结构设计杂谈-第2章
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1） 结构的空间几何特性是与具体材料无关的，是一个结构中最本质的东西。从这个意义上说，几何学是结构设计的理论基础。几何学是一个很特别的学科，既是数学的重要分支，又属于物理，是一个非常有趣的领域。当然，我们研究结构中这种特殊的几何学，是可以用某些特殊的方法，比如说物理方法（例如能量原理，虚功原理）。或者说数学方法，例如微分方程，矩阵或线性代数。或者是两种方法的结合。一个简单的例子，一个真正高效结构形式，例如H型断面，可以用钢材做，也可以用混凝土或预应力砼等。在分析中任何时候都可以把弹模剥出来只保留和结构几何特性有关的量。所以几何学，数学和物理学才是结构设计的真正的基础，而不是规范本身。规范本身是一个不断发展演化的简化算法，代表了我们对常规的构件设计的理解，可以将其看作工具，而决不应当作圣经。当然，对规范的来历必须清楚。（几个材料来源：首先是TY的《结构概念和体系》最好能找到它的英文版本，其中最关心的就是结构的整体空间形式以及整体系与分体系的相互空间几何关系。另外，TY的有关拱的作用的几篇文章和《预应力混凝土结构设计》中有关力线的分布等。二次曲面和拱的一些数学描述，梁的主应力迹线等。只有把握了结构的空间几何特性，才能进行真正意义上的结构优化设计。可以证明在单向受弯的构件使用H型断面是最经济的。圆管断面相对同等面积的其他形状断面对受压是最好的。但要注意一个简单的事实：结构最优化的几何形式常常也就是对缺陷最敏感的结构。
2） 整体…部分的协调关系，这是唯一一种能不依赖分析计算而只靠整体性的概念而对结构进行设计的方法。①对杆件的验算往往看不到杆件组成的整体。对构件的验算往往看不到构件各个部分组合成整体的假定。检验的条款没有逻辑上的层次，好象所有的都重要。②正确的设计方法是划分各个不同的逻辑抽象层次，然后从整体到局部进行考察，是整体对局部提出要求，而不是相反。③结构本身具有的一些性质是与具体荷载形式无关的。即为满足整体性的要求各个部分之间的比例关系。这种关系在一根具体的钢梁中能够发现，在一个宏观的建筑中也能发现，只不过是更加隐蔽而以。④我们现在最应该补的一课就是不通过荷载内力这套体系来设计结构，这是完全可行的。但是这种方法本身要求对结构的整体…局部关系要把握的非常好—这应该是一个结构工程师的第二项基本能力。（TY的书，或铁木辛科的弹性稳定理论，黑格耳的小逻辑，这部分是在所有的设计领域里带有共性的地方）
3） 将具体的抽象力学理论与概念用于各种各样不同的实际情况，能提升各种抽象层次。一般和个别，个性和共性的辨证关系是最重要的技能了。从具体构件提升抽象概念然后再将其用于范围更广泛的具体结构。结构设计的理论基础是力学，如何将力学学好，要参造ALEX STEPANOV的方法…从具体到抽象再到具体。首先，我们有最简化的静力学模型…两端简支梁。有两种最简单的静力学行为，梁的弯曲和弹性屈曲。由梁的弯曲我们得到了极重要的概念：刚度、曲率。板理论是梁理论的直接推广，壳理论是拱（两端约束的曲梁）的直接推广。梁可以做成格构式的，这就是桁架。如将板做类似的推广，就是网架。将壳做类似的推广，就是网壳。由梁屈曲的理论，我们知道影响梁弹性稳定最重要的因素是名义长细比，这一概念同样可推广到拱、板、壳上。动力分析的最简化模型是弹簧振子和单摆，这一概念也可推广到具有分布弯曲刚度的悬臂梁。从这些最简单的模型中我们可以得到关键的概念：刚度和质量的空间分布决定结构的振动特性，是内因。而能量输入是外因。刚度和质量可以是转动刚度和转动惯量，刚度和质量可以是广义的（例如刚度矩阵或瑞利法的广义刚度）。我们需要将最基本、最简单的这些力学概念研究透。研究透的最好方法并不是一直局限在这些模型中研究，而是总是用这些最简化模型中体现的概念去分析设计实际的宏观复杂结构，找出其共性。认识论 实践论
4） 结构工程师应该掌握和熟悉最常用的结构的几何形式极其分析方法，这里面我认为最重要的就是刚度的概念。对这些几何方式使用各种材料实现的优缺点有清楚的了解。因为很多时候的结构设计并不是重新发明了一个车轮，而是将不同的几何形式（抽象的）使用不同的材料与工艺进行了实现。创造力的源泉就在于抽象的几何形式与具体材料与工艺方法的结合（所谓的理论联系实际）。要表达清楚定性的分析最好辅以定量的手段，要表达抽象的概念最好辅以具体的例子。
结论：对结构设计者来说，需掌握抽象的几何概念，具有相应的物理直觉和数学能力（数学能力就是把简单的计算弄简单的能力，而不是相反）。在这个基础上能够自觉的运用整体…局部的辨证关系，这样这些抽象的几何概念就可以运用到大的一个建筑，小到一个构件和接点。在实际的设计工作中，重新发明轮子的机会很少，所以设计者应该掌握最常用的有效的结构体系（即结构的几何形式）在用何种材料和工艺实现上动脑筋。当然，某些特殊的材料和工艺形式会对结构的几何形式提出修正和反馈，这是可能的。传统的力学沿用了经典的分析方法，实用中我们必须学会相反的思考顺序。
