形)截面,可以减轻结构重量并节省很多材料。首次知道钢结构普遍采用“型钢”而不用矩形截面材料。若采用别的材料(木材、混凝土等),尽管有材料强度较低,工程费用及施工方法不同等因素,大量采用矩形截面,但从理论角度,其实并无本质区别!但是现在很多实际工程中却大量采往往是反其道而行之,近年来建筑行业的事故及隐患层出不穷,除了设计施工失误及偷工减料等腐败现象以外,设计方案违反科学规律,不惜牺牲结构安全可靠及耐久性为代价去满足甲方的苛刻要求就是非常大的问题!
1.受弯构件的合理截面
根据截面应力分布如下图:

2.梁截面
2.1梁的合理截面应为下图所示:

2.2 梁的不合理的截面举例:
混凝土梁:正方形截面梁、宽扁梁等
钢梁:实心矩形、圆形;

3.板截面
3.1混凝土楼屋面板合理截面:
密肋楼盖 预制槽形板、预制空心板、SP预应力混凝土板、现浇空心板

预应力混凝土大型屋面板

钢结构板合理截面:

楼板(带肋梁):

屋面板(压型钢板):

3.2楼屋面板的不合理截面—大跨度平板(例如跨度大于5m)
3.3典型情况对比–以预应力混凝土大型屋面板与大跨度平板为例:
1) 预应力混凝土大型屋面板见下图:平面尺寸1.5mx6.0m,肋梁高0.24m,板自重(加上灌缝)约1.6t,折合单位重量约为1.8kN/m2;
2) 6m跨度混凝土平板:板厚至少6000/35=170mm,单位重量约为0.17×25=4.25 kN/m2;
3) 二者比较见下表:a为预应力混凝土大型屋面板,b为现浇平板。

说明:预应力大板的面板仅30mm太薄,只适用于(工业厂房之类建筑)屋面,不能用于楼面。但楼面可采用预应力圆孔空心板或椭圆孔空心板(SP板),也可采用现浇空心板。其折算厚度及自重比起大跨度实心平板小得多,但其结构高度大于实心板,因此抗弯承载力及刚度比实心平板高得多。此外预应力技术的应用大大改善受弯构件的受力性能。
4. 改善观感的措施
传统建筑不存在此问题。例如木结构梁截面基本外露,比较考究的高档建筑多用彩色油漆或绘画进行装饰;特殊情况不容外露梁则可采用设天花板(望板或吊顶)如下图所示。

对混凝土结构而言,装配式结构可采用预制空心板,现浇结构可采用现浇空心板。

5. 有感
1) 钢结构、木结构包括房屋建筑及各种构筑物、交通运输工具(车、船、飞行器等等):自古以来普遍采用的是“骨架+蒙皮”方式,发展方向更加注意“减肥增效”,可谓“锱铢必较”,最典型的就是航天器(人造卫星等)。就本行业而言,现在普遍应用方兴未艾的“轻钢结构”所采用的薄壁型钢,特别是用于屋面及墙面的“压型钢板”那个厚度仅仅是零点几毫米!恐怕绝大部分业内外人士都想象不到!而且最大的特点就是加工成为折板或波形,绝不采用平板!
2) 林同炎大师采用无梁楼盖并非合理的结构体系,但是有几点值得参考:一是精心设计精心施工,二是用于上部结构楼面,荷载不太大,三是设柱帽,四是采用预应力板而不是普通非预应力板。国内采用的无梁楼盖往往在以上几方面都不如人,只是盲目跟风赶时氅,因此不出事故就得感谢老天保佑,而且可能存在不少隐患!
3) 牢记结构设计基本原则:确保安全可靠,使用功能,经济合理,在满足以上要求的前提下对于高档建筑的特殊功能及观感要求应借鉴国内外的先进经验尽量予以保证。但对于一般工程的设计切不可盲目跟风感时髦。在采用新技术新材料时也必须经过充分的科学论证,尽可能谨慎行事。

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