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[力学架构] No.3力学架构概念设计方法

    概念设计一般是指不经数值计算,尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中,依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、材料性能、制作水平技术、结构破坏机理、试验现象所获得的基本设计原则和设计思想,从整体的角度来确定力学架构的体系和细部措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法,可以有效地对结构体系进行构思、比较与选择,易于手算。所得方案往往概念清晰、定性正确,避免后期一些不必要的繁琐运算,具有较好的的省时省力的可靠性能。

1.结构效率目标准则

一般设计模型时,应牢牢把握住外荷载(动载、静载),传力尽量直接!直接传力会导致整个结构的效率提高,并且构件也会相应的减少,质量也会较轻,所以这是选型必备的功夫之一。

2.优化结构体系方法

参加该次比赛的大部分是大一大二的学生,力学功底上可能稍微欠缺,这里提供一种方法——力流法,将力看作是流水,而杆件看成河床,以最大流/最短路的方式进行设计。其次,为了优化达到效果结构高效的方式,尽量让构件受拉压,尽量化弯为剪,充分利用竹皮材料的力学特性,虽然这样可能达不到精准的计算,但至少能大概初步的估算和把控结果。

3.制作与装配效率准则

要考虑制作难度,构件太多势必节点的控制难度加大,并且模型越是复杂,可能和电算/手算结果的偏差就更大,在设计时候,尽量简单合理有效为佳

    概念设计的学习是展现先进设计思想的关键,参赛选手的主要任务就是在特定的要求空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计,并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。
    大部分参赛选手在计算机结构程序设计高度发达的时代,对计算机结果明显不合理、甚至错误则不能及时发现,并孤立课本概念和知识,更谈不上设计成果的不断创新,将严重变成普通手工比赛。因此要强调概念设计的重要性。


    现行的结构设计理论与计算方法存在许多缺陷或不可计算性,构件内力计算是基于等效弹性理论的计算方法,而截面设计却是基于塑性理论的极限状态设计方法,这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态差之甚远,为了弥补这类计算理论的缺陷,或者实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,都需要概念设计与结构措施来满足结构设计的目的。


    同时计算机结果的高精度特点,往往给参赛人员带来对结构工作性能的误解,参赛选手需要参加比赛来加强结构概念的培养,才能比较客观、真实地理解结构的工作性能

    另一方面,随着社会经济的发展和人们生活水平的提高,对建筑与结构设计也提出了更高的要求。发展先进计算理论,加强计算机的应用,加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用, 使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。其中,打破建筑结构设计中的墨守成规,充分发挥结构工程师的创新能力,是相当必要的。这则需要工程界和教育界进行共同的努力。因此推广概念设计思想是一种有效的办法,也是举办力学架构竞赛的重要意义之一。

    概念设计方法中,不论结构如何千变万化,其主要的作用是将结构的承受的荷载传递到地面上去。在概念设计阶段,应清晰内力的传递路径,并保证传递过程,每一根构件的截面有足够的强度。

    力学架构的结构设计是根据设计者的要求,按照参赛选手的力学概念,根据承载力、刚度、稳定性等各个方面进行计算和优化,比赛的最大目标是重量轻,承载大也就是荷质比达到最大为最佳的设计。原则上,力学架构的设计应与工程实际法则对应,“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”,但实际上,为了满足比赛最省材料的规则中,设计应满足的是“全体构件同时极限破坏”,此时应为选定结构体系下最省材料的做法,但由于有做工误差,因此建议 “加强关键构件”的设计调整内力,或者利用构造措施加强关键构件的承载力。

    在内力传递的过程中,有以下几条原则可以作为结构内力的定性分析进行应用:

(1)构件受力传递最短原则,即“就近不就远”原则,该原则与力流法、电流分析方法类似,如下图(a)所示,若是按下面计算模型假定,且各杆件刚度相同量级,则斜杆的受力会较大,而外包的右侧横杆和竖杆受力较小。由于竹皮材料的特性,因此尽量有条件的制作成轴向拉压代替受弯为最佳,如图(b)、(c)所示,(b)受力明显比(c)更为直接,而且受力效率更好,在有条件的情况下,尽量制作成拉压式的,在没有条件情况,那么尽量转换或者加强。

图  受力分析

(2) 分清结构主体部分和附属部分,一般结构在理论受力上仅仅需要主体部分即可将荷载导向地面,而附属部分,可以是加强结构或者构造措施,分清结构的主体和附属部分对概念设计有非常重要的意义。

(3) 结构承载力的下限定理原则,若荷载作用下在结构中可以任意找到一个受力路线,而将该路线以外的材料想象地去除掉后,仍能和外荷载保持平衡,且沿该路线上的材料应力都不超过强度极限,则可以断定原结构必不会破坏,而且真正的承载能力必不小于该路线体系的承载能力。

(4) 刚度大者受力多的原则,当有两个以上的构件共同传力荷载直接作用或某一构件传递来的内力时,则刚度大的构件传递的内力更大。

    最后分享一段加州大学伯克利分校 威尔逊教授说过的话:

除非你完全理解了程序采用的理论和近似的方法,否则绝不使用任何一个结构分析程序,在没有清楚地定义荷载、材料属性以及边界条件之前,不要创建计算机模型。

结构工程是这样的一种艺术:
使用材料
这些材料属性只能估算
建立真实的结构
这些真实的结构只能近似分析
来承受外力
这些力不能准确得知
以满足我们对公众安全职责的要求

——爱德华·L·威尔逊[美]

力学架构是一个体现 土建类学生 理论与实践

完美结合的竞赛。

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