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目前網(wǎng)（殼）架及鋼結構中值得探討的問(wèn)題

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:32:03 [收藏]

    丁蕓孫 中國航空設計研究院



    2、網(wǎng)架規程認為計算公式是試驗回歸的結果，而網(wǎng)殼規程認為Φ500以上的球是理論分析的結果，是理論分析，還是試驗回歸，或半理論半試驗公式是否應明確定性，如果是試驗回歸，Φ500以上球試驗很少就不能將公式延伸至Φ900，如果是理論分析如何說(shuō)明沖剪破壞的機理，為什么同樣直徑的球在鋼管周長(cháng)的單位長(cháng)度沖剪強度當直徑Φ89與Φ500差到3倍，是不是復雜應力破壞，如何說(shuō)明沖剪強度與鋼管壁厚沒(méi)有關(guān)系，而在數量極少的試驗資料中Φ650的壓肋球試驗結果4000KN而按網(wǎng)殼規程驗算應可達4534KN，成熟的理論計算公式不應該在僅有個(gè)別試驗情況下都包絡(luò )不住。
    3、即使我們認為是成熟的理論公式是否也應對超大直徑球進(jìn)行了一定數量破壞試驗，以確保公式的科學(xué)性與可靠性。
    因此我們認為目前設計中采用超大直徑球時(shí)應慎重對待。
    二、鋼結構的圍護結構是否要乘以陣風(fēng)系數
    風(fēng)分為平均風(fēng)即穩定風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)，由于瞬時(shí)風(fēng)壓可能比平均風(fēng)壓高出甚多，因而要乘以風(fēng)壓脈動(dòng)的陣風(fēng)系數，陣風(fēng)系數各種規范不同，如我們將10分鐘平均風(fēng)速折算到瞬時(shí)風(fēng)速即要乘以1.5系數，折算為風(fēng)壓陣風(fēng)系數為（1.5）2＝2.25,目前我國規范陣風(fēng)系數為2左右.
    鋼結構在瞬時(shí)荷載下應力可提高，如地震規范規定在瞬時(shí)地震下根據結構的塑性程度鋼結構可考慮承載力抗震調正系數梁柱可用0.75，其含義即考慮塑性材料在瞬時(shí)荷載下應力的提高。對于玻璃幕墻圍護結構由于玻璃是脆性材料在瞬時(shí)下應力不允許提高，因此考慮陣風(fēng)系數是理所當然，但目前許多設計均將鋼結構的圍護結構乘以陣風(fēng)系數，即使設計未乘,審查單位也會(huì )要求加上，鋼結構圍護結構是否要乘陣風(fēng)系數，乘了后有何后果很值得探討，如果塑性的鋼結構圍護結構考慮陣風(fēng)系數，那么脆性的玻璃幕墻陣風(fēng)系數要不要再加大，現在大臺風(fēng)下均是圍護結構掀起破壞，大部分是連接不強，很少主體結構倒塌，如果鋼結構的圍護結構加強了2倍多，會(huì )不會(huì )大臺風(fēng)下圍護結構挺住了而主體結構倒塌。
    三、規范規定基本自振周期下大于0.25S 的工程結構如房屋屋蓋及各種高聳結構均應考慮順風(fēng)向風(fēng)振影響。風(fēng)力一般有順風(fēng)力、橫向力及扭力矩，對稱(chēng)結構雖然旋渦有不對稱(chēng)存在但橫向風(fēng)及風(fēng)扭力矩影響很小可忽略，順風(fēng)效應將是主要作用，現在風(fēng)振即是順風(fēng)向。脈動(dòng)風(fēng)屬于隨機動(dòng)力特性，對于剛度較小風(fēng)力下變形較大的結構在脈搏動(dòng)風(fēng)情況下會(huì )引起某種程度的共振，引起風(fēng)振，一般高聳建筑即會(huì )風(fēng)振，對于剛性建筑則不會(huì )引起風(fēng)振，絕對剛性的建筑是不存在的，只能是風(fēng)振影響小可不考慮。
    過(guò)去的經(jīng)驗是高寬比小于1.5的結構即不考慮風(fēng)振，現規范以T?0.25S為判斷，不少屋蓋結構都要考慮風(fēng)振。規范風(fēng)振公式都僅適用于高聳建筑，風(fēng)振計算又較復雜，也無(wú)統一算法，一般設計單位都難以計算，而審查單位又往往根據規范一定要設計提供風(fēng)振計算，使設計單位非常為難，因此目前迫切希望規范能提供一些具體規定跨度超過(guò)多少，高寬比大于1.5的才要計算，另外也可以總結目前計算結果提出算法，如一般屋蓋計算的最大風(fēng)振系數約為1.4，風(fēng)振系數分布對四邊支承結構為鍋底形，三面支承結構為菠箕形，固定柱支承附近風(fēng)是振不起來(lái)的。
