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    網(wǎng)架（殼）及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)釋義與誤區(qū)的探討（一）
    
                                  
                    
    作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    					
    
					時(shí)間：2009-12-22 20:25:58					[收藏]
    
               
    
                
    				
    				
    

               
    
               
      
				（中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院     丁蕓孫）
      

      
一、網(wǎng)架（殼）高次超靜是否比平面結(jié)構(gòu)可靠度高
      
一般概念網(wǎng)（殼）架高次超靜定要比平面結(jié)構(gòu)更可靠，從美國哈特福特109×92m網(wǎng)架倒塌后，有的認(rèn)為網(wǎng)架會(huì)連鎖破壞，多次超靜定優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮不出、國內(nèi)也有試驗(yàn)做出來，一根桿件壞了另外一根跟著壞，問題是試驗(yàn)本身不符合實(shí)際，根據(jù)Mero規(guī)程，第一根桿壞了，第二根桿再壞時(shí)安全度K=1即行了，是體系可靠度，而試驗(yàn)的安全度完全靠加荷載，第一根壞了，第二根荷載無法降低，安全度不降當(dāng)然跟著壞，所以網(wǎng)（殼）架的高次超靜定安全度仍然比平面結(jié)構(gòu)大，當(dāng)然也不能忽略優(yōu)化滿應(yīng)力的缺點(diǎn)。
      
二、荷載
      
1、自重分項(xiàng)系數(shù)為何分1.2和1.35
      
分項(xiàng)系數(shù)用1.35是在恒載控制時(shí)，如用1.2則安全度會(huì)比活載占控制時(shí)低，因此1.35是彌補(bǔ)安全度。
      
2、活載要不要取不利位置。平板網(wǎng)架不必要，歷來都未考慮；一些對(duì)活荷載不利布置較敏感的結(jié)構(gòu)(如拱．筒殼等)需要考慮.
      
3、附加荷載何時(shí)需按集中荷載考慮。超過25kg/m2的附加荷載需考慮有無集中荷載，25kg重的空調(diào)機(jī)在檁條計(jì)算時(shí)即需按集中荷載。
      
4、我國要不要考慮龍卷風(fēng)。龍卷風(fēng)范圍小時(shí)間短破壞驚人，我國龍卷風(fēng)少只好不考慮。
      
5、我國風(fēng)載是否比國外小很多我國目前按10分鐘，美國按30-40秒兩者差1.5，但美國允許風(fēng)載時(shí)應(yīng)力提高1.33，這樣1.55/1.33=1.1, 美國風(fēng)載比我國只大1.1倍。
      
6、橫風(fēng)向效應(yīng)在什么情況下考慮。風(fēng)力一般只考慮順風(fēng)力，我國的風(fēng)壓、陣風(fēng)、風(fēng)振都僅考慮順風(fēng)力，而由于風(fēng)的渦旋脫落引起彎與扭的耦合振動(dòng)，如馳振、顫振等，有動(dòng)力失穩(wěn)時(shí)才考慮橫向風(fēng)，橋梁較多考慮，超高層鋼結(jié)構(gòu)房屋也要考慮。
      
7、低矮房屋的風(fēng)載體型系數(shù)適用于高度小于18m，且檐口高度小于房屋最小平面尺寸的房屋，此時(shí)即可按門架規(guī)程的體型系數(shù)。而有的做法以 1/h ≤ 4為分界，找不到依據(jù)，不需遵守。
      
8、門架規(guī)程的風(fēng)體型系數(shù)與荷載規(guī)范相比對(duì)門架有何影響。二本規(guī)范的差別，門架規(guī)范向上風(fēng)大，而荷載規(guī)范水平風(fēng)大，結(jié)果是門架規(guī)程偏于安全。
      
9、門架規(guī)程風(fēng)載為何要乘1.05國外一般低矮房屋在海岸線時(shí)應(yīng)乘以1.1，而我國都乘以1.05。
      
10、部分開敞與開敞建筑如何判定。部分開敞即一面墻開口超過其余墻面和屋面開口面積的總和，并大于該墻面面積的50%，在開口大時(shí)其內(nèi)部風(fēng)力也應(yīng)加大為+0.6 ～ -0.3，開敞建筑開口超過墻面面積的5%.
      
