系统论在建筑结构设计中的应用分析.pdf

第十九届全国高 层建筑结构学术会议 论文2 0 0 6 年 系统论在建筑结构设计中的应用分析 邓孝祥’王依群2康谷贻2 张元坤‘ 1 、广州容柏生建筑工程设计事务所，广州5 1 0 1 7 0 ; 2 、天 捧大学建筑工程学院，天津3 0 0 0 7 2 1 摘 要建 筑结构是一个复杂系统， 它具有系统的整体性、非线性和不确定性。本文通过分析系统论在 建筑结构设计中各方面的应用和体现， 最后指出面对建筑结构这样一个复杂的系统， 结构设计师应该用系 统论代替机械论来分析日 益复杂的建筑结构. 关健词系统论，机械论，结构设计， 概念设计 1 引言 目 前的结构设计理论基本上是在工程实践和试验研究的基础上， 借助于经典的结构三 大力学 理论力学、 材料力学、结构力学建立起来的。 大家知道结构三大力学都属于牛 顿经典力学的范畴。作为近代科学大厦基础的经典力学，出于数学描述的需要和总体认识 能 力的限制，只能把事物之间的真实相互作用都简化为所谓的线性关系。 它习惯于把一切 力学问题归结为一定的数学方程， 规定出它的初始条件和边界条件，然后进行数学逻辑推 导，以求出 答案，并且常常要求答案具有 “ 唯一性”。也就是说牛顿力学是基于确定的初 始条件、确定的边界条件、确定的 材料特性、 及确定的 外部作用的基础上求出确定的结构 受力结果。 它强调的是线性、 有序、 单一、 可逆、决定性。它一般是假定整体可以 分割成 局部，然后采用隔离法对各局部 进行研究， 最后根据线性系统可 还原性的原理， 再将局部 合成整体进行分析。长期以 来， 人们一直以 这种机械的， 还原的，线性的 观点及分解分析 的 方法研究 世界上的一切事物。 殊不知， 在这种一分一合的过程中，总有一些假定是不符 合实际 情况的，这就导致了结果分析的偏差甚至错误， 世界上的 万事万物，不仅客观存在着， 而且以 系统方式存在着.系统是物质世界的普 遍存在方式。系统是由相互作用和相互依赖的 若干组成部分结合而成的 具有特定功能的有 机整体， 它具有独立的功能或特性。 与此相反， 机械论的基本原则是还原 论，它相信整体 或高层次的 性质可以 还原为部分或低层次的性质， 认识了部分或低层次， 就可以 完全把握 邓孝祥，男，1 9 7 7 . 4出生，工学硕士 . 9 0 9“ 第十九届全国高 层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 整体或高层次。德国 著名物理学家普朗克曾 说 “ 科学是内 在的 整体，它被分解为单独的部 分， 不是取决于事物的本身，而是取决于人类认识能力的局限性”。系统论认为 人类研 究的任何对象都是一个系统， 它具有整体性、非线性和不确定性。作为一个结构工 程师， 要想准确地分析结构和正确合理地设计建筑结构， 就应该 将要设计的建筑结构看作一个系 统而不是一 个与外界没有联系的 孤立体， 采用系统论的方法进行分析和设计。 2系统整体性在建筑结构设计中的应用 系 统 整 体 性是 系 统 论 的 首 要 和 核 心 原 则 。 系 统 论 b , 8 ， 认 为 一 个系 统 的 整 体 性 质或 功 能绝不是部分功能或部分孤立的功能简单相加，因为系 统中的各部分是处于复杂的相互联 系、相互作用的关系中， 从而形成了 新的结构和功能。建筑结构是由 梁、 板、柱组成的上 部结构，基础及地基三部分组成的系统。它们之间不是简单的叠加体， 而是一个存在相互 作用的不可分割的有机体，它具有单独构件所不能表现的 整体性能。以下举例分析 2 . 1地基一 基础一 上部结构的协同 工作分析 地基在 局部载荷下的沉降变形受地基、基础、上部结构刚度及相互作用影响而变化， 沉降变形与三者刚度及荷载的关系表示为 ILK 礁 [K 小 [K s, J 、 J1t. 