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輕型鋼結構設計常見(jiàn)“誤區”的探討

作者:丁蕓孫    
時(shí)間:2011-11-18 16:55:42 [收藏]
本文對當前輕型鋼結構設計中常見(jiàn)“誤區”提出探討意見(jiàn),希望有些能在規范修改中考慮研究,內容包括風(fēng)載,抗震,穩定,支撐,鋼材,檁條等問(wèn)題。
    關(guān)鍵詞:輕鋼結構 設計 “誤區”

    一、規范的選擇
         1、《門(mén)架規程》不能與《普鋼規范》混用
    除了薄壁型鋼結構以外,重鋼與輕鋼區別并不大,不必糾纏。關(guān)于規范混用過(guò)去有此說(shuō)法,一本規范有其連貫性,可能前一部分缺少什么,而后一部分補上,取其局部可能會(huì )不安全,但是只要吃透了規范,這就不是問(wèn)題?!?a href="http:///index.php?m=content&c=index&a=lists&catid=58" target="_blank" class="keylink">鋼結構設計規范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《普鋼規范》)與《門(mén)式剛架輕鋼房屋鋼結構設計規程》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《門(mén)架規程》)應該歷史的看問(wèn)題,本來(lái)《門(mén)架規程》應該是《普鋼規范》的一部分,[2]由于我國《普鋼規范》脫胎于重工業(yè)廠(chǎng)房為對象的前蘇聯(lián)規范,幾次修訂擴寬了范圍,還是滿(mǎn)足不了需要。所以《網(wǎng)架設計規范》、《高層鋼結構設計規程》、《門(mén)架規程》只是作為特殊領(lǐng)域的補充。例如:
    1)《普鋼規范》梁的繞度允許值為1/400,這是考慮大型板的剛性屋面,而柔性的壓型板仍采用1/400當然不合理,就應套用《門(mén)架規程》的1/180,《普鋼規范》山墻骨架柱,也要求1/400,這是考慮采用磚墻,如果用壓型板就不合理了。
    2腹板屈曲后強度的計算二本規范均有,而《普鋼規范》是考慮的筒支梁受彎,門(mén)架則考慮彎距與軸力,因此應該根據實(shí)際情況采用那本規范。
    目前規范規程中有黑體字,違反要處罰,不是黑體字,也是強制性的,但違反了只要不出問(wèn)題即可不處罰,國外大部是指南,說(shuō)明編制雖經(jīng)努力,但出了問(wèn)題仍由設計負責,而我國有實(shí)例說(shuō)明,只要遵守規范規程,設計將無(wú)責任。這樣比較容易執行,但也影響設計責任心。
    2、《普鋼規范》計算結果一定應比門(mén)式剛架安全
        《普鋼規范》計算結果一定比《門(mén)架規程》安全?不一定,要了解二本規范不同規定:
        [3] 1)《門(mén)架規程》考慮了軸力,按壓彎構件計算,《普鋼規范》不考慮軸力;
           2)門(mén)架結構按變截面算穩定,鋼結構無(wú)此算法;
           3鋼結構按全截面計算,而門(mén)架中6.1.2-2引入有效截面,這是考慮腹板高厚比大時(shí)腹板在靠近翼板處與腹板中央處的應力差太遠,因此引入有效截面,而鋼結構高厚比限制較嚴,因此全截面有效;
          4)門(mén)架結構截面完全按彈性計算,普鋼結構考慮截面部分塑性發(fā)展;
          5)兩本規范平面穩定“等效彎距系數”也有出入。
     
    二、荷載
    1、門(mén)架高寬比小于1:4即不能用《門(mén)架規程》風(fēng)載體型系數