11、端部門架如何算風(fēng)力。當(dāng)端部風(fēng)載加大區(qū)域小于柱距時(shí)，端部門架也應(yīng)按風(fēng)力加大考慮。
      
12、門架坡度>10%能否用門架規(guī)程風(fēng)體型系數(shù)。門架規(guī)程的風(fēng)體型系數(shù)是考慮坡度≤10%，如果超過坡度10%，門架體型系數(shù)應(yīng)按MBMA應(yīng)加大10%。
      
13、航空航天的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芊裼糜诮ㄖ?br />
過去風(fēng)洞試驗(yàn)都用航空航天的試驗(yàn)設(shè)備、但建筑在地面高度600m以內(nèi)的邊界層風(fēng)速是改變的與航空航天高空不同，風(fēng)速變化將引起氣流流動(dòng)及風(fēng)壓值改變，對(duì)于有尖角的建筑如平頂房屋即一般廠房，其氣流層的分離點(diǎn)與在尖角處，風(fēng)速變化影響小，而曲面結(jié)構(gòu)其氣流風(fēng)速在變。引起氣流分離，其分離高度S是變化的(圖1)，因此，曲面應(yīng)采用風(fēng)速變化的風(fēng)洞試驗(yàn)，而平屋頂可以勉強(qiáng)用航天航空風(fēng)洞試驗(yàn)。
      


      
14、CFD（計(jì)算流體力學(xué)）能否代替風(fēng)洞試驗(yàn)
      
CFD的測(cè)量系統(tǒng)不會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生干擾，可以避免風(fēng)洞試驗(yàn)縮尺而帶來的相似的問題，對(duì)于流動(dòng)參數(shù)選擇有靈活性，價(jià)格也便宜，航空航天方面已使用很成熟，土建剛起步，對(duì)于有湍流分離等復(fù)雜問題還會(huì)有一定問題，但風(fēng)洞試驗(yàn)也存在更多問題，因此可以代替風(fēng)洞試驗(yàn)。
      
15、筒殼，球殼等風(fēng)體型系數(shù)各國規(guī)范出入較大該如何辦
      
對(duì)筒殼目前我國規(guī)范與澳、美及前蘇聯(lián)都比較接近，由于風(fēng)荷的復(fù)雜性與風(fēng)洞試驗(yàn)的不完善，因此出入是正常的，目前的澳、美和前蘇聯(lián)的比較安全，見圖2，如果有體型相似的風(fēng)洞試驗(yàn)，也應(yīng)多做一些驗(yàn)算。
      


      
對(duì)彎頂即球殼，目前我國規(guī)范可以用，最好也按英國荷載手冊(cè)再驗(yàn)算（可參考網(wǎng)殼設(shè)計(jì)書，尹德鈺、劉善維、錢若軍、中國建筑工業(yè)出版社）。
      
挑棚的英國規(guī)范最安全見圖3：
      


      
由于風(fēng)的復(fù)雜性，各國規(guī)范不一致，一般應(yīng)求取最大值來驗(yàn)算。
      
16、圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否要考慮陣風(fēng)
      
陣風(fēng)是瞬時(shí)風(fēng)，一般加大2倍，瞬時(shí)下塑性材料的鋼材應(yīng)力可以提高，因此陣風(fēng)下鋼材是安全的，不需考慮陣風(fēng)系數(shù)，而玻璃是脆性材料就不能提高應(yīng)力必須考慮陣風(fēng)。如果鋼的圍護(hù)結(jié)構(gòu)考慮了陣風(fēng)，就在可能大風(fēng)時(shí)不是吹掀圍護(hù)結(jié)構(gòu)而會(huì)危及主體結(jié)構(gòu)反而不利，當(dāng)然加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的連接和螺栓是需要的。
      
17、風(fēng)振系數(shù)怎樣計(jì)算
      
風(fēng)分穩(wěn)定風(fēng)與脈動(dòng)風(fēng)，體型系數(shù)是假定結(jié)構(gòu)是剛性的，因此就考慮穩(wěn)定風(fēng)，實(shí)際上結(jié)構(gòu)并非剛性的，風(fēng)是非定常的，在有一定柔性的結(jié)構(gòu)上會(huì)引起風(fēng)力改變，風(fēng)力又將引起結(jié)構(gòu)變形和振幅的加大，造成某些共振，也即是風(fēng)振。大跨度屋蓋現(xiàn)要求考慮風(fēng)振，但并無統(tǒng)一算法，設(shè)計(jì)很是為難，計(jì)算又比較復(fù)雜，根據(jù)北京市設(shè)計(jì)院分析，24×21～60×88m網(wǎng)架風(fēng)振系數(shù)為1.2；同濟(jì)大學(xué)對(duì)200m長挑看臺(tái),其跨中懸臂部分風(fēng)振系數(shù)也僅1.9。因?yàn)樘襞畹娜岫纫却罂缥萆w大得多,因此目前大跨屋蓋暫時(shí)考慮最大點(diǎn)風(fēng)振系數(shù)1.5,并按撓度曲線求出對(duì)應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)，可以作為驗(yàn)算參數(shù)。
      