卜J F , } IF , I 伙 ] 、 [x n 分 别 为 地 基 桩 土 、 基 础 、 上 部 结 构 凝 聚 于 基 底 的 刚 度 矩 阵 ; W基 底 的 沉 降 变 形 向 量 ; 仇} . 饵} 分 别 为 上 部 结 构 ， 基 础 凝 聚 于 基 底 的 荷 载 向 量 。 高层建筑箱、筏、 桩箱、 桩筏基础多呈碟形沉降，中部沉降多，周边沉降少，除非上 部结 构为刚度很大的 全剪力墙或基桩为支承于基岩的端承桩。 这种碟形沉降导致基础的整 体弯 矩和上部结构次内 力增大， 安全度降低。 采用增大板厚、增加桩径、 桩长、桩数等措 施 加以 解决 往 往事倍 功半。 为了 解 决 上 述问 题， 文献‘ ” 提出 了以 减小 差 异 变形和材料 消 耗 为目 标，以 上部结构一 基础一地基共同作用分析为基础的 变刚度调平设计。 该方法通过调 整桩土的刚度分布、 合理利用上部结构和基础抵抗差异变形，充分发挥土的承载力， 可实 现控制差异变形、节约材料、降低基础内 力与上部结构次应力的目 的。实践证明， 应用该 方法于高层建筑桩筏基础设计， 技术经济效益良 好。因此， 结构体系的设计应该从地基基 础与上部结构共同工作相互作用的 整体出发考虑。 2 . 2地基一 结构动力相互作用分析 半个世 纪以前，当具有相对柔性和轻型的建筑物建于坚硬的 地基上时，往往假定基础 为刚 性，即以 刚性基础模型对结构反应进行分析和计算， 这一假定对于一般的中低层建筑 还是 基本上符合实际 情况的。 但是随着高层建筑甚至超高层建筑的兴建， 这类建筑具有很 大的 刚度和重量，而地基则往往显得相对为柔性，这时， 刚性地基假设不再合理，必须计 入土一结构动力 相互作 用的影响。 文献‘ ” 分 析了 将地基土 体 与上部结构作为 一个体系 进行 抗震分析的必要性 1 土体在岩土地震中 既是地震波的传播介质又是结构物的支承介质; 2 、 有些结 构物的抗震能力取决于 周围或支承土体的 变形; 3 深基础在一定程度上顺从 周围 土体介质的运动。 实际上，除了 建筑物直接建造在整体性良 好的基岩上，地基可以 近 91 0 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 似认为是刚性的 情况外，结构与地基和基础的相互作用总是存在的。 ‘ 理论分析和试验研究都表明，结构一地基动力相互作用使体系的动力特性和地震反应 与刚性地基上的结构不同，一般表现为自振周期延长，阻尼增加;内力及弹性位移反应 改变 地基运动特性改变等。 近3 0 年来，国内外就结构一地基相互作用对结构地震反应的 影响己进行了多方面的研究，取得了一些进展，许多国家抗震设计规范中对结构一地基相 互作用问题做了一定程度的考虑中国规范采用把建筑工程的设计地震分为三组， 且根据 土层的剪切波速对场地土进行了 分类等措施来近似的考虑这种相互作用。 2 . 3填充墙对结构整体抗震性能影响的分析 在采用钢筋混凝土框架体系的结构中，隔墙和维护墙采用实心砖、 空心砖、 硅酸盐砌 块或加气混凝土等块材砌筑时，这些刚性填充墙将在很大程度上改变结构的动力特性，对 整个结构抗震性能带来一些有利和不利的影响，应该在工程设计中予以考虑。研究表明 填充墙对结构抗震性能的影响主要表现在以下几个方面 1 填充墙在结构受水平荷载 风 荷载和地震作用 时，填充墙起到了 斜向 支撑的作用，而使得结构的刚度显著增大，从而 使结构自 振周期变小，地震作用加大。因此规范给出了各类结构的周期折减系数以考虑填 充墙对结构的影响; Z 改变了结构地震剪力的 分布情况， 此外，由于填充墙实际作为支 撑构件也参与抗震， 分担了 一部分水平地震剪力，反而使得框架所承担的 楼层地震剪力减 小， 使得结构整体的抗震能力提高。 