         在荷載規范、相關(guān)標準圖及權威性結構設計規定均有以上規定,其實(shí)這是一種誤解,目的是那本規范安全即用那本,這樣做是不必要的,因為《門(mén)架規程》風(fēng)載是MBMA的規定,是AISI和加拿大Sicc試驗研究,用最先進(jìn)儀器得到的公認結果,為何不預相信,反而采用70年代落后設備得到的荷載規范結果,美國很明確的18m以下風(fēng)載MBMA,18m以上風(fēng)載采用另外的規范,沒(méi)有必要加以包絡(luò )。
    2、圍護結構考慮陣風(fēng)系數
        荷載規范7.1.1-2,圍護結構應考慮陣風(fēng)系數,但圍護結構有二種,一種是脆性的,一種是塑性的,國外考慮陣風(fēng)是瞬時(shí)的風(fēng),短暫受力鋼結構可以提高應力1/3以上,因此鋼結構可以不考慮陣風(fēng),而脆性的如玻璃屏墻應考慮陣風(fēng)。
        另一種誤解是《門(mén)架規程》條文說(shuō)明附錄AA.0.1“由于MBMA手冊中規定的風(fēng)載體型系數已經(jīng)包含了陣風(fēng)效應,因此本規程不再考慮陣風(fēng)系數”。美國不考慮陣風(fēng)對的,因為美國風(fēng)速用3秒,瞬時(shí)風(fēng)速由于儀器測不到瞬時(shí),也大約1.52秒,很接近,而我國風(fēng)速取10分鐘平均值,相差1.5倍,因此《門(mén)架規程》用我國風(fēng)速,而認為可不考慮陣風(fēng)不對的,當然MBMA的體型系數考慮了紊流和風(fēng)路中由結構引起的風(fēng)流型式被遮斷后果造成的因素,但不能就因此不考慮陣風(fēng)系數。
    3、CFD可以代替風(fēng)洞試驗,或CFD僅能起參考作用
        這二種觀(guān)點(diǎn)都不全面,CFD(計算流體力學(xué))既省錢(qián)又避免了模型模擬的難題,國外,飛機汽車(chē)工業(yè)大量采用,但建筑方面由于湍流分離等問(wèn)題尚未解決,因此哈工大武岳教授認為在求體型系數時(shí),CFD完全可以代替風(fēng)洞試驗,僅是精度差10%,工程完全可以接受,但在風(fēng)振系數上,還存在一定問(wèn)題,僅能作為風(fēng)洞試驗的輔助,或在初步設計等情況下使用,目前風(fēng)洞試驗一般是做剛性模型,當然對風(fēng)振系數有些影響,但由于風(fēng)振下結構變形也有限,誤差可以接受,如果能做氣彈模型風(fēng)洞試驗當然最好,但模型的模擬相當復雜,所以這樣做很少。
        目前最困難的是荷載規范7.4.1,提出T1>0.25S的房屋屋蓋均應考慮風(fēng)振,但卻不像高層建筑那樣給出計算方法,主要是高層建筑規范說(shuō)明7.4.2~7.4.6,給出了Davenport建議的風(fēng)譜密度經(jīng)驗公式,而這個(gè)風(fēng)譜密度是從左右對準垂直于地面的結構,而房屋屋蓋正好相反轉90°,缺乏提供這樣的風(fēng)譜,因此目前不得已下,大多數風(fēng)振系數都是套用規范說(shuō)明的風(fēng)譜密度公式來(lái)計算屋蓋風(fēng)振,[4]認為這樣套用高層的風(fēng)振設計方法可能造成不必要浪費,也不排除某些未預見(jiàn)的隱患。
    4、正確理解《門(mén)架規程》與美國MBMA及我國風(fēng)載規范不同之處
        《門(mén)架規程》采用了美國MBMA是考慮了風(fēng)內外之合力,而我國風(fēng)載規范的風(fēng)載體型系數只考慮了外部風(fēng)力。
