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说说内蒙古钢结构设计中的“相对性”

作者:admin 发布日期:2018/5/14 关注次数: 二维码分享

说说内蒙古钢结构设计中的“相对性”


先来引述一段王铁梦院士对粘性和脆性的辨析。


““混凝土有动力学特征,即与时间参数有关的重要性质——徐变。当结构承受某一固定约束变形时,由于徐变性质,其约束应力将随时间下降,这称之为“应力松弛”。约束应力降低到一定数值所经过的时间叫做“松弛周期”。固体,如钢材、岩石等材料应力松弛得相当慢,松弛周期特别长;而液体应力松弛得非常快,松弛周期特别短。粘性介质的松弛周期介于二者之间。一种结构是粘性的还是脆性的,不仅看材料的物质组成,还要看造成约束应力的作用时间(或者荷载作用时间)比该结构的松弛周期长些还是短些。试验证明:一种易流动的液体,在高速的**射击下,也会像玻璃一样地脆性破裂。相反,地壳上岩石在亿万年地质年代缓慢的内应力作用下,却像粘性液体一样地流变。如果人的跑步速度可以快到使人在水上落足时间短于水的松弛周期,则人就能像走在固体上一样,走在水面上而不沉落。”


这段话在解释脆性与延性的时候,不是用绝对的概念来说明,而是以相对性的概念来阐述,这着实让人拍案叫绝。简单点说,如果荷载作用时间比该结构的松弛周期长,则该结构会表现出延性,如果比松弛周期短,则结构会表现出脆性。


我以前在琢磨刚接与铰接概念的时候,也有这种体会。我们平常说的刚接、铰接,大多是采用绝对性的概念。比如,对工资钢梁,如果仅腹板用螺栓连接,这便是铰接;想要实现刚接,就需要把上下翼缘在节点部位焊起来,或者全部用高强螺栓连接。但我们想想,刚接的真正含义是什么,刚接是同时约束平动和转动的节点形式。这是否意味着,刚接不仅和节点构造有关,还和所受荷载有关?如果荷载不能使其发生平动和转动,那么在这种荷载作用下,此节点可被认为是刚接,否则,应视为铰接。



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如果以这种相对性的概念往前推导,我们看看,能得到什么样的结论?



将一根钢柱立在地面上,在钢柱的顶部施加一个水平力,如果水平力小于钢柱与地面的摩擦力,钢柱不会发生平动;如果水平力产生的倾覆力矩小于钢柱自重产生的抵抗力矩,则钢柱不会转动。这么看来,如果水平荷载不是太大,这种搁置连接也是一种刚接约束(从支座角度来说,应描述为固端约束)。



我们也可以从应力的角度来解释这个问题。重力荷载作用下,搁置面受到一个均布荷载,水平力产生的弯矩在搁置面会产生一个拉压对称的三角形荷载,如果拉应力小于均布压应力,钢柱不会翘起,即不会转动。


再来举第二个例子。在实际工程中,刚次梁与主梁的连接一般采用铰接,对大跨钢梁混凝土组合楼盖,竖向振动频率有时会起控制作用。控制竖向振动的目的多数是为了满足人行激励作用下的楼盖舒适度要求。对一个组合楼盖,相比自重以及活载等作用,正常使用工况下的人行激励其实是很小的,人行激励引起的节点转动极可能被节点中的摩擦力抵抗,也就是说,人行激励不会引起节点转动,在这种情况下,绝对的铰接节点其实是相对的刚接节点。该解释不是我自己杜撰出来的,而是我在相关的英文文献中看到的。


第三个例子。钢构件连接,我们常用的等强连接,也有绝对概念和相对概念之分。所谓的绝对的等强,是节点强度大于构件截面强度,这有时需要在节点中布置大量的螺栓,数量之多,以至于螺栓间距无法满足规范要求。这究竟有无必要?如果在极限承载力工况下,钢构件最大应力比为0.5,为节点强度保留一定富裕,比如20%,则可按0.6的应力比来布置螺栓。这就是荷载意义上的,相对性的等强概念。


第四个例子。在超高层结构中,有一个抗剪承载力比的概念。在构件截面、配筋确定的情况下,抗剪承载力其实是一个固有属性。按照高规,如果本层抗剪承载力小于上一层的80%,属于承载力薄弱层,这是应该尽量避免的。按照绝对性的概念,我们需要修改结构布置,调整构件截面,削弱上层的承载力,增大本层的承载力,但在实际工程中,受限于建筑功能,调整布置及截面都是难以执行的。那怎么办?我们将思维跳到荷载层面来解决这个问题。即将本层的水平荷载放大,如果可以保证在更大的水平荷载作用下,本层的承载力没有问题,那和上层比,相对薄弱,又有什么关系呢?说得再通俗一点,这就像,我虽然有病,但我通过一些控制措施,一辈子都没有犯这个病,那这个病,对我来说,又有什么关系呢?


在结构设计中,绝对性概念难执行的时候,我们时常用相对性概念来解决。这个相对性,有时指得是“荷载”,比如上面举的几个例子;有时是“时间”,比如,我们说的50年一遇,100年一遇等;有时是“重要性”,比如不同的设防类别,不同的安全系数。


如果能从绝对性的角度去解决一个问题,这属于暴利求解,固然彪悍得让人敬佩,就像有些人考英语,从来不用技巧,就像丘成桐对卡拉比猜想的证明;但更多情况下,我们无法做到那么强悍,而从相对性的角度去解决问题,更像是一种人生智慧,就像“敌进我退,敌退我追”的迂回战术,虽然不是那么振奋人心,但它具有很大的使用价值。


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