18、筒殼敞開二端時(shí)風(fēng)荷如何取
      
目前規(guī)范沒有這樣的數(shù)據(jù)，但可以想象風(fēng)從筒殼內(nèi)經(jīng)過時(shí)必然將屋蓋向下吸。現(xiàn)根據(jù)羅堯治教授做的鴨河口108m筒殼風(fēng)洞試驗(yàn)，是考慮了二端開口時(shí)，風(fēng)與平行于筒殼線150風(fēng)向下壓的數(shù)據(jù)可作參考（見圖4），由于煤不可能堆滿，因此有煤堆與無堆沒有差別。 
      


      
19、屋面上雪載與地面雪載哪個(gè)大
      
屋面由於風(fēng)會(huì)吹去一部分雪，厚度比地面小但由于雪融化后吸收在積雪的海綿體內(nèi)使密度加大，國外一般取屋面雪載為0.7倍地面雪載；美國采暖房屋為1.0，非采暖則乘以1.2；我國采用雪載分布系數(shù)反映屋面雪載，對(duì)采暖和非采暖房屋則未加區(qū)別。
      
20、筒殼等網(wǎng)殼雪堆如何考慮
      
雪載資料目前比風(fēng)載少，而且也無法做類似的風(fēng)洞試驗(yàn)，尢其不均勻的雪載影響難以判斷。目前筒殼的雪載取值，我國與前蘇聯(lián)比較接近，可以采用，也反映了雪堆。球殼我國沒有規(guī)范，目前只有英國瑟雷大學(xué)的（可見網(wǎng)殼設(shè)計(jì)書），所以對(duì)于雪載大的地區(qū)雪堆應(yīng)引起注意。最近北京航站樓是一個(gè)扁平的殼，同濟(jì)大學(xué)利用兩相流理論，模擬風(fēng)載對(duì)雪漂作用，雪堆達(dá)到1.2-1.5。
      
三、穩(wěn)定
      
1、穩(wěn)定為何復(fù)雜
      
穩(wěn)定是“混沌”問題，比隨機(jī)、模糊都要復(fù)雜，歐拉公式至今已236年，但在穩(wěn)定理論方面進(jìn)展不大。隨機(jī)問題可用概率法來解決，事先不知；事后可知；模糊問題屬于有些說不清的問題，屬于經(jīng)驗(yàn)的問題如專家系統(tǒng)等，可以用模糊數(shù)學(xué)解決，但混沌問題理論較深，缺乏數(shù)理資料，當(dāng)前還無法解決。混沌的特點(diǎn)是非線性、解的多樣性、初始值敏感，因此振動(dòng)、地震均是混沌。
      
2、第二類失穩(wěn)是否是強(qiáng)度問題
      
從現(xiàn)象看似乎是強(qiáng)度問題，但應(yīng)是穩(wěn)定問題。強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)分：強(qiáng)度是截面承載力；而穩(wěn)定是整體桿件承載力問題，伴隨大變形，過去規(guī)范用δ= N/φA是混淆概念，將穩(wěn)定表達(dá)為強(qiáng)度，現(xiàn)已改進(jìn)。
      
3、二階效應(yīng)與非線性分析有什么區(qū)別
      
二者本質(zhì)一樣，都是由變形后的軸線來求得平衡條件，但二者在概念上有區(qū)別。非線性分析有幾何非線性與物理非線性之分，二階僅對(duì)一階而言，只有幾何非線性。對(duì)于柔性結(jié)構(gòu)根本就沒有一階二階之分，就是非線性。
      