        《門(mén)架規程》根據MBMA應為二種荷載情況Ⅰ,Ⅱ二種情況僅局部變化,所以為簡(jiǎn)化起見(jiàn)采用的是Ⅰ,實(shí)際上是有些出入的。
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    《門(mén)架規程》并未考慮海岸線(xiàn)的風(fēng)力加大,美國將海岸線(xiàn)內160公里范圍的風(fēng)力均加大1.1。
    5、輕型房屋雪載按荷載規范偏小
    目前我國雪災情況比較嚴重,僅以2007年大雪,東北地區局部積雪厚1.5~2m,高低層面積雪超過(guò)2m,局部達3kN/?,雪密度達188kg/m3。我國雪載規范僅簡(jiǎn)化為整體均勻分布和分區均勻分部二種,沒(méi)有考慮場(chǎng)地和環(huán)境影響,沒(méi)有區分屋面暴露與遮蔽情況,沒(méi)有區分采暖和不采暖,也缺乏光滑屋面積雪經(jīng)驗,局部積雪及雪厚情況均超出規范。尤其是輕型結構多為平面結構體系,整體性差,常因檁條局部破壞,拉斷支撐,造成整個(gè)結構倒塌。因此目前雪載僅采用荷載規范顯然是不夠安全,必須參考歐、美等規定。
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    5.小結
        (1)GB50009的簡(jiǎn)化等效積雪荷載計算適應于主體剛架,但不適用于檁條。
        (2)對于檁條積雪荷載的取值:凡有高低跨處(包括女兒墻),必須按實(shí)際的積雪分布圖來(lái)計算,應吃透GB50009條文說(shuō)明的精神,不可簡(jiǎn)單按其表6.2.1的積雪分布模型計算。
    (3)對于不平衡積雪分布和多脊多坡的坡谷積雪等情況,應注意考慮屋面邊緣區域或坡谷區域的檁條積雪荷載的增加。
     
    三、結構設計
    1.Q235A,Q345A用于焊接結構
        《門(mén)架規程》,3.3.1-2焊接構件“宜”采用Q235B或Q345A以上,由于Q235A比Q235B便宜,所以許多工地認為“宜”字即可通融,所以要求按過(guò)去甲、乙級綱材辦法,附加三保證,其實(shí)不了解,理在A(yíng)BC,與以前甲乙丙已有所不同,現在A(yíng)B由鋼罐即開(kāi)始分開(kāi),所以A類(lèi)鋼碳的含量完全不預保證,事后檢驗碳的含量,是完全沒(méi)有把握的。
    2.砼柱與斜鋼梁組成門(mén)架
        有資料曾推薦砼柱與斜鋼梁焊成剛接形成混合門(mén)架,但從災害中,這種結構大部分遭到破壞;因為鋼梁與砼柱的剛性節點(diǎn)是難以保證的。
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        上表推導見(jiàn)清華大學(xué)講義“《普鋼規范》設計應用講解”單層廠(chǎng)房框架單階柱計算長(cháng)度系數。關(guān)于長(cháng)細比,當剛架中一根柱軸力小時(shí),計算長(cháng)度就會(huì )很大,只要軸力大的柱滿(mǎn)足長(cháng)細比的要求后,軸力小的柱不必按計算考慮長(cháng)細比,按構造即可。
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    2、門(mén)架阻尼比0.05值得探討
