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关于构件尺度的概念
idarc






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帖子 267
2002-1-14 15:56    顶部


工程设计中我们习惯使用比例尺,按比例的概念在头脑中印象很深刻。但这个比例只在某个范围内有效,否则会出错。

  

现在设想一个问题:如果想把埃菲尔铁塔按一固定的比例放大,还能建造成功吗?

  

答案是否定的。

  

可是为什么呢?

  

举一个例子来加深对结构尺度影响的概念。考虑一简支梁在自重作用下的情况,若将此梁各个方向(高、宽和跨度)的尺寸放大10倍,再比较一下两根梁的内力和变形。

  

结果是:梁放大10倍后截面剪力增大到1000倍,而抗剪能力只增大为100倍;截面弯矩增大10000倍,而抗弯承载力只增大1000倍。

  

请各位朋友思考这些结果如何计算的。

  

这意味着 必须将材料强度提高10倍,才能满足承载力要求,但要将材料强度提高10倍,谈何容易!如果不改变材料品种,简直是不可能的任务!另外,挠度方面矛盾更为突出,梁放大10倍后,挠度将达100倍,刚度明显不够。可见,再结构设计中截面高度的选择必须考虑结构尺度的影响,对于跨度较大的梁截面应偏高一些。教材和规范上给出的梁高和梁跨比例只在常用的跨度范围内才适用,超过这个范围就不对了。

  

结构尺度的变化将改变结构内部作用效应和抗力的比例,从而改变结构的受力状态,这一点设计者必须注意。可见,随着结构尺度的变化,重要的是选择与其适应的合理的结构形式。
colt 修改于2009-05-27 14:59
ccc






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帖子 327
2002-1-19 22:45    顶部


德国有个大跨度的梁,高5000,宽180。不知怎么考虑结构概念?
jgsys






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帖子 510
2002-1-21 12:46    QQ 顶部


巨型尺寸当然要有合适的高强材料配合。要用人类现有的材料作一些巨型结构,也不是无法实现,这就要借助结构概念。比如楼上二位所说的巨型梁,不必按普通的实心梁来考虑,为什么不可以做成空心的箱形结构?!
此外,楼上说梁宽180,有没有搞错?这是梁还是墙?平面外的稳定如何考虑?
ccc






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帖子 327
2002-1-22 21:57    顶部


绝对不错,而且还是混凝土实心的!就是因为这个,我才拿来问大家。院士讲座说的,从德国回来的见闻。还有图片(我没有)。记得是飞机场的仓库,巨大跨度的梁,就像细高的檩条一样,或者就是钢结构之中的加劲肋的概念?
  
混凝土梁,高宽比28:1。
hhh






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帖子 1601
2002-2-8 15:44    顶部


记得清华高立人曾做过预制的预应力薄腹T形梁,高宽比似乎是十七八的样子.
  
我国规范规定普通梁高宽比宜<4,但深梁可达25,如此悬殊,总有个过渡的区间吧,规范还是粗了些.
  
但无论如何,高宽比28还是恐怖了点,我想还是有其相应的特殊处理.
jason






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帖子 17
2002-3-1 18:52    顶部


我想高跨比如此之大的梁绝对不能单独使用,它的侧面必然有相当多的支撑或次梁之类的东西来保证平面外的稳定。但为了使用这么个家伙而配备了那么多的辅助构件,其经济性能保证吗?
伊新富






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帖子 263
2002-3-16 13:35    QQ 顶部


是呀,高宽比这么大,受力状态完全不同于梁了,应该是墙的受力和构造了。
wulijun






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帖子 107
2002-4-26 19:23    顶部


好像一点新意都没有,根据相似原理,就可以知道该怎么放大呢.
net






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帖子 10
2002-4-30 21:21    顶部


推荐大家没事的时候可以和duke university的PROFESSOR HENRY PETROSKI聊聊这个问题,此人还是乐于聊专业问题的
yhy_yun






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帖子 45
2002-5-3 16:30    顶部


此梁的平面外稳定,应该是有过特殊处理吧?
峒峒






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帖子 686
2002-5-7 21:09    QQ 顶部