4、計(jì)算長度與非線性關(guān)系
      
計(jì)算長度是在一階基礎(chǔ)上考慮變形引起的附加彎矩，是近似的非線性分析，如懸臂柱計(jì)算長度Lo=2L，也就是懸臂柱所產(chǎn)生的附加彎矩與一個(gè)跨度2L的筒支柱的附加彎矩等效。以筒支柱的附加彎矩作為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算長度是近似的，如一個(gè)懸臂柱設(shè)計(jì)取Lo=2L,但在圖5情況下,左柱上下各有1個(gè)鉸，要傾倒，必須由右柱加以支持，精確計(jì)算右柱L0=2.69h，一個(gè)框架再加一個(gè)搖擺柱，要保證其不失穩(wěn)必然靠框架支撐。因此按一般規(guī)范所給的框架計(jì)算長度即不對(duì)。應(yīng)該取 
      


      
其合力延長線與曲線交點(diǎn)才是計(jì)算長度。這些情況無法一一反映，因此計(jì)算長度是近似的。
      
5、網(wǎng)殼穩(wěn)定是混沌問題，為何穩(wěn)定問題能解決 
      
沈土釗院士、陳昕教授最大的貢獻(xiàn)是經(jīng)過2800次試算，采用“一致缺陷摸態(tài)法”即結(jié)構(gòu)缺陷分布正好與結(jié)構(gòu)最低階的模態(tài)一致，得到在一般正常缺陷下穩(wěn)定承載數(shù)值不小于下臨界點(diǎn)，這樣就使計(jì)算工作簡(jiǎn)化。當(dāng)然網(wǎng)殼穩(wěn)定的解決并不是從理論上解決，而是從工程處理上解決了難題，因?yàn)閿?shù)值分析時(shí)人為假定失穩(wěn)的荷載位移曲線，以控制變形來解決穩(wěn)定。
      


      
6、用幾何非線性如何考慮物理非線性影響           
      
單層網(wǎng)殼是多次超靜定，千百個(gè)自由度解決穩(wěn)定問題已屬非常困難，如果再考慮物理非線性是不可能的，因此考慮物理非線性及缺陷敏感總的安全度取4.2。對(duì)于其他結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定分析的公式如何考慮，看法不一，我們分折網(wǎng)殼安全度取K=4.2是包括外部荷 載及抗力不確定性，也即一般結(jié)構(gòu)的安全度1.64，而由于復(fù)雜的穩(wěn)定性不也包括缺陷敏感及工作條件為1.2，而強(qiáng)塑性影響取1/10.47=2.12.
      
1.64×1.2×2.12=4.2,因此其他結(jié)構(gòu)計(jì)算中已考慮了強(qiáng)塑性，缺陷不如網(wǎng)殼敏感，如采用正則長細(xì)比按柱子曲線考慮穩(wěn)定，已考慮了強(qiáng)塑性，有的結(jié)構(gòu)完全按強(qiáng)性非線性分折，而斷面計(jì)算按規(guī)范已考慮了強(qiáng)塑性，像以上結(jié)構(gòu)只要在原有安全度和附加安全度1.2左右即可，當(dāng)然如果有類似的于網(wǎng)殼又對(duì)缺陷非常敏感的結(jié)構(gòu)，應(yīng)按網(wǎng)殼采用安全度。
      
7、鋼管立體框架平面穩(wěn)定如何考慮
      
根據(jù)羅堯治教授研究與跨度L有關(guān)（圖8）
      


      
8、棱形柱、格構(gòu)式柱、園弧實(shí)腹拱的平面內(nèi)穩(wěn)定如何計(jì)算。
      
根據(jù)郭彥林教授研究，這些結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析仍沿著實(shí)腹柱設(shè)計(jì)思路，將受壓直線等價(jià)歸納到計(jì)算長度，但結(jié)構(gòu)特性λ用正則化長細(xì)比，然后代入柱子穩(wěn)定公式（詳見清華大學(xué)郭彥林教授文章，棱形柱的穩(wěn)定性能研究和應(yīng)用，第十一屆空間結(jié)構(gòu)論文，“采實(shí)腹圓弧拱平面內(nèi)穩(wěn)定極限承載力設(shè)計(jì)”，清華大學(xué)論文鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)總鑒（建筑篇），日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)，中國建筑出版社）。
      
9、交叉拱的穩(wěn)定如何考慮
      
根據(jù)羅堯治教授分析：交叉拱的屈曲荷載比單拱高出4倍。
      
10、人行道的受壓弦桿平面外不穩(wěn)定如何辦
      
人行橋有的希望上面弦桿外全無支撐，因此是難以解決的問題(圖9)。現(xiàn)國外資料利用腹桿的剛度及受拉弦桿的扭轉(zhuǎn)剛度作為上弦壓桿的支撐，具體算法可見（JA，Packer J.E Headerson J.J CAO，“空心管結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)指南”，科學(xué)出版社）
      