3 由于填充墙具有较大的 抗侧刚度，限制了框架的 变形，从而减小了 整个结构的 地震侧移幅值; 4 由 于填充墙起到了支撑作用，使得结构 在地震前几个较大加速度脉冲时， 填充墙承担了 大部分地震作用， 起到了第一道抗震防线 的作用，而当填充墙破坏后，由 于填充墙的作 用使得结构阻尼有所增大，也能减轻结构的 地震作用。因此， 在建筑平面上， 填充墙的布置应力求对称、均匀，力求避免造成结构刚 度和质量偏心.导致结构在地震时发生扭转振动， 沿结构竖向， 填充墙应尽量连续贯通， 以 避免在填充墙中断的楼层，出 现框架剪力的骤然增大。总之， 填充墙对结构的 整体影响 是不能忽略的，或者说填充墙与框架结构是协同 工作，是一个整体。 2 . 4梁板结构构相互作用分析 在竖向 荷载作用下，一般将梁作为支撑楼板的不动 支座来考虑，当梁的尺寸和抗弯刚 度较大时， 其竖向 变形远小于楼板， 这时忽略梁竖向 位移对楼板变形和受力的影响是可以 接受的。 但当梁的截面抗弯刚度较小时，若仍将梁视为楼板无竖向 位移的不动支座，则与 实际 情况明 显不符， 楼板的变形和受力将与实际 情况出 现较大的 误差， 甚至会导致楼板在 柱支承处开 裂。有的 设计甚至将高 度与板厚 相同、 只适当 加强配 筋的暗 梁作为楼板的不动 支 座， 这 与 实际 情 况 大相 径 庭。 文献‘ ， ， 研究 表明 实 际 上 梁板 体 系中梁 与 楼板 相 互 作用， 密切联系， 共同工作。在进行楼板的内力计算和配筋设计中不应简单地将梁视为楼板的不 动支座， 而 应把梁、 楼板作为统一的 整体， 充分考虑梁板刚度比， 对楼板内力分布的影响。 现浇钢筋混凝土结构，楼板的存在使梁截面由 矩形变为T 形或倒L 形，不仅使梁增强了抗 弯刚 度而且也 增强了 抗扭刚度。 而 梁的 抗扭刚 度大小则决 定了 板的 边界 条件， 直接影响 板 跨中的弯矩及挠度，即梁的 抗扭刚度大则板跨中的 弯矩及挠度就小，相反则大。 在水平 荷载作 用下， 通过框架 梁和现浇 板的共同 受 弯来约 束柱顶的 转动， 使柱子产生 . 9 1 1 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 自 上 而 下 的 反 弯曲 ， 从 而 形 成 框 架 作 用 ， 震 害 和 试 雏 研 究 都 证 明 由 于 板 和 梁 的 共 同 工 作 ， 不 仅 提高 了 梁 的 截 面 刚 度. 还 提高 了 梁 端 负 弯 矩 承 载 力。 这 就 要 求设 计必 须 考 虑 以 下 两 方 面的问 题 1 应根据整体现浇梁板共同工作的 特性和原理， 按规范规定的 有效翼 缘宽度， 将现浇板作为框架梁的翼缘，共同 参与弹性受力分析; 2 由于作为梁翼缘板内 平行梁肋 的钢筋参与 梁端抗弯承载力工作， 使得支座处的负屈服弯矩明显要比无翼缘矩形梁的负屈 服弯矩提高。 3系统非线性在建筑结构设计中的应用 直到2 0 世纪上半叶， 根深蒂固的 简单性原则一直是许多物理学家和哲学家的“ 共识” ， 是指导科学家建立理论体系的出发点。 近代自 然科学的泰斗牛顿以机械运动规律的单一性、 对称性、 可逆性和严 格决定性将数学和谐简单性思想表现得淋漓尽致。 使复杂现象简单化， 非线性问 题线性化， 虽然它在 3 0 0 多年的时间 里极大地推动了科学的发展， 使人们对自 然 界 从 模 糊的 定 性认 识 转变为 精 确的 定 量 分析， 然而 却是以 牺 牲复 杂 性为 代 价的川 。 技术 处 理上的成功并不意味着对客观现象的真实描述。因 此， 要真正地认识现实的 世界， 把握世 界的本质. 就必须考虑系统之间及系统构成要素之间的非线性相互作用。以下举例分析 3 . 1钢筋混凝土结构的非线性 钢筋混凝土是一种力学性能十分复杂的建筑材料， 其中混凝土由 水泥、砂、石、 水和 各种掺合材料及外加剂混合硬化而成，成分复杂， 性能多样。