结构之间的协同

3.1.7　结构之间的协同

由于空间格构结构绝大多数情况是用作屋盖结构，空间格构结构支承系统可以是基础、柱或其他结构体系，也就是说空间格构结构可以直接支承于地面上，也可以支承在结构系统上，独立柱不过是一个简单的结构系统。这里所谓的协同是指空间格构结构与支承系统的协同。另一种所谓的协同是指两种或多种不同类型的结构系统之间的协同。不论哪一种协同，首要的是搞清楚结构的传力路线，即搞清楚它们的协同关系。简单地讲，究竟是谁支承谁。搞清楚协同关系后，才能正确建模。所以问题又回到前面结构传力路线的设计上，作为一个被支承的空间格构结构在空间荷载的作用以及支承条件约束下，它可能对支承结构产生反力，在通常情况下，对大跨度结构总希望力以最简单的形式传递到下部支承结构中。这就是为什么反复建议希望结构组成一个自平衡系统，使得在复杂外荷载作用下，结构的水平力在结构内自己平衡掉，尽可能不作用到下部支承结构中，而只将竖向荷载作用于下部支承结构上，这样可以获得良好的效果。如果下部支承结构要承受上部结构传下来的水平力，毫无疑问这为支承结构设计带来难度。这里说明的是上下部支承与被支承结构之间的一种协同关系，尽可能减少上部结构对下部支承结构的不利作用。另一方面，这个协同关系还反映在下部结构对上部被支承结构的协同关系。同样，如果能减少或切断下部支承结构对上部被支承结构的影响，其中包括下部结构的变形和下部结构的作用力对上部结构的影响，那么，显然对上部结构的设计是有利的。所以，协同关系反映了一种结构哲学，设计者可以设计一条力的传递路线，也可以切断某些力的传递路线以达到最佳的协同关系。

然而还有问题的相反方面，有时结构的一部分需要另外部分支撑、加强，这时协同关系与上述的就相反了。

当梳理清楚结构与支承结构的协同关系以后，就可以进行建模分析。对于大跨度空间结构系统与支承结构之间的协同分析，可采取两种方法，一种是将下部支承结构的上部空间格构结构的约束刚度计算出来，把这个约束刚度作为上部结构的边界条件来进行分析。对于跨度越大的结构在远离约束边界部分的精度是可以得到保证的；相反，跨度越小的结构计算误差越大。采取这种办法分析的优点是简单，缺点是如支承结构也为复杂结构，那约束刚度很难确切地估计，但根据圣维南（Saint－Venant）原理，即使这部分约束值并不非常正确，但远离边界区的分析值还是能达到精度的。只是接近于支承区内力计算值会有些误差，一个实用办法是可以估算出支承结构的约束刚度系列，在这个约束刚度范围内，使空间格构结构的边缘部分的构件确保无虞。当然，支承刚度的估算与支承的构造有极大的关系。协同的另一种算法是将所有的结构一股脑儿的进行建模。其实这并不是很好的办法，因为看似正确，但往往支承体系中的设计参数是非常难以正确确定，支承结构中的荷载也是非常难以正确确定，如果设计时根本不让下部结构影响到上部，那么就没有必要这样分析，但如果非要这样整体分析，那么选定合适的参数成为关键。

在协同分析中，弹性效应是必须考虑的，同时，惯性效应也必须考虑，尤其当支承结构是一个质量很大的结构系统时，那么一旦发生地震，支承结构的惯性作用会对上部结构产生影响，这是在分析上部结构动力响应时就必须充分估计到惯性作用的协同。总之，协同关系的确定是首要的，然后才有协同分析方法和建模。而协同关系中，传力简捷、刚柔相济、刚柔相宜，应该说是为很多工程所证明的结构设计概念，复杂结构的简单化是一种设计境界。