系统论在建筑结构设计中的应用分析

２ 系统整体性在建筑结构设计中的应用
系 整 性是 统 的 要 核 原 。 统 ｂ， ： 个系 的 体 质或 系 论 首 和 心 则 系 论（８ 为 一 统 整 性 功 统 体 ， 认
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，
第十九届全国高层建筑结构学术会议论文
２０ 年 ０６
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 ‘
＜、广州容柏生建筑工程设计事务所，广州 ５０７； 、天 １ １１０ ２ 捧大学建筑工程学院，天津３０７１ ００２
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
邓孝祥，男，１７． ９７ ４出生，工学硕士
．０ ９ ９＂
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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。
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；（）由于作为梁翼缘板内 ２ 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
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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；（）混凝土在 ２ 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。
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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 解决 往事倍 加以 往 功半。 解 上 题， 为了 决 述问 文献‘提出 减小 异 ” 了以 差 变形和材料 耗 消
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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。 ‘ 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 理 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。 ３ 年来，国内外就结构一地基相互作用对结构地震反应的 近 ０ 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；（ ）改变了结构地震剪力的 Ｚ 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。（）由于填充墙具有较大的 ３ 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；（）由 ４ 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
入土一结构动力 相互作 用的影响。 文献‘分 将地基土 与上部结构作为 ” 析了 体 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
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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
支 这 实际 况 径 文献‘研究 ： 际 梁板 系中梁 楼板 互 座， 与 情 大相 庭。 ， 表明 实 上 体 ， 与 相 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， 应把梁、 而 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
沉降变形与三者刚度及荷载的关系表示为
［ ［，． Ｆ ＋ ， Ｋ ＫＪ卜Ｊ｝ＩＩ 小 ｓｔ ， Ｆ １ ｎ Ｊ伙 ］［ 分 为 基（土、 础 上 结 凝 于 底 刚 矩 、 ：、ｘ 别 地 桩 ）基 、 部 构 聚 基 的 度 阵 Ｗ基 的 降 形 量 仇｝饵｝别 上 结 ， 础 聚 基 的 载 量 ； 底 沉 变 向 ； ． 分 为 部 构基 凝 于 底 荷 向 。
直到２ 世纪上半叶， ０ 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 ３０ ０ 多年的时间 里极大地推动了科学的发展， 使人们对自 然
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