迄今为止，人们对其力学性 能还没有全面掌握。 传统的钢筋混凝土结构设计中，对于梁、柱、墙及板等构件，是在大 量的 构件试验基础上，按照极限状态的设计方法确定构件的 承载力、刚度和抗裂性。而混 凝土结构分析时则是采用弹性理论来计算结构的内 力和应力，显然，这两者之间在理论上 是不协调的。 实际上钢筋混凝土结构承载后的工作状态十分复杂，这是由于材料性质特别是混凝土 的复杂性质引起的 1 这种结构是由 两种材料即混凝土和钢筋组合而成; 2 混凝土在 承载前，在骨料与砂浆之间交接面上己 经存在大量的微裂缝，在加载后，这些微裂缝在低 应力水平上就表现出非线性性质 3 钢筋与混凝土之间的 粘结滑移是一种十分复杂的交 互效应，目 前的方法是在大量试验上总结其机理， 继而概括为数学模型; 4 钢筋在弹性 范围以外的非线性特性。 3 . 2 结 构 弹 塑 性 抗 震 分 析川 静力法产生于二十世纪初期， 是最早的结构抗震设计方法。用现在的结构抗震知识来 考察， 静力法没有考虑结构的动力效应. 根据结构动力学的观点， 地震作用下结构的 动力 效应，即结构上质点的地震反应加速度不同 于地面运动加速度，而是与结构自 振周期和阻 尼比 有关。 随后又提出了 反应谱法。 对于多自 由 度体系， 可以采用振型分解组合方法来确 定地震作用。 然而， 静力法和早期的反应谱法都是以 惯性力的形式来反映地震作用，并按 弹性方法来计算结构地震作用效应。当遭遇超过设计烈度的 地震作用，结构进入弹塑性状 态， 这种方法显然无法应用。随着认识的 进一步深入、计算机技术和结构动力实验技术的 “ 9 1 2“ 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 发展、以及一些重要工程和特殊复杂结构抗震分析的要求，以了 解结构在地震动时程输入 过程中的动力行为为目 标的弹塑性地震反应分析理论得到发展， 并成为抗震设计的 主要方 法之一，实际上在地震激励下， 建筑结构首先在弹性范围内工作，结构不产生破坏;在强 烈地震下，结构会很快进入塑性工作状态， 构件出 现裂缝，构件端部出 现局部混凝土被压 碎， 钢筋屈服等现象，形成塑性铰， 而后进入破坏状态，部分构件失效， 退出工作，结构 内 力进行重新分配。在弹塑性地震反应分析中结构和构件的 动力模型要更为接近实际。要 包括非线性特性;动力反应分析方法要考虑反应的全过程， 包括变形和能量损耗的 积累。 4系统不确定性在建筑结构设计中的应用 系统论认为Q 一个确定性的系统中 可以出 现类似于随 机的 行 为过程， 它是系 统“ 内 在” 随机性的一种表现。对于复杂系统而言，结构是确定的， 短期行为可以比较精确地预 涵， 而长期行为却变得不规则， 初始条件的微小变化会导致系统的运行轨迹出现巨 大的偏 差。 建筑结构的设计中存在着大量不确定性， 如外部环境 荷载和场地类型 、 结构本身 构 件材料性能、 裁面儿何参数和构件抗力 及结构整体分析的不确定性等。 不确定性是工程结 构设计、施工和使用中存在的客观现象，对这种客观现象的认识由来已久，但真正用理论 的 方 法 加以 研究， 并 努 力用 于 结 构设 计 规 范 才是 近几 十 年的 事[ l . 2 . 4 ] 4 . 1 设计地震动的不确定性 结构抗震分析的第一步就是确定设计地震动， 即确定地而运动参数或地面运动时程等。 合理而正确的地震动输入是保证抗震分析结果有效性的必要条件。虽然抗震设 计理论取得 了 有目 共睹的进步， 期间也经历了多次抗震设计思想和设 计方法的完善和更新， 但是目 前 经典抗震设 计方法都是基于确定性地震动，都是假定未来发生地震的大小、强度、 时程特 性及频谱特性。 然而地震作用与其他荷载形式的区别更重要的体现在其不确定性和随 机性。 在震源的发生机制、 地震波的传播路径和结构的建设场地中 存在 着不确定性，因 此设计地 震动应该看作随机过程，采用概率方法处理。