看似神秘,可能没那么难吧!我猜猜看:
采用H型钢做成桁架!强轴放在平面外,两侧配钢筋网,钢筋与H钢腹杆连接(焊死)平面内采用高强混凝土填充,桁架顶设水平支撑,中间和底部也要设一些!这种结构在机库里只能是做屋盖,顶上如果是轻型封闭,跨度估计在70m以上。
还有可能是预应力技术!这几年国外的预应力水平又提高了很多!
谁还有想法也可以说说啊!我们设计不了,难道还想不出来了吗!
如果真想不出来,就太悲哀了!
sepcixia






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帖子 20
2002-5-13 21:52    QQ 顶部


这是什么结构,只能讲座的时候侃侃。让大家长长见识罢了。但是没几个明白的吧,180mm厚挡墙还嫌太薄了!
yangye






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帖子 23
2002-5-15 08:44    QQ 顶部


不要受国内规范或我们自己几有所学知识的限制,其实有些东西通过正确的计算、合理的是试验之后,是可以做出来的。要不你要不知创新的话,就永远停留在原来的水平,怎么可能进步呢。所以要去做,只要成功了,这一切不就都在实际工程可以应用了么。呵呵!!
hhh






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帖子 1601
2002-6-27 12:07    顶部


ccc wrote:德国有个大跨度的梁,高5000,宽180。不知怎么考虑结构概念?

德国建造有89m跨的预应力T形板梁单层大跨结构,梁高5.5m,截面厚度仅为180mm.
---------------摘自吕志涛<<现代预应力设计>>
请熟悉预应力的朋友谈谈此梁的稳定问题.
makergege






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帖子 16
2002-7-2 21:58    顶部


应设置有横隔板吧。
eminetmorey






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帖子 72
2002-8-13 19:18    顶部


如果进行结构设计时综合考虑了各种影响因素,文中所提的尺度问题时是可避免的。因为我们进行结构构件设计时,必然首先选定构件截面尺寸,而这就要利用前人及自己的工程经验,里面已经包含了对实用性及经济性等许多因素。
丁典






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帖子 13
2002-8-18 20:51    顶部


idarc兄的这个话题出的真好,这个问题我也是近半年才深刻的意识到。我以为这个问题说穿了是结构设计上的一个整体缩放问题,从这个意义上讲这类问题很具代表性。比如:为什么性能很好的钢材造的房屋在美国和日本地震中如此差强人易。原因很简单,构件材料是好的,不好的连接形式却使其不能充分发挥能力。对结构的认识必须全面,否则,结果会出人意料。当然,这需要经验的积累和勤于思考。
闲云野鹤






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帖子 104
2002-9-26 17:20    顶部


还是说说那个可怕的梁,180,太小了。不过如果在梁的两个侧面设置预应力,是否可以防止平面外失稳。失稳无非是侧面产生了拉应力吗。随便说说,见笑!见笑!
liujianmin






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帖子 55
2002-9-29 16:46    顶部


是不是梁上部的结构比梁更结实,是一个实体结构,进而可以将梁看成是上部结构的一个加劲肋,而且与次梁交织在一起形成了网格,而实际上是一个空间结构的一部分,我们能不能不单独的讨论这个梁而把它放在整个结构体系中来讨论,请大家别笑话,管见!
半支烟






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帖子 227
2003-4-21 20:21    顶部


关于这个问题,伽利略早在1638年就发现了这个被称为“平方立方关系”的定律。这就限制了构成任何物体(包含生物体)的合理结构可以“依葫芦画瓢”按照某一特定比例无限制地放大。因此一只蚂蚁决不可能长成大象那样大小。伽利略曾经推测动物的体积(重量)如果放大3倍,它的骨骼应该是个什么样子。如果只是简单地将骨骼放大3倍,那么此时的骨骼根本无法支承起放大后动物的重量,否则就势必要改变骨骼的比例才有可能实现。此定律我们可以从分析大小个头的动物骨骼比例得以证实。
下面的附图是长臂猿与大猩猩的骨骼比较示意。之所以举此例子,是因为自然的结构具有非常巧妙的合理性。

半支烟






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帖子 227
2003-4-30 20:27    顶部