    四、目前我們的計算均是“滿(mǎn)應力優(yōu)化設計”，因此有的相鄰桿截面大小相差較大，現有規定認為這不利于塑性重分布，因此要求相鄰截面之差限制在1-2級規格，這樣給設計帶來(lái)了“為難”如按此要求所有的設計程序計算后均需進(jìn)行人工調正，設計工作量大為增加難以實(shí)行，是否有此必要也值得探討。我們分析內力塑性重分布是有一定規律的，基本根據載面大小來(lái)分布，如在一條力線(xiàn)上如果斷了一根桿，力就難以分配到前后桿，只能分配給左右桿，一般與力線(xiàn)平行的左右桿其截面不可能相差很大，這樣斷桿的力分到左右桿。根據Mero規程，當一根桿已斷內力重分布時(shí)已屬于體系可靠性，其安全度達到K=1.0即可，而斷的桿件通過(guò)橫向桿傳到左右桿，雖然橫向斷面與主桿可能相差較大，但短距離傳到左右桿還是能保證的，因此不需要因塑性重分布將相鄰桿均加大到只差1-2級。
    前一階段由于美國哈特福特109.7×91.4m網(wǎng)架倒塌，雖然查明倒塌原因是支撐布置不當，腹桿失穩，支撐偏心，但國內外仍有人提到網(wǎng)架會(huì )“漸進(jìn)破壞”“多米諾效應”即一根桿失穩會(huì )引起連鎖反應逐步失穩倒塌，國內還有試驗驗證了一根桿破壞連續引起其它桿破壞而倒塌，但我們認為這是由于試驗受條件限制，即安全度均用加大荷載來(lái)表達，實(shí)際上安全度是包括材料的勻質(zhì)，計算的準確性及其它因素，從失效概念來(lái)分析，即一根桿斷后，第二桿斷的安全度可降低，因為極端不利條件使第一根桿斷裂，而第二根桿就不可能那么巧又碰上同樣極端不利條件，根據mero規程第二根斷裂時(shí)安全度可降低1.8倍，那么第二根桿壞時(shí)試驗荷載應降低1.8倍才對，而現在試驗并不是這樣做的，而是繼續在試驗荷載不變下，當然第二根桿就連續斷裂而連鎖破壞，這不符合真實(shí)情況，上述觀(guān)點(diǎn)也可由國外用正確方法做試驗的結果來(lái)證實(shí)，如英國cheddet國家塔試驗站20.4×18M網(wǎng)架足尺試驗，加荷載到206%下弦桿屈服及斷裂，但立即卸荷后再加荷到137%才有其它桿件破壞。實(shí)踐也證明幾千個(gè)“優(yōu)化滿(mǎn)應力”設計的工程并沒(méi)有因這個(gè)原因而倒塌。
    當然也有觀(guān)點(diǎn)認為二根桿斷面相差大可能會(huì )造成與節點(diǎn)假定鉸接出入增大，其實(shí)這個(gè)假定不符合實(shí)際是客觀(guān)存在，即使二根桿斷面一樣也存在，這是次應力問(wèn)題，主要取決于桿件長(cháng)度L與桿件截面高h之比，橋涵規范早規定即L/h不考慮次應力，鋼結構一般也按此原則。
    五、門(mén)式剛架規程CESS.102：2002經(jīng)過(guò)修改采用了歐洲規范ENV1993-1-31996計算風(fēng)向上吸力下檁條下翼緣失穩，該公式是考慮蒙皮效應對檁條受扭的約束，蒙皮效應是客觀(guān)存在的，據國外資料介紹蒙皮作用可提高網(wǎng)架上弦承載力10%，下弦腹桿6%，對門(mén)式剛架會(huì )有更大的提高，但門(mén)式剛架規程提出“由于有關(guān)屋面板抗剪性能和板與構件螺拴連接性能資料尚不充分，目前不宜考慮應力蒙皮作用”，但在檁條的失穩中，例外的考慮蒙皮效應，所以有工程誤用于屋蓋上以屋面板代替支撐因而加固。
    綜上所述考慮蒙皮是有利的，但門(mén)式剛架規程考慮蒙皮效應的計算檁條結果反而比沒(méi)有考慮蒙皮效應的冷彎薄壁型型鋼設計規程GB50018-2002反而保守顯然不合理。

