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在鋼結構設計里,優化結構選型與布置能提升結構性能、降低成本,可從以下幾方面著手:
明確建筑需求與條件
功能需求:依據建筑使用功能確定荷載分布、空間要求和特殊需求。如工業廠房有大噸位吊車,需選能承受較大荷載的結構體系;商場需大空間無柱布局,可考慮網架或桁架結構。
場地條件:考慮地形地貌、地質條件、抗震設防烈度等。在軟土地基上,淺基礎可能無法滿足承載要求,此時可采用樁基礎,結構選型上優先選輕型結構以減少基礎壓力;在高烈度地震區,應選延性好的結構體系,如框架 - 支撐結構。
選擇合適結構體系
框架結構:適用于多層和高層建筑,具有空間分隔靈活的優點。當建筑層數較少、高度較低且平面布置較規則時,可采用純框架結構;當建筑較高時,為增強側向剛度,可設置支撐或剪力墻形成框架 - 支撐結構或框架 - 剪力墻結構。
桁架結構:常用于大跨度建筑,如體育館、展覽館等。它由直桿組成,能充分發揮材料強度,減輕結構自重。根據建筑平面形狀和跨度大小,可選擇三角形桁架、梯形桁架等不同形式。
網架結構:適用于大跨度、大面積的建筑,如機場候機樓、大型商場等。它是由許多桿件按一定規律組成的空間網格結構,具有空間受力性能好、剛度大、抗震性能強等優點。常見的網架形式有平面網架和空間網架,可根據建筑造型和受力要求選擇。
懸索結構:主要用于大跨度公共建筑,如體育館、展覽館的屋蓋。它利用鋼索的受拉性能,能跨越很大的跨度,具有自重輕、造型美觀等特點。但懸索結構的穩定性較差,需要設置強大的邊緣構件來保證結構安全。
優化結構布置
規則性布置:使結構平面和立面布置盡量規則、對稱,質量和剛度分布均勻,避免出現突變。規則的平面形狀有利于結構受力均勻,減少扭轉效應;對稱的立面布置可使結構在水平荷載作用下產生協調的變形,提高結構的穩定性。
傳力路徑明確:保證荷載能以較短、直接的路徑傳遞到基礎。在框架結構中,豎向荷載通過梁、柱直接傳遞到基礎;水平荷載通過框架梁、柱和支撐體系傳遞。避免出現復雜的傳力途徑,減少應力集中現象。
施工因素:結構布置應考慮施工的可行性和便利性。合理安排構件的位置和尺寸,便于構件的制作、運輸和安裝。例如,在高層鋼結構施工中,要考慮塔吊的起重能力和工作范圍,合理分段預制和吊裝構件。
結合建筑造型:結構布置要與建筑造型相協調,既滿足建筑的美觀要求,又能保證結構的安全性。在建筑設計中,一些獨特的造型可能會給結構設計帶來挑戰,需要結構工程師與建筑師密切配合,共同尋找好的解決方案。
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