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节材与结构设计优化

    一些结构设计人员在从事结构工程设计时,自觉或不自觉的认为,基础越大、柱子越粗、剪力墙越厚、结构构件配筋越多,结构就越安全。其实这是一种不正确的认识和做法。    

    当主楼和裙楼高低层间连为一体,加大裙房基础的尺寸,会使裙房的沉降减小,从而加大了高低层间的沉降差,导致结构不安全。
    梁越大,越不易保证“强柱弱梁”设计原则的实现,形成柱铰体制,导致地震时柱先于梁破坏,使结构倒塌,这也是四川汶川大地震时,框架结构倒塌的主要设计原因。
    楼板越厚,楼盖自重越大,使梁、柱、剪力墙和基础的安全度下降。
    柱、剪力墙适当增大截面,对提高结构安全度可能是有利的,但也应该看它们的位置,柱、剪力墙布置的位置有时比加大断面更重要、更有效率。次要位置的柱、剪力墙加大截面,带来的结果往往是使结构刚度的分布更不合理并增加了结构自重,对提高结构安全度意义不大或降低了结构安全度。
    从结构抗震角度考虑,材料用量越多,结构自重越大,地震作用也越大,如果增加的材料没有用到必要的地方,那么将导致结构抗震性能的降低。
    合理的选用结构材料是必须的,更重要的另一方面就是经济合理的结构形式,以充分发挥材料的性能与强度潜力,达到用最小用料发挥最大效能的目的。以下为四条材尽其用的规律:轴向受力优于横向受弯,轴向受拉优于轴向受压;立体结构优于平面结构;多向受力(空间结构)优于单向受力(平面结构与立体结构);组合结构优于单一结构。   
    从延性设计角度讲,如果设计者不理解规范的意图,通过盲目加大材料用量来解决安全问题,以为结构更安全了,实际上起了反作用,使结构变得更不安全了。例如适筋梁超配筋变成超筋梁,使梁失去了应有的延性;框架梁端超配筋,破坏强柱弱梁的延性构造,地震时容易造成结构倒塌;连梁超配筋,地震时连梁的耗能能力下降,造成墙肢先坏,可能引起结构倒塌;柱子超配筋,可能使大偏压构件变成小偏压构件,柱子丧失延性,在中震时可能提前破坏,使结构倒塌;节点配筋过多过密,使得节点浇筑质量不良,地震时节点先破坏,造成结构倒塌。
    因此,结构设计正确的思路和方法是,结构材料要用到必要的位置,发挥材料更高的效率,用量要合适。不加分析判断,不论构件的性质和位置,片面增大材料用量。不能保证一定就提高了结构安全度。在结构设计时,仅靠增大材料用量来保证或提高结构安全的做法,不是一个好的结构工程师应该考虑和采取的。结构概念不清的工程师,在结构计算完成、绘图时,往往会采取再人为的加大一下结构构件的截面、增大一下配筋量的方法.,来使自己放心、保证结构安全。此时应注意,并非增大了材料用量,结构就一定更安全。 结构工程师应认识到节约投资是设计的义务。从某种意义上也可以这样说,节材就是结构设计的优化.