谢 @周鑫 邀。随心想到的几个写在这,科普向,概念化,术语不一定严谨。
1.开口截面扭转中心(剪力中心)不在截面内
准确说是不在截面凸包范围内,这是我第一时间想到的。这个初学材料力学的朋友可能觉得挺违反直觉。毕竟过往接触的形心、重心都是在截面里面,但如果想到扭转中心的定义是剪力流的合力点就好理解了——剪力流对扭转中心的合力矩为零。所以很好发现,下图上下翼缘剪力(红色)对
x轴上任意一点的合力矩都是逆时针的,自然需要一个在截面凸包外(也就是翼缘反方向)的扭心使得腹板剪力(蓝色)产生顺时针的力矩来平衡了。所以开口截面的扭转中心在截面外。
2.弹簧可能不减震
见过汽车/山地自行车减震弹簧的朋友可能会直觉认为要减少颠簸或震动只要随便加个弹簧就可以了。然而事实是,弹簧只起到了改变系统频率/周期的作用,能否减震要看是否使系统远离了共振区。一般来说,系统串联上一个弹簧是使系统变柔的,也就是频率降低,周期增大。如果颠簸/振动/地震的主要周期比起初的周期长,那么加上弹簧就有可能使系统进入共振区,使振动增大。
结构工程中的一个例子是隔震支座。把建筑物放在隔震支座上,相当于在建筑物底下串联一个弹簧,系统周期变长了。但隔震效果如何,要参看地震的反应谱,在我国设计中常用的这张这张曲线图(各国有所不同,但规律总体一致)
建筑物主要的周期在下图蓝线处,加上弹簧后右移到绿线处,那么它的振动就会减小,或者说受到的地震力就会减弱
但如果建筑物主要的周期在从下图绿线处,加上弹簧后右移到红线处,那么振动就反而会增大,或者说地震力增大
可以想到,如果起先在平台段,加弹簧周期右移后还在平台段,那么振动就基本不变。
从上面分析也可以看到,隔震最有效的场景就是上图建筑物周期本身处在平台段(共振区),通过隔震支座将建筑物周期移到地震力迅速衰减的下降段。如果建筑物本身主要周期在上升段,就可能有反作用,如果本身处于下降段靠后的位置,那隔震效果就不那么明显了。
3.越高的楼可能反而越不怕地震
危楼高百尺,手可摘星辰。“高”跟“危”两个字自古以来就是联系在一起的。但事实上,在地震中,越高的楼越细长,越“柔软”,周期越低,对地震反而可能越不敏感。
从反应谱看到,地震效应主要的频率成分是在场地特征周期Tg附近的,而在坚实的土地上,Tg多数在0.4秒左右,即使是最柔最软的海边软土,Tg也只有0.9秒,而超高层基本周期在4~5秒是很正常的,国内最高的上海中心甚至超过了6秒,已经远远离开了地震波的共振区,而且越高越细长,离得越远。所以超高层并不一定越高越怕地震,对地震是否敏感,要看建筑物本身的结构特性以及所处场地的特点。所以地震中有时会见到超高层慢慢地晃,却并不倒下,因为它并不是与主要的短促的地震波成分共振,而是与缓慢绵长的次要成分共振,受到地震力很低,不至于倾覆倒塌。
但是超高层面临的风是一个很大的问题,因为空气流过建筑在边界形成漩涡,这些漩涡从建筑上不断脱落,带来有节奏的附加力,产生横风向摆动,一般周期大约在10s左右,越高越细长的建筑物离这个脱落周期越近,越接近共振,而且越高处受到风压也越大,所以很多超高层其实是受风荷载控制,这也是为什么上海中心、台北101大厦等建筑物都要设置阻尼器以减小风振的原因。
4.设计预留太多荷载可能反而造成隐患
这是很多工程师会陷入的误区,因为很多时候建筑功能未定却要赶图,就将所有荷载都放大一圈,日后建筑完全确定了,只要荷载比原来考虑的小,就认为安全,不再复核。但这其实会带来隐患。举个在实际中设计楼板或者屋盖常常遇到的例子:一个三跨连续梁,预留了满跨荷载,
但是实际只有中间跨加载到预留荷载幅度,边上两跨则很小,因而实际由于边上两跨对中间跨形成反弯比预想的小,所以虽然支座附近的弯矩减小了,但跨中的弯矩却反而增大了。如果按满跨荷载设计钢结构截面或者混凝土配筋,实际跨中就可能出现破坏的危险。
为什么会这样呢?
结构工程设计的基本原理是
效应≤抗力
其中效应是客观存在的,而抗力则是工程师主观给定的。设计50年中遭遇恒载、活载、地震、风、温度作用等都是根据建筑需求或自然观测得出的,并不以工程师主观改变;但是抗力则是工程师设计的,设计柱子很大,那么柱子的抗力就很大,这一侧是主观可控的。
上面例子隐患出现的根本原因是,设计中主观改变的荷载大小、分布比例与客观不符。荷载与客观不符,那么内力分配、变形结果就不对,基于这些不对的分析结果做的设计也自然是不可靠的。
如果要预留更多安全余量,应该从抗力端入手,增大截面、加强配筋或者位移限值从严,取准确的荷载,得到准确的内力和位移,设计时放大抗力端的安全系数。这样日后荷载可能变化带来的波动,可以由冗余的抗力覆盖,但分析过程与结果始终是准确且可把握的。
荷载是设计输入,截面及配筋是设计输出,尽量不要拍脑袋,如果一定要拍,就不要从输入开始拍,导致过程过程说不清,脑袋应该在最后输出环节拍,这样影响最小,也最清晰可理解。
暂时想到这些,有新想法再更。部分图片转自网络,侵删。
来源:知乎 www.zhihu.com
作者:知乎用户(登录查看详情)
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