结构分析中如何实现概念设计
目前可能使用高阶杆元和子结构的理论，同时能够较好的使用主从节点的功能，这是能最好的发挥杆元的灵活性和抽象代表性。
结构设计的三种泛式（或者说类型或者是模式）：①验算式设计。假定某种结构形式，定义好精确的荷载工况，借助软件进行重复的验算或者进行某种程度的优化。这是现在最常见的形式，某种意义上也是最有效的形式。②概念式设计。林大师的杰作。设计时的思路是将整体结构看作一个整体，然后按整体性假设对分层次的竖向和水平分体系提出要求，分体系存在的唯一意义就是要满足某种更宏观的作用。这种思路在具体构件和接点的设计中也可以使用。这种设计关注的重点是整体…部分的比例关系以及其几何特性。其更重视空间几何特性而不是抽象的数学运算，寻求在概念上解决最关键的问题。③预应力设计。在第二种设设计范型中，设计者认识到结构的空间特性的极端重要性，用力学的术语来说就是结构的刚度的组成方法。设计者通过寻求某种最有效的结构空间构成来达到某种最有效的空间刚度构成。使用预应力方法的设计者意识到刚度不仅是构件空间构成形式的函数而且也是构件内力的函数，即所谓的几何刚度。可以有意识的使用高强钢材并在构件体系中施加初始应力提供并利用这种刚度，例如拉索桁架和斜拉索桥。使用预应力的方法是一种主动设计，但应注意在钢结构和混凝土中的应用是不同的。预应力对混凝土的改性是本质的，可以将其视为弹性材料。但刚度还主要是由混凝土截面的几何刚度提供的。在索桁架中其整体刚度是由索的拉力提供的。在张弦梁或者张弦桁架中，具有张力的上下弦提供了附加的几何刚度？还是其仍然可看作是用原来的由截面计算出来的刚度。一个问题是：有没有某种通用的简化算法来估算内力对几何刚度的影响以及如何对整体的行为进行评估。
1）模型的简化工作通常都是结构工程师是在建模之前根据自己的经验和对结构概念的理解事先进行判断后进行的，是非常主观的一个经验性的过程。通常程序在这里没有办法帮助。如果设计者事先按某种情况作出一最复杂最逼真的三维空间模型，包括所有的构件和连接，然后将相应的构件分组，程序来考虑构件的刚度对总刚的影响，对总刚影响大的保留。或者加载后看能量的吸收，对能量吸收大的保留。最后的分析模型只保留最主要的结构分体系。这是进行分层次设计的一个关键。模型必须体现层次结构。如果不清楚层次结构，可以通过上面的方法进行判定（手工）。单元生死或者失效构件等等。
2）对分析结果的验证问题。在手算阶段，工程师通过一些简单而直关的方法对分析结果的正确性进行判定。在通用分析软件中应该使用某种更通用的方法来进行判断。对模型正确性和结果的验证应该成为结构软件的一个标准配置，但通常在这里都被大家忽视了。例如，可以通过能量的方法计算外界功是否等于总应变能，同时进行进行外界总荷载等于总支座反力，检查模型的几何问题（例如重复构件，重复节点）。模型的空间几何不变性，这应该是最为重要的一个检查。模型本身正确性的检查，分为约束、荷载与刚度（材料弹模与几何刚度的乘积）。一方面从模型本身的组成信息去检查，一方面从计算结果去检查，最好还能给工程师提供某种进行概念判断的框架。
3）高阶杆元，子结构，主从节点，能量守恒原理，瑞利法的综合使用是进行概念设计的目前最有利的武器。利用该方法可以实现所谓C＋＋中定义新类型的功能（一种新的超级杆元）。但使用的分析原理仍然是成熟的有限元的理论，就好象C＋＋仍然是使用的C内存模型。该方法在计算的效率上能否提高呢？应该能，根据计算的平方定律可有效的减少，而且和系统的嵌套程度有关。这样做的话，所造成的直接后果是所谓的精度的丢失，但用在设计中有可能是更好的结果。其最基本的参数就是几何尺寸的概念。
4）规范对任意的结构构件都规定了很多的检验条款，拿钢结构来说通常可包括强度、刚度与稳定。表面上看来，这些条款之间似乎没有联系，但是有经验的结构工程师能够发现针对常用构件这些条款的控制顺序。拿梁来说，经过简单的推导我们就可以得出结论：通常牌号的连续或简支梁如果满足某种跨高比（例如13对Q345或15对Q235）则可保证在满足强度的情况下挠度一定满足设计。如果是连续的Q235梁则可以肯定挠度肯定不会比强度控制设计。简支的钢梁通常做成组合的，所以一般也不会控制设计。在另一情况下，例如悬臂梁，无论是端部加集中荷载或整个的均布荷载，均需非常小心的验算其挠度。使用该方法可以得出挠度和强度“等稳”的设计。条款之间的内在联系也体现在其他方面，例如强度和稳定。强度和稳定通常没有上述如此紧密的联系。但对钢结构而言，通常可以断定稳定会控制设计。在设计实践中除非构件有比较大的截面空洞削弱导致静截面面积下降太多，否则强度不会比稳定控制设计的。可以根据结构的布置形式和构件的几何尺寸推出稳定不控制设计的几何要求，例如压杆控制长细比，压弯构件只有在整体模型中才能考察，主要是长细比和是否有侧移等。如果是无侧移的柱并能控制长细比，则可以保证柱的稳定不会比强度控制设计。在通常的钢结构设计校验中，查看应力即强度值再配合以结构的几何构