实际上,这个问题就是分形几何中的标度问题。
分形是事物在不同尺度下所表现出的相似性。这种相似性不同的尺度下是不同的。使得这种相似性存在的尺度区域,称之为标度域;最能体现这种相似性的标度,为特征标度。离开这个标度域,相似性便不存在了。在这个问题上,就体现为所谓的尺度效应。
我们知道,在我们测定混凝土(或水泥)的抗压强度的立方体试块的标准尺寸为150*150*150mm。另外,还有两种非标准试块,尺寸为200*200*200mm和100*100*100mm;在测定其抗压强度后,试验值要分别乘以1.05和0.95进行修正,就是因为这个尺度效应。
有一个非常有趣的例子,就是关于宇宙的尺度,从数量级上来分析,有一组令人深思的数据,10E10个原子排列起来等于一个人的高度,10E10个人的高度等于一个星体的直径,10E10个星体的直径等于一个星系的直径;宇宙的寿命是10E10年,这一组数据似乎在揭示着宇宙和人的内在关系。(请见附图)
半支烟






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帖子 227
2003-4-30 20:30    顶部


对不起,刚才附图没有挂上。下面内容是接着上一个帖子的:
德国哲学家康德(I. Kant)曾说过,人给自然立法。康德的意思是说。自然就是自然,自然的本质是自在之物,处于本体世界,人类永远无法抵达。我们所能进入的是现象界,在现象界我们以自己的观念理解自然,用我们主观的尺度衡量世界,是我们给自然立法,而不是自然给人立法。这种想法容易遭到曲解为唯心主义,以为否定了规律的客观性。实际上康德的用意在于高度赞扬人类的理性,让人们充分发挥自己的主观能动性。“人给自然立法”同时暗示了我们所发现的所谓“规律”都是暂时的,都是可以突破的,我们是带着眼镜看世界的,换一副眼镜,也许就看到不同的世界。

半支烟






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帖子 227
2003-5-1 21:43    顶部


      当我们试图定量地描述自然现象时,往往要建立数学模型,然后求解,获得定量结果。在整个过程中把握客体的特征尺寸是关键的。一个好的模型,常常涉及三个层次。
    首先是指特征尺寸决定的基本层次;
    其次是更大尺度环境的作用,采用平均场的方法;
    再次是更小尺度的相互作用,常常涉及物质运动的微观图象。
    总之,把握好特征标度,问题得到解决的可能性就增大了。
    例如宇宙存在的尺度是10E30m,太阳系是10E10m,原子是10E-10m,地球生物界的尺度在10E-6~10E2m之间,这些都是其特征标度,每种客观实体都有其独到的特征标度。
    无标度域指明自相似性存在的尺度范围。
    例如云彩的边界具有分形性质的范围是1~1000km,小于1 km,其投影受地形地貌影响,大于1000 km,投影后的形状又受到地球曲率的影响。经过仔细的测量和研究发现,云彩的分形维数Df=1.35。
    分形性质(自相似性质)只存在于无标度域内。
半支烟






积分 538
帖子 227
2003-5-1 21:48    顶部


      在建(构)筑物的结构组成中,也存在一定程度的分形现象。只是它们的分形层次较少,不易被人觉察而已。建筑结构中的分形在钢结构的表现较为明显。如连续构件的格构化就是结构分形的现象之一。从此角度出发,桁架完全可以视为格构化的,由拉、压杆按照三角形法则构成的梁、柱构件。在实际工程中,不仅梁、柱、拱能够格构化成桁架、格构式柱、格构式刚架和格构式拱,板与壳也能格构化成平板型网架、折板型网架、筒网架、球网架、扭网壳等结构。杆件结构的最新、最杰出的发展是悬索结构、索杆结构,还有帐篷结构中的骨架――索网。
    我们常见的竹子茎都是中空有节的,自重轻,强度大,稳定性好,方便往上长争取阳光,能抗御风雨的袭击,它的直径与高度的平均细长比达1∶200,这是它在漫长岁月与大自然竞争进化达到如此的神功。这不能不使建筑师和结构师们感到惊讶!近期世界各国高楼大厦如雨后春笋竞相建造,而多数采用筒体结构,筒内布置电梯和楼梯,这都是得益于竹子的启迪。例如德国慕尼黑巴伐利亚发动机公司大楼是用4个圆筒捆绑在一起,筒内布置电梯楼梯的22层大厦。美国芝加哥希尔斯由9个75×75英尺的方筒组合在一起110层442m高的摩天大厦,这都是建筑仿生的产物。然而如果我们在较小的尺度下观察,可以发现,中空化柱子的实体部分仍具有再度中空和纤维化的分形现象。不论该种结构如何复杂和精巧,其中空化的程度都是受一定标度的限制。竹子般筒体结构概念的形成大体遵循下列路线:
  