        《門(mén)架規程》說(shuō)明3.6.6,根據抗震規范條文8.2.2,說(shuō)明,阻尼比取0.05,原抗震規范采用C來(lái)反映結構延性,鋼與鋼筋砼C相差不多,而現有抗震規范取消了C,鋼結構延性無(wú)法反映,而鋼結構本身阻尼比是比較小的,因此,使綱結構地震力比鋼筋砼大,這是非常不合理,而門(mén)架又眾所周知抗震是非常好的,結果抗震規范8.2.2,只籠統的提12層以下鋼結構在罕遇地震下阻尼比0.05,而卻只在8.2.2說(shuō)明中又矛盾的提出多遇地震下單層阻尼比0.05,當然包括門(mén)架,我們認為這是很勉強,實(shí)則綱結構阻尼比都是比較小的,人為的想以放大阻尼比來(lái)解決延性是說(shuō)不過(guò)去的,除非提出門(mén)架實(shí)測阻尼比0.05的依據,還是“建筑結構抗震性能設計準則”CECS1602004已經(jīng)恢復延性對抗震影響,恢復了C系數,這樣做才是合理的。
    五、支撐
    1.支撐設計的“誤區”
       (1)系桿代替水平支撐,系桿僅是傳力桿,只形成平行體,如何能承受水平力;
       (2)有了水平支持,即不需要系桿,屋蓋構件可以靠蒙皮作用,這是與規程不允許利用蒙皮作用矛盾的,尤其我國多采用卷邊咬合板,可以相對借移,更不能利用蒙皮作用;
        (3)隅撐代替支撐,有的用隅撐來(lái)作柱的平面外支撐點(diǎn),隅撐主要是梁,柱受壓時(shí),為穩定與防止彎扭,將受壓的穩定力傳到支撐去,而本身不是支撐,隅撐如果將柱受壓翼緣的力傳到墻上,如果墻折掉怎么辦,因此,一定要認識隅撐作用的局限性;
       (4)《門(mén)架規程》4.5.2.3“當建筑物寬度大于60m 時(shí),內柱應適應增加柱間支撐”,換言之,60m內不需要每個(gè)柱列加柱間支撐,這是與過(guò)去做法不同的,這是參改美國做法,主要是依靠蒙皮作用,但美國屋面蒙皮作用做了很多試驗,還有蒙皮規范,而《門(mén)架規程》5.1.2,,卻明確一般不考慮應力蒙皮效應,必須有條件才可以考慮,而我國當前屋面板是良莠不齊,又未做過(guò)調查、試驗,更沒(méi)有應力蒙皮規范,因此4.5.2-3與5.1.2是互相矛盾的,尤其《門(mén)架規程》未明確有吊車(chē)時(shí)不適用此條,幸而國內尚未發(fā)現有吊車(chē)時(shí)按此條,如果有吊車(chē)的按此條,后果不堪設想。我們認為這點(diǎn)值得重視,建議加強水平支撐,并按照《普鋼規范》當水平支撐的跨中剛度,(水平支撐的跨度為二個(gè)柱間支撐之間距離)大于有側移剛架剛度的5倍,并驗算滿(mǎn)足了強度來(lái)確定二個(gè)柱間支撐之距離,而不是籠統定為60m,柱間支撐用鋼不多,作用極大,應該寧多勿少,寧強勿弱。
        美國在中國的公司,柱間支持按美國經(jīng)驗按水平支撐強度及剛度決定,最大不超過(guò)60m,   災害中ABC及巴特勒無(wú)一門(mén)架倒塌。
    2.中心支撐只假定拉桿起作用,壓桿細長(cháng)比必須小于150
    這也是一直爭論的問(wèn)題,國外做法也不一致,有的假定拉桿起作用,壓桿失穩,但考慮壓桿使剛度加大20%,有的假定拉壓都起作用,但壓桿打折扣,根據國內試驗結果還是比較合理的[6]。
    1)超靜定結構,拉與壓是共同工作的,協(xié)調變形,不等于拉壓分別工作迭加,僅壓桿或拉桿單獨作用不合理;
    2)壓桿臨界力與計算值基本一致,與規范值接近;
    3)假定拉,壓桿軸向剛度相等是不妥的,由于初始誤差,安裝誤差,壓桿敏感性大于拉桿,所以拉桿軸力大于壓桿;
    4)壓桿不可能很早失穩,只有拉桿進(jìn)入塑性屈服后,壓桿才會(huì )失穩,因為壓桿達到屈曲臨界荷載時(shí)壓桿的變形受相應拉桿的約束,二者變形必須協(xié)調,壓桿變形不能自由發(fā)展,因此不會(huì )失穩,不會(huì )出現壓桿不參加工作,從唐山地震壓桿細長(cháng)比達200~300,雖然屈曲但也未先失穩,所以規定抗震支撐長(cháng)細比≤150并無(wú)依據,當然長(cháng)細比小些對延性耗能有利;