    門(mén)式剛架K高于冷彎薄壁是不合理的，而且計算公式的復雜性也超過(guò)冷彎薄壁，因此建議不用，我們建議采用澳大利亞規范AS/N25 4600：1996考慮了蒙皮效應結果也非常合理，計算公式計算不繁雜，但可惜澳洲規范不普遍，目前現實(shí)的可采用BHP來(lái)實(shí)公司檁條設計手冊，手冊承載力以W01 表達其中0即表示風(fēng)向上吸力時(shí)，1表示加一根撐桿，二根撐桿即W02 ，根據跨度及斷面即可查出檁條單位長(cháng)度的承載力
    q，來(lái)實(shí)手冊考慮了蒙皮效應，并立足于大批試驗，與澳大利亞規范計算結果計算接近，但采用中要注意設計手冊中設計荷載要打0.9折采用才安全，這是由于澳大利亞規范與我國規范有出入，我國鋼材設計強度比標準強度低，抗力系數打了0.9折，而澳大利亞是設計強度即是標準強度，所以算出的設計荷載偏高，但澳大利亞的荷載分項系數卻比我們的高，靜載為1.4，活載1.6我國只為1.2，1.4。
    六、網(wǎng)殼規程中規定網(wǎng)殼撓度控制在 并且是黑體字，我國規范大部分是強制性條文多達15萬(wàn)條。只好又取“黑體字”一般條文違反只要不造成后果就不懲罰，而黑體字只要違反即給懲罰，因此設計必須遵守，有工程較扁平的雙層網(wǎng)殼撓度總也控制不住 ,只好請專(zhuān)家開(kāi)會(huì )制定網(wǎng)殼按網(wǎng)架控制，單層網(wǎng)殼按 是正確的，因為單層網(wǎng)殼穩定中假定初始缺陷為 ,變形對穩定非常敏感，變形大穩定公式即控制不住，雙層網(wǎng)殼變形并不敏感，希望適當放寬。
    七、網(wǎng)殼規程規定單層網(wǎng)殼一定要剛性節點(diǎn)并且也是黑體字，從國外情況單層螺栓球網(wǎng)殼用到36M的很多，但矢高均≈1/5 Dusseblofs大學(xué)36m單層網(wǎng)殼，個(gè)別也有50m的。國內單層螺栓球網(wǎng)殼也用得不少接近30m，現有些標志性建筑跨度不大20m左右，矢高比＞1/5是否出可適當放寬用螺栓球。
    八、過(guò)去焊縫等級規范未作規定，全由設計決定。有的設計一律要求Ⅰ級焊縫反而抓不住重點(diǎn)，現鋼結構規范作了規定，這是方便設計的好事，但規范規定受拉拼接對接焊可以采用Ⅱ級焊縫值得探討，過(guò)去我們對受拉對接焊均采用Ⅰ級，因為受拉焊縫對缺陷的敏感超過(guò)受壓而對接焊均限制加厚、加厚會(huì )引起熱應力，受拉對接焊一般靠清根、熔合，焊透及焊縫強度比母材大5-10%來(lái)保證等強，有的為了美觀(guān)要求焊縫打平保證等強更為困難，因此設計對受拉對接焊縫不放心，有的還用外加強板加強，而現規定為Ⅱ級，設計會(huì )更不放心，因為Ⅰ級，焊縫100%超聲波探傷而Ⅱ級僅為20%怎能放心，據了解可能規范由Ⅰ級改為Ⅱ級也是不得已，因為工地反映Ⅰ級達不到。我們在現場(chǎng)也經(jīng)常遇到達不到Ⅰ級標準，國為Ⅰ級焊縫要求超聲波Ⅱ級其氣孔夾渣達不到要求，但我們不采取降低焊縫等級的辦法，而是將超聲波Ⅱ級，氣孔夾渣標準降為Ⅲ級即解決了問(wèn)題，我們考慮超聲波探傷標準原采用于高壓容器，為了防止高壓氣孔要求十分嚴格，現焊縫超標準后鏟掉重焊，其危害性超過(guò)氣孔，氣孔危害對靜載并不大，如單獨氣孔反而對微裂紋的擴展起阻擋作用有利而無(wú)害，因此我們不宜將Ⅰ級降為Ⅱ級，目前“網(wǎng)架超聲波探傷及質(zhì)量分級法”，正在修訂，希望能將氣孔加以放寬，當然超聲波判斷氣孔與夾渣尚有困難，但一般還可盡量區分，其實(shí)夾渣的危害也不是很?chē)乐?，我們曾將夾渣達12-29%試驗，均壞在母材，而相對未焊透20%可降低強度50%以上，所以我們建議受拉對接焊縫要求Ⅰ級，但對氣孔夾渣適當放寬。
    九、目前鋼結構規范要求焊接的承重結構鋼材必須有冷彎試驗，并為黑體字，但鋼管生產(chǎn)廠(chǎng)所依循的國標GB/T8162-1999“結構用無(wú)縫鋼管”和GB/T13793-92“直縫焊接鋼管”，均不要求冷彎，僅為壓扁試驗，設計的國標與鋼管生產(chǎn)的國標二者要求矛盾，我們現在只好理解，鋼結構規范所提比較籠統，鋼管有具體情況，焊接鋼管的鋼板已經(jīng)冷彎，無(wú)縫鋼管材料及加工質(zhì)量均比較好，壓扁可代替冷彎，但這個(gè)理解至今未得到規范組解釋。
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