    实体结构 → 中空的厚壁结构 → 中空的薄壁结构 → 筒体结构
  
    在此结构的形成路线中,由于结构的材料外移,使得结构的整体稳定性越来越好,材料的受力性能的潜力发挥越来越充分;但是结构局部稳定性也随之向越来越差的方向发展。结构整体承载能力逐步由其整体稳定性控制向局部稳定性移交。为了解决局部稳定性问题,我们便要对其薄壁再实行中空化,增加其稳定性和材料性能潜力的发挥,最终形成上述筒体结构。这其中不乏潜意识地运用了分形的数学思想,同时注意到了标度的限制。

半支烟






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帖子 227
2003-5-6 00:38    顶部


不仅结构整体中存在分形和标度现象,在力流传递概念中也有该思想的运用。普通的建筑结构中,荷载由屋面 → 檩条 → 次梁 → 主梁 → 柱 → 基础 → 地基的逐步传递中,力流由分而合,由小而大逐渐汇集;恰似山巅积雪融化后,先涓涓而细流,再小溪成支流,而江河入大海。
与之思路相悖,悬索结构中的缆索的组成是由大束 → 中束 → 小束 → 钢丝逐步分化的。如此结构不仅解决了结构力流在构件的分散分担问题,更重要的是解决了缆索在制造和安装工艺中一系列其他的问题,将构件的初始缺陷分散减小,同时也增加了缆索的韧度,使实际工程与结构模型达到了理论上的一致。这都是分形。

半支烟






积分 538
帖子 227
2003-5-6 00:44    顶部


建筑结构的标度
不论建筑结构中各种结构型式如何变化万千,它们也都有其比较适宜的适用范围。就连一般的构件,甚至结构实验中的试件也不例外。其实验值也受到试件尺寸大小和比例的影响,这也是结构的标度性所在。此外,其标度性还体现在结构或构件格构化的程度(或层次)上。  
对于建筑结构型式来说,也和各种生物一样。不同的生物的特征标度和标度域不同,那么不同的建筑结构型式有着其适用范围。根据上述伽利略的“平方立方关系”定律,对任何一种建筑结构型式来说,都必然存在最大标度限制。这个最大标度和所采用的建筑结构型式和建筑材料有关。最小标度与人的尺度和需要直接联系,这是因为任何建筑物都是人类为了自己特定需要而建造,首先必须要满足自己的需要,同时也要受到人体本身尺度的影响。某种建筑结构型式的特征标度一般是由其使用功能所决定的。
  
比如对通常荷载情形下,空间网架结构虽然应用的跨度很大,但也必然有其一定的适用范围。(如图)

xmlzb0112






积分 8
帖子 8
2004-1-5 16:52    顶部


idarc前辈,您是不是计老师?
g9658888






积分 63
帖子 54
2004-3-7 22:23    顶部


简支梁的受压部分(梁上部)的侧向稳定由板保证。受拉部分(梁下部)不易失稳。如果再加上予应力,就象绷紧的橡皮筋一样,它所处的长度最小的位置是最稳定的位置,偏离此位置后自身产生回复力,所以不会失稳(予应力合适的话,应该可以做到这一点)。------------找解释。
baby-ren






积分 129
帖子 130
2004-3-27 15:26    QQ 顶部


这还是梁么?他里面是怎么构造的大家都不知道,如果如同峒峒编辑所说的那样,不就是一个屋架外包上了混凝土么.按照我的理解在我国的现行规范中没有合适的模型去理解他,我觉得通过对其进行有限元的分析,在采用适当的构造措施是能够完全可以实现的.
当初听过一个德国人的讲座,讲到一些大型的托梁,比这个还要大,不过高宽比没有这么大.
waterman






积分 40
帖子 32
2004-10-16 16:16    顶部


请教:半支烟兄
您所谈到的分形和标度等概念在什么样的地方还能找到叙述,
本人因为这个概念很缺乏,想多接触一些,请指教!:)
  
试想::)一支铅笔可以竖直地放在地面上,半径为r,高度为h,密度为pou,
则基底平均压应力为 (pi*r*r)*h*pou*9.8 / (pi*r*r) =h*pou*9.8
在这样的结构中,尺度概念在计算基底应力时消失。
可以认为:
对于结构尺寸线性变化情况下,结构效应也为线性变化时,尺度效应消失。
而对于idarc兄在开篇举例中的结构效应(剪力和弯矩)并非线性变化,所以需要考虑这种概念。
 


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