      
1、網(wǎng)（殼）架支座假定與排架有何不同
      
排架柱子都是懸臂柱承受水平力后整個(gè)排架靠懸臂柱承受，懸臂柱承受很大彎距，而網(wǎng)架柱則設(shè)定網(wǎng)架是一塊板，將水平力傳至二側(cè)的柱間支撐承受(圖10)，因此網(wǎng)架原則上不承受彎距，只要考慮P-Δ效應(yīng)。二者有本質(zhì)區(qū)別：設(shè)計(jì)網(wǎng)架一定要摒棄排架概念。
      
2、網(wǎng)（殼）架是否一定要整體計(jì)算，即網(wǎng)（殼）架與柱子一起算
      
整體計(jì)算應(yīng)該是最理想的計(jì)算，但由于有些程序沒有梁元，計(jì)算有困難；另外，對(duì)于獨(dú)立柱來說，把柱子當(dāng)一個(gè)彈簧與整體計(jì)算，其差別在10%左右，工程是可以接受的，對(duì)于下部結(jié)構(gòu)是框架或更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，必須整體計(jì)算。
      
3、平行墻面的支座能否假定都不動(dòng)
      
平行墻面的支座設(shè)定不動(dòng)，這樣水平力如何分配到各支座算不清，只好與柱子整體計(jì)算，而一般30-40m的網(wǎng)殼，受力不大，算不清就算了，可以當(dāng)不動(dòng)支座。跨度大、力大，最好是在二側(cè)柱間支撐取2個(gè)支座不動(dòng)，其他支座均假定可動(dòng)，這一方面對(duì)釋放溫度力有利，更主要的是不動(dòng)支座處力很明確，就是W/4（圖11），為果柱間支撐是二跨這樣算又不準(zhǔn)了，因?yàn)榱?huì)集中在前面柱間支撐不符合實(shí)際情況（圖12）。當(dāng)水平力很大時(shí)，一般就將柱間支撐斜桿直接焊到下弦球上，這樣避免了支座受彎。這時(shí)如果其他支座沿墻是不動(dòng)的，則要注意從構(gòu)造上、下部結(jié)構(gòu)柱子間還應(yīng)加連梁，否則柱頭平面內(nèi)就不穩(wěn)定了。當(dāng)支座采用球，二邊加斜撐撐到圈梁上也能避免支座受彎，但要進(jìn)行驗(yàn)算。
      
4、所有支座都用可動(dòng)支座行不行
      
不少工程所有支座均做成任意方向可動(dòng)，建成后也未發(fā)現(xiàn)問題，這種情況屬于約束不穩(wěn)定，整個(gè)結(jié)構(gòu)是可動(dòng)的，在水平力不大時(shí)不會(huì)有問題，但風(fēng)力大時(shí)是不允許的。
      


      
5、支座什么情況下該考慮轉(zhuǎn)動(dòng)
      
根據(jù)過去經(jīng)驗(yàn)，60m鋼屋架就在支座處考慮轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)時(shí)的條件只能在構(gòu)造上放松螺栓允許轉(zhuǎn)動(dòng)，桿件并要考慮附加彎距。目前一般50m的結(jié)構(gòu)就應(yīng)考慮支座轉(zhuǎn)動(dòng)，空間結(jié)構(gòu)應(yīng)多向轉(zhuǎn)動(dòng)。
      
6、有沒有拱沒有水平推力的
      
現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)介紹，通過予應(yīng)力安裝的拱就沒有水平推力，事實(shí)上看起來沒有水平推力，從而引起力學(xué)基本概念的混亂，為什么看起來沒有水平推力，因?yàn)閷?shí)際上水平推力由地面摩擦力承受，因?yàn)楹奢d很輕，拱矢高很高，有些拱結(jié)構(gòu)在拱架下弦加了予應(yīng)力P，這種結(jié)構(gòu)與在拱架處外加予應(yīng)力P的結(jié)構(gòu)是不同的，不能講會(huì)沒有水平推力；只有外荷及自重的彎距M
（本文為問題探討，難以列出參考文獻(xiàn)，可參考作者其他文章）
      

                
		  
      				
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