工程结构在使用寿命期间是否真正遭受到与 设计地震动相当的地震作用同样不得而知。 世界上很多著名学者分析了地面运动的 变化及 结构模型化假定对结构响应不确定性的影响，指出地震动输入的不确定性具有决定性的作 用。 4 . 2结构构件材料性能的 不确定性 结构构件材料性能的不确定性主要是指材料质量因素以 及工艺、 加荷、 环境、 尺寸等因 素引起的结构构件中材料性能的变异性。 例如，对于钢筋强度的 变异性， 就应该考虑钢筋 本身强度的变异、 钢筋面积的变异、实际工作条件与标准试验条件不同而引起的变异等因 素。 4 . 3结构构件几何参数的不确定性 结构 构件几何参数是指构件的 截面几 何特征， 如高 度、 宽 度、 面积、 惯性矩、 混凝土 保 护 层 厚 度 等， 尽 及 构 件的 长 度、 跨 度、 偏 心 矩 等 。 结 构 构 件 几 何 参数 的 不 确定 性 主 要 是 指施工制作尺寸偏差和安装误差等因素引 起的 变异性。它反应了 制作安装后的实际结构构 “ 9 1 3 “ 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 6 年 件与所设计的标准构件之间几何上的变异性。 4 . 4结构构件计算模式的不确定性 结构构 件计算模式的不确定性， 主要是指构件承载力计算中采用的某些基本假定的近似 性 和 计 算公 式的 不 精 确性等引 起的 对结 构 构 件 承 载 为计 算的 不确 定性。 例如， 在 建 立构 件 承载力计算公式的 过程中， 对材料特性往往采用理想弹性或理想弹塑性、 均质性、平面变 形等假定; 也常采用矩形、 三角形等简单规则的截面应力图形来代替实际的曲 线分布的 应 力图形; 还有采用简支、 固定支座等典型的 边界条件来代替实际工程普遍半刚性边界条件。 所有这些近似处理，必然会导致实际的结构构件与给定公式计算的承载力之间 存在差异。 因 此， 在设计过程中， 设计者必须充分考虑这些不确定性， 采用基于可靠度的设计方法。 目 前国际上大多数国 家的规范虽然已 采取了 基于概率的极限状态设计思想， 但是由 于建筑 结构的 特殊性与复杂性，结构可靠度的 应用只局限 在结构构件层次上，并采用分项系数来 考虑结构的不确定性。而基于结构体系的可靠度至今仍主要停留在研究领域， 很难应用到 建筑结构设计中。 5 结束语 建筑结构作为一个复杂系统， 它同样具有系统的整体性、非线性和不确定性。 在计算 技术日 益发达的今天，工程界普遍认识到结构概念设计的重要性，提出了用整体概念来考 虑结构的总体方案，并且有意识地发挥和利用结构总体系与各基本分体系之间的力学特性 及关系。而不是拘泥于计算机的 “ 精确” 计算结果。面对结构自 身和地震运动的复杂性和 不确定性， 工程界从基于承载力的 抗震设计方法转向基于性能的抗震设计方法。 面对建筑 结构这样一个复杂的 系统，工程师逐步认识到必须采用系统方法代替隔离分析方法来研究 结构问题， 应用系统论代替机械论来分析日 益复杂的建筑结构。 虽然目 前工程设计中尚 无 法完全按照系统论进行结构设计， 但应以 此为方向 ， 至少应该在确定结构方案的时候充分利 用系统论的 思想，同时在计算程序的 编排和结构试验中加紧此方面的研究工作。 参考文献 巨 〕傅学怡，实用高 层建筑结构设计，中国建筑工业出社， 1 9 9 9 【 幻杨伟军等， 土木 工程结构可靠度理 论与设 计， 人民 交 通出 版社，19 9 9 [ 3 1沈聚敏等，抗震工程学，中国建筑工业出社， 2 0 0 0 [ 4 1王光远等，工程结构与系统抗震优化设 计的实 用方法，中国建筑工业出社，1 9 9 9 . 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