漫話建築結構設計第二篇——荷載組合:知己知彼,百戰不殆

上一篇中我們介紹了敵人的種類,那麼這些敵人是怎麼發動進攻的呢?開始複習註冊考試的同事們可能和我一樣,經常會產生一個誤區,那就是認為敵人的進攻方式很單一,就像金庸小說裡面的比武,你出一招鷹擊長空,我回一式海底撈月,你用蛤蟆功,我就用一陽指,這其實是應試考試的侷限性所致,6分鐘一道題,只能出一個個的知識點,不能全面考察,這也是為什麼有些人沒有做過結構設計,也能考過註冊的原因:我只要掌握一個個分散的知識點,不需要有實際經驗通篇理解,考過48分也沒問題!但我們一線結構設計人員不能這樣只知局部,而不知全貌,畢竟我們的工作關乎生命安全,半點馬虎不得!在我看來,敵人的進攻是混亂型攻擊,全方面覆蓋,無所不用其極,逮住弱點使命打,直到把建築物打倒為止!

漫話建築結構設計第二篇——荷載組合:知己知彼,百戰不殆

敵人的攻擊雖然全面,但是總逃不開上一章的荷載種類,敵人就那麼多,敵方指揮官再怎麼厲害也不過是調用數量種類不等的敵人組合成各個編隊發起進攻,那麼只要我們窮盡了他的所有組合,並保證最不利情況下,我們的建築物是安全的,他就怎麼都無法摧毀我們。

那麼敵人(荷載)的組合有幾種呢?按我們的荷載規範,包含以下5種大類:①基本組合,②偶然組合,③標準組合,④頻遇組合,⑤準永久組合。

前面兩種承載力能力極限狀態設計,後面三種用於正常使用極限狀態設計。每種組合的分項係數稍微詳細閱讀一下荷載規範就清楚了,這裡不再詳談。值得一提的是,2019年4月實行的新可靠性標準已經把恆載的分項係數從1.2提高到1.3,活載分項係數從1.4提高到1.5,提高的後的係數基本處於國際中等水平,這說明國家在經濟性和安全性更加偏向安全性,這可能也是一個大趨勢。至於這兩承載力能力極限狀態和正常使用極限狀態具體都包含哪些內容,這個我後面再寫。

已經搞清楚了敵人的進攻方式,我們就需要做出應對,那麼怎麼應對這些全面覆蓋的攻擊呢?參謀給了我們三種方案:①容許承載力法,②安全係數法,③分項係數法。

①容許承載力法,公式P≤fa,承載力通過塑性區發展理論中的臨塑荷載或變形限值估算,在這種設計中,工程的安全性和可靠度是無法定量的,因而是一種經驗的設計方法。這種設計方法形象的描述就類似我們日常生活中的吵架:“你別太過分了!”“我沒有過分。”“你就是太過分了!”“那什麼是太過分,哪本書有明文規定嗎?”“這......,反正你就是過分!”。雖說拌嘴時無法說清“過分”是個啥定義,但社會對“過分”還是有一個模糊的界定的,這個模糊的界定就是容許承載力。

漫話建築結構設計第二篇——荷載組合:知己知彼,百戰不殆

②安全係數法,公式P≤fu/K,通過求出極限承載力,除以一個大於1的安全係數就行。這種方法具有可操作性,就好像我想要知道一個工人每天能生產多少個零件,那我就舉辦一個生產零件的比賽,獎品優厚,這樣全廠的人就來積極參加了,大家為了獎品肯定是馬力全開,這樣比賽下來,去掉頭尾,求出平均數,這就是極限生產力,除以一個大於1的安全係數,這就是標準生產力,以此來評判員工有沒有偷懶就有據可循了。這裡的“標準生產力”反映到結構設計就是我們建築物的安全承載力。

漫話建築結構設計第二篇——荷載組合:知己知彼,百戰不殆

③分項係數法,公式S≤R,S=γSSk,R=RkR,在分項係數法中,是將荷載的標準值乘以一個大於1的分項係數,抗力的標準值除以一個大於1的分項係數。分項係數法實際上是基於可靠度理論的,對於隨機分佈的變量荷載Sk和抗力Rk,有多少可能性荷載大於抗力而失事也是一個隨機事件,破壞的概率決定於兩個隨機變量的均值(眾值,中值及某個分位值)及其分佈。其失事的概率可用可靠度指標表示,例如可靠度係數為β=3.0,則表示失效的概率為萬分之9.4,它明確地給出失效的概率,然後通過經濟、社會、技術的風險分析,給出最合理的的設計值。

形象描述如下:對於一個減肥的人,每天要控制攝入的卡路里,那麼就在家裡買一個能準確測算熱量的天平,需要多少熱量吃多少,這些熱量組成可以是一個麵包,也可以是兩個蘋果,或者三根黃瓜,當然也可以是他們的組合,我甚至可以多吃一點,只要我能準確測量出我的每一種運動能消耗多少卡里路,我消耗掉就行了。總之,只要我攝入的能量小於我輸出的能量,但又不至於飢勞過度、五臟受損而死就行了。我們通過分項係數分析各種荷載組合對建築物的危害作用,取最不利組合為控制荷載,只要控制荷載下建築材料受力沒問題,那建築物就屹立不倒!

漫話建築結構設計第二篇——荷載組合:知己知彼,百戰不殆

對比以上三種方案,方案一適用於無法準確測量力學指標的結構設計,比如地基設計中採用地基中塑性區發展的修正P1/4法對應的承載力作為地基承載力特徵值。方案二適用於可以便利且比較可靠地測量出極限承載力的情況,最常用的就是樁的承載力。方案三需要對建築材料的認知達到“可靠”的程度,並準確知道它們的受力特性,恰好混凝土和鋼筋的性能都有可靠的測試方法,工程師對這些材料認識也很深,因此我們上部結構設計都是採用分項係數法!

知己知彼,百戰不殆,理清了敵人的進攻邏輯,並對它的每一種進攻方式都好了應對,敵人當然只能做困獸之鬥!


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