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 土木工程教学宜注重对学生结构概念设计理念的培养(1)  

2011/4/22 19:43:24 浏览:2733 来源:  

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关键词:土木工程;钢筋混凝上;基木构件;概念设计

学生结构概念设计理念培养的必要性计算机辅助设计己经在工程设计中得到广泛应用,计算机应用能力是衡量当今社会毕业生能力的一个重要指标。我国《高层建筑混凝上结构技术规程》第5.1.16条,'{、《建筑抗震设计规范》第条,}i及《混凝上结构设计规范》第5.1.6条'3{均有类似规定:“对结构分析软件(或电算程序)的计算结果,应进行分析判断和校核;在确认其合理、有效后,方可作为工程设计依据。”那么如何对获得的计算结果进行规范或规程中提到的“分析判断”呢首先运用“概念设计”来对结构进行“分析判断”。概念设计是定性的设计,不是以精确的力学分析为依据,而是以保证结构的整体性和延性为设计目标,通过对工程进行概念分析,制定出相应的结构方案、计算依据以及技术措施等。山此可见,概念设计是一种设计的思路,是结构设计的核心和灵魂,是结构工程师进行创新的基础。概念设计不仅仅应用在抗震设计方而,它涉及的内容纷繁复杂、综合性强,如可靠度、安全度概念、力学概念、材料概念、荷载概念、施工概念、使用概念等等。它应用灵活广泛,贯穿于结构设计的全过程。概念设计就是要融合这些概念,Jl二贯彻到结构方案设计、构件布置、计算简图抽象、计算结果分析中。对理论无法明确的部位,要有定性的认识。

  尽管概念设计的理念,被越来越多的结构工程师所接受,Jl二将在结构设计中发挥越来越大的作用,但是现在的高校教学中,这种理念贯彻得还不是很好。例如,在专业课教学中,计算题练习居多,Jl=着重体现在考题中,使得相当部分学生养成只知套用公式解题的习惯。近年来强调计算机的应用教育,部分学生对用结构设计软件计算、出图,产生过分依赖性和盲目性,从而造成综合分析判断能力卜降,整体结构设计概念模糊不清。这些对于培养具有创造力的未来工程师是相当不利的。课堂教学是培养学生获取知识的主渠道,为此,提出在整个上木工程专业基础课程和专业课程教学中,均应加强对学生结构概念设计理念的培养。

  一、概念设计理念在《混凝土结构原理》

  中的应用《混凝土结构原理》是土木工程专业必修的学科基础课之一,是土木工程专业各方向基础课程学习转入专业课程学习过程中的一门关键性课程,对实现木专业人才培养目标具有重要作用。该课程最重要的任务之一就是学习混凝土基木构件的设计原理、设计方法和设计计算。基木构件的设计优劣将决定整个结构体系的性能。在工程设计中既要考虑承载力,也要考虑破坏时的变形能力,两者具有同样的重要意义。围绕着钢筋混凝土基木构件破坏类型的二种基木形式,将抗震延性设计所遵循的设计原则,应用到《混凝土结构原理》的课堂教学中,加强对学生结构概念设计理念的培养,为学生后续课程和其他相关专业课程如建筑结构抗震、高层建筑结构设计等,以及课程设计和毕业设计等实践环节打卜坚实的理论基础。

  钢筋混凝土结构构件的破坏类型《混凝土结构原理》课程是钢筋混凝土结构基木构件的教学,始终贯穿于构件破坏类型的二种基木形式中,是结构概念设计的基础。

  延性破坏:配筋合适的构件,不但具有一定的承载力,而日’构件破坏之前会产生较大的塑性变形,裂缝数量的增多,裂缝宽度的增加,挠度变形的加大、有明显的破坏预兆。破坏时钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度都得到发挥,如适筋梁、大偏压构件和大偏拉构件。

  受拉脆性破坏:配筋不足的构件,承载力很小,取决于混凝土的抗拉强度,破坏特征与素混凝土构件类似。混凝土的抗压强度未得到发挥,如少筋梁、少筋轴拉构件,在实际工程中不允许应用。

  受压脆性破坏:具有较高的承载力,取决于混凝土受压强度,延性能力同混凝土受压,较差;钢筋的受拉强度没有发挥,如超筋梁、轴压构件和小偏压构件,在实际工程中避免应用。

  钢筋混凝土构件的设计原则针对钢筋混凝土结构构件不同的破坏类型,设计钢筋混凝土基木构件时,应防止柱破坏先于梁破坏、剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土的压溃先于钢筋的屈服、钢筋的锚固先于构件破坏,即遵循“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强核芯区、强锚固”和“强压弱拉”的设计原则。

  “强柱弱梁”原则试验}JI-究和理论分析表明:对受弯构件的梁,容易实现良好的延性和耗能能力,而对压弯构件、轴压比较大的柱,不容易实现延性和耗能能力;而日‘作为重要的承重结构构件的柱子,一旦出现大的塑性变形,难以修复,尤其柱的破坏可能导致整个结构倒塌。故抗震设计应遵循“强柱弱梁”的设计原则,来保证塑性铰出现在梁端,而不是在柱端,使结构形成梁铰破坏机制,藉以利用适筋梁良好的变形性能,吸收和耗散尽可能多的地震能量。

  结合《混凝土结构原理》的课程教学,对钢筋混凝土基木构件,将“强柱弱梁”实现途径总结如卜对轴压构件正截而承载力计算中,抗力乘折减系数0.9 , GP N } N=0.9cp (f}.A+f',A’)。

  对钢筋混凝土柱轴心受压构件在抗力计算中乘折减系数0.9};,以考虑初始偶然偏心的不利影响,这等于将轴压构件的安全系数较GBJ 10-89规范提高10% ,即柱的安全性增强了。

  柱端增设型钢增加受压钢筋,可减小混凝土受压区高度,提高延性。型钢混凝土柱(即在混凝土柱内设置型钢),可以提高柱木身的抗弯强度和延性,易实现“强柱弱梁”型框架的设计要求。

  增加箍筋的配置增加箍筋的配置来约束混凝土(复式箍约束混凝土效果较好),通过提高混凝土的变形能力来改善延性。但对于高强度混凝土,不适于用加箍筋的方法来改善其延性。因为高强度混凝土受压时,其横向变形系数较一般混凝土明显偏小,箍筋的约束作用不能充分发挥。

  限制柱轴压比轴压比是影响柱的破坏形式和变形能力的重要因素。轴压比不同,柱将呈现两种破坏形态,即大偏压破坏和小偏压破坏。试验和分析均表明,对于一般配箍情况,影响延性的主要因素是混凝土受压区高度。

  对柱子这类偏压构件,轴压力的存在会增大混凝土受压区高度,减小延性;轴压力较大、当x >x,时,将
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