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漫话建筑结构设计第二篇——荷载组合:知己知彼,百战不殆

上一篇中我们介绍了敌人的种类,那么这些敌人是怎么发动进攻的呢?开始复习注册考试的同事们可能和我一样,经常会产生一个误区,那就是认为敌人的进攻方式很单一,就像金庸小说里面的比武,你出一招鹰击长空,我回一式海底捞月,你用蛤蟆功,我就用一阳指,这其实是应试考试的局限性所致,6分钟一道题,只能出一个个的知识点,不能全面考察,这也是为什么有些人没有做过结构设计,也能考过注册的原因:我只要掌握一个个分散的知识点,不需要有实际经验通篇理解,考过48分也没问题!但我们一线结构设计人员不能这样只知局部,而不知全貌,毕竟我们的工作关乎生命安全,半点马虎不得!在我看来,敌人的进攻是混乱型攻击,全方面覆盖,无所不用其极,逮住弱点使命打,直到把建筑物打倒为止!

敌人的攻击虽然全面,但是总逃不开上一章的荷载种类,敌人就那么多,敌方指挥官再怎么厉害也不过是调用数量种类不等的敌人组合成各个编队发起进攻,那么只要我们穷尽了他的所有组合,并保证最不利情况下,我们的建筑物是安全的,他就怎么都无法摧毁我们。

那么敌人(荷载)的组合有几种呢?按我们的荷载规范,包含以下5种大类:①基本组合,②偶然组合,③标准组合,④频遇组合,⑤准永久组合。

前面两种承载力能力极限状态设计,后面三种用于正常使用极限状态设计。每种组合的分项系数稍微详细阅读一下荷载规范就清楚了,这里不再详谈。值得一提的是,2019年4月实行的新可靠性标准已经把恒载的分项系数从1.2提高到1.3,活载分项系数从1.4提高到1.5,提高的后的系数基本处于国际中等水平,这说明国家在经济性和安全性更加偏向安全性,这可能也是一个大趋势。至于这两承载力能力极限状态和正常使用极限状态具体都包含哪些内容,这个我后面再写。

已经搞清楚了敌人的进攻方式,我们就需要做出应对,那么怎么应对这些全面覆盖的攻击呢?参谋给了我们三种方案:①容许承载力法,②安全系数法,③分项系数法。

① 容许承载力法,公式P≤f a ,承载力通过塑性区发展理论中的临塑荷载或变形限值估算,在这种设计中,工程的安全性和可靠度是无法定量的,因而是一种经验的设计方法。这种设计方法形象的描述就类似我们日常生活中的吵架:“你别太过分了!”“我没有过分。”“你就是太过分了!”“那什么是太过分,哪本书有明文规定吗?”“这......,反正你就是过分!”。虽说拌嘴时无法说清“过分”是个啥定义,但社会对“过分”还是有一个模糊的界定的,这个模糊的界定就是容许承载力。

② 安全系数法,公式P≤f u /K,通过求出极限承载力,除以一个大于1的安全系数就行。这种方法具有可操作性,就好像我想要知道一个工人每天能生产多少个零件,那我就举办一个生产零件的比赛,奖品优厚,这样全 厂 的人就来积极参加了,大家为了奖品肯定是马力全开,这样比赛下来,去掉头尾,求出平均数,这就是极限生产力,除以一个大于1的安全系数,这就是标准生产力,以此来评判员工有没有偷懒就有据可循了。这里的“标准生产力”反映到结构设计就是我们建筑物的安全承载力。

③分项系数法,公式S≤R,S=γSSk,R=RkR,在分项系数法中,是将荷载的标准值乘以一个大于1的分项系数,抗力的标准值除以一个大于1的分项系数。分项系数法实际上是基于可靠度理论的,对于随机分布的变量荷载Sk和抗力Rk,有多少可能性荷载大于抗力而失事也是一个随机事件,破坏的概率决定于两个随机变量的均值(众值,中值及某个分位值)及其分布。其失事的概率可用可靠度指标表示,例如可靠度系数为β=3.0,则表示失效的概率为万分之9.4,它明确地给出失效的概率,然后通过经济、社会、技术的风险分析,给出最合理的的设计值。

形象描述如下:对于一个减肥的人,每天要控制摄入的卡路里,那么就在家里买一个能准确测算热量的天平,需要多少热量吃多少,这些热量组成可以是一个面包,也可以是两个苹果,或者三根黄瓜,当然也可以是他们的组合,我甚至可以多吃一点,只要我能准确测量出我的每一种运动能消耗多少卡里路,我消耗掉就行了。总之,只要我摄入的能量小于我输出的能量,但又不至于饥劳过度、五脏受损而死就行了。我们通过分项系数分析各种荷载组合对建筑物的危害作用,取最不利组合为控制荷载,只要控制荷载下建筑材料受力没问题,那建筑物就屹立不倒!

对比以上三种方案,方案一适用于无法准确测量力学指标的结构设计,比如地基设计中采用地基中塑性区发展的修正P1/4法对应的承载力作为地基承载力特征值。方案二适用于可以便利且比较可靠地测量出极限承载力的情况,最常用的就是桩的承载力。方案三需要对建筑材料的认知达到“可靠”的程度,并准确知道它们的受力特性,恰好混凝土和钢筋的性能都有可靠的测试方法,工程师对这些材料认识也很深,因此我们上部结构设计都是采用分项系数法!

知己知彼,百战不殆,理清了敌人的进攻逻辑,并对它的每一种进攻方式都好了应对,敌人当然只能做困兽之斗!

编辑:小编

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