    5)滯?曲線(xiàn)仍為滑移型,但延性是好的達到5,倒塌時(shí)延性更大;

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    拉條主要為了穩定翼緣平面外,因此拉條放中間,不能完全起到上下翼緣平面外穩定的作用,拉條上下放那是重屋蓋做法,拉條為了平衡荷載對剪心的扭轉,拉條交叉放,既浪費材料,又無(wú)必要,所以拉條下翼緣失穩,應該放在下翼緣處,而上翼緣平面外,還有屋面起作用,可以放寬到放在1/3范圍內,便于施工。
    2)《門(mén)架規程》附錄E檁條在風(fēng)吸力下的穩定有二個(gè)問(wèn)題[1]
        (1)E0.4面板厚度不小于0.66mm,目前普遍使用的面板,厚度均<0.66mm,因此《門(mén)架規程》計算方法基本不能用,都采用冷彎薄壁型鋼規范。
        (2)經(jīng)過(guò)對98年《門(mén)架規程》,2002年《門(mén)架規程》,HP設計手冊,澳大利亞規范,冷彎薄壁規范,檁條吸力下穩定計算,結果考慮了蒙皮作用的2002《門(mén)架規程》計算方法既繁瑣,反而比未考慮蒙皮作用的冷彎薄壁型鋼規范保守,這是很不合理的。
    在中國的美國公司現用AISI冷彎規范計算,比歐洲規范計算比較合理,也是不考慮蒙皮作用的。
         [8]介紹EC3-1-3,2006版,并與EC3-1-3 96版比較,指出了96版主要是檁條下翼緣受壓長(cháng)度與拉條無(wú)關(guān),所以2006版考慮拉條后也入很大,[8]p.114表中分析,在有蒙皮作用下,由于蒙皮作用大,拉條作用小,所以2006版、96版二者應力差為127,138,相差不大,這樣仍出現考慮了蒙皮作用的歐洲規范,仍比未考慮蒙皮的冷彎厚壁型鋼規范保守的不合理現象,但據介紹歐洲規范來(lái)源于試驗,考慮了缺陷及扭轉穩定,而我國冷彎薄壁型鋼則未考慮扭轉穩定,從理論上講是偏于不安全的,但由于實(shí)際上蒙皮作用仍會(huì )某種程度上存在,所以實(shí)際上也不能說(shuō)我國大量采用冷彎薄壁型鋼規范就是不安全的,這個(gè)問(wèn)題還希望規程能提供合理的計算方法。
       [8].114表7-11-1介紹,當不考慮蒙皮時(shí),2006版與96版出入較大,應力是390與140之差,所以目前檁條也可接EC3-1-32006版無(wú)蒙皮作用Ct=O,但考慮拉條,也是一種計算檁條的辦法。
     
    參考文獻
    [1]丁蕓孫,劉羅靜.鋼結構設計的誤區與釋義(百問(wèn)百答)第一、二冊。人民交通出版社
    [2]普鋼廠(chǎng)房結構設計.中華鋼結構論壇精華集(1).人民交通出版社
    [3]輕鋼結構設計.中華鋼結構論壇精華集(2).人民交通出版社
    [4]康繼開(kāi),?國雋,錢(qián)若軍.大跨結構抗風(fēng)研究現狀及展望.空間結構,2009.01
    [5]蔡益燕.對門(mén)式剛架輕鋼房屋抗震設計的幾點(diǎn)建議.中國建筑鋼結構,2008增刊
    [6]喻純誠,王福田,耿樹(shù)江,泰志堅.交叉鋼支撐抗震設計方法
    [7]童根樹(shù)等,框架中有搖擺柱時(shí)框架柱穩定系數.鋼結構,2009增刊
    [8]陳友泉,魏潮文,門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構設計與施工疑難問(wèn)題釋義.中國建筑工業(yè)出版社
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