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    輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見“誤區(qū)”的探討

    作者:丁蕓孫    
    時(shí)間:2011-11-18 16:55:42 [收藏]
    本文對(duì)當(dāng)前輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見“誤區(qū)”提出探討意見,希望有些能在規(guī)范修改中考慮研究,內(nèi)容包括風(fēng)載,抗震,穩(wěn)定,支撐,鋼材,檁條等問題。
        關(guān)鍵詞:輕鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) “誤區(qū)”

      一、規(guī)范的選擇
           1、《門架規(guī)程》不能與《普鋼規(guī)范》混用
      除了薄壁型鋼結(jié)構(gòu)以外,重鋼與輕鋼區(qū)別并不大,不必糾纏。關(guān)于規(guī)范混用過去有此說法,一本規(guī)范有其連貫性,可能前一部分缺少什么,而后一部分補(bǔ)上,取其局部可能會(huì)不安全,但是只要吃透了規(guī)范,這就不是問題。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《普鋼規(guī)范》)與《門式剛架輕鋼房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《門架規(guī)程》)應(yīng)該歷史的看問題,本來《門架規(guī)程》應(yīng)該是《普鋼規(guī)范》的一部分,[2]由于我國(guó)《普鋼規(guī)范》脫胎于重工業(yè)廠房為對(duì)象的前蘇聯(lián)規(guī)范,幾次修訂擴(kuò)寬了范圍,還是滿足不了需要。所以《網(wǎng)架設(shè)計(jì)規(guī)范》、《高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》、《門架規(guī)程》只是作為特殊領(lǐng)域的補(bǔ)充。例如:
      1)《普鋼規(guī)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(dāng)然不合理,就應(yīng)套用《門架規(guī)程》的1/180,《普鋼規(guī)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(qiáng)度的計(jì)算二本規(guī)范均有,而《普鋼規(guī)范》是考慮的筒支梁受彎,門架則考慮彎距與軸力,因此應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況采用那本規(guī)范。
      目前規(guī)范規(guī)程中有黑體字,違反要處罰,不是黑體字,也是強(qiáng)制性的,但違反了只要不出問題即可不處罰,國(guó)外大部是指南,說明編制雖經(jīng)努力,但出了問題仍由設(shè)計(jì)負(fù)責(zé),而我國(guó)有實(shí)例說明,只要遵守規(guī)范規(guī)程,設(shè)計(jì)將無責(zé)任。這樣比較容易執(zhí)行,但也影響設(shè)計(jì)責(zé)任心。
      2、《普鋼規(guī)范》計(jì)算結(jié)果一定應(yīng)比門式剛架安全
          《普鋼規(guī)范》計(jì)算結(jié)果一定比《門架規(guī)程》安全?不一定,要了解二本規(guī)范不同規(guī)定:
          [3] 1)《門架規(guī)程》考慮了軸力,按壓彎構(gòu)件計(jì)算,《普鋼規(guī)范》不考慮軸力;
             2)門架結(jié)構(gòu)按變截面算穩(wěn)定,鋼結(jié)構(gòu)無此算法;
             3鋼結(jié)構(gòu)按全截面計(jì)算,而門架中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(yīng)力差太遠(yuǎn),因此引入有效截面,而鋼結(jié)構(gòu)高厚比限制較嚴(yán),因此全截面有效
            4)門架結(jié)構(gòu)截面完全按彈性計(jì)算,普鋼結(jié)構(gòu)考慮截面部分塑性發(fā)展;
            5)兩本規(guī)范平面穩(wěn)定“等效彎距系數(shù)”也有出入。
       
      二、荷載
      1、門架高寬比小于1:4即不能用《門架規(guī)程》風(fēng)載體型系數(shù)
           在荷載規(guī)范、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圖及權(quán)威性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定均有以上規(guī)定,其實(shí)這是一種誤解,目的是那本規(guī)范安全即用那本,這樣做是不必要的,因?yàn)椤堕T架規(guī)程》風(fēng)載是MBMA的規(guī)定,是AISI和加拿大Sicc試驗(yàn)研究,用最先進(jìn)儀器得到的公認(rèn)結(jié)果,為何不預(yù)相信,反而采用70年代落后設(shè)備得到的荷載規(guī)范結(jié)果,美國(guó)很明確的18m以下風(fēng)載MBMA18m以上風(fēng)載采用另外的規(guī)范,沒有必要加以包絡(luò)。
      2、圍護(hù)結(jié)構(gòu)考慮陣風(fēng)系數(shù)
          荷載規(guī)范7.1.1-2,圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮陣風(fēng)系數(shù),但圍護(hù)結(jié)構(gòu)有二種,一種是脆性的,一種是塑性的,國(guó)外考慮陣風(fēng)是瞬時(shí)的風(fēng),短暫受力鋼結(jié)構(gòu)可以提高應(yīng)力1/3以上,因此鋼結(jié)構(gòu)可以不考慮陣風(fēng),而脆性的如玻璃屏墻應(yīng)考慮陣風(fēng)。
          另一種誤解是《門架規(guī)程》條文說明附錄AA.0.1“由于MBMA手冊(cè)中規(guī)定的風(fēng)載體型系數(shù)已經(jīng)包含了陣風(fēng)效應(yīng),因此本規(guī)程不再考慮陣風(fēng)系數(shù)”。美國(guó)不考慮陣風(fēng)對(duì)的,因?yàn)槊绹?guó)風(fēng)速用3秒,瞬時(shí)風(fēng)速由于儀器測(cè)不到瞬時(shí),也大約1.52秒,很接近,而我國(guó)風(fēng)速取10分鐘平均值,相差1.5倍,因此《門架規(guī)程》用我國(guó)風(fēng)速,而認(rèn)為可不考慮陣風(fēng)不對(duì)的,當(dāng)然MBMA的體型系數(shù)考慮了紊流和風(fēng)路中由結(jié)構(gòu)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(shù)。
      3、CFD可以代替風(fēng)洞試驗(yàn),或CFD僅能起參考作用
          這二種觀點(diǎn)都不全面,CFD(計(jì)算流體力學(xué))既省錢又避免了模型模擬的難題,國(guó)外,飛機(jī)汽車工業(yè)大量采用,但建筑方面由于湍流分離等問題尚未解決,因此哈工大武岳教授認(rèn)為在求體型系數(shù)時(shí),CFD完全可以代替風(fēng)洞試驗(yàn),僅是精度差10%,工程完全可以接受,但在風(fēng)振系數(shù)上,還存在一定問題,僅能作為風(fēng)洞試驗(yàn)的輔助,或在初步設(shè)計(jì)等情況下使用,目前風(fēng)洞試驗(yàn)一般是做剛性模型,當(dāng)然對(duì)風(fēng)振系數(shù)有些影響,但由于風(fēng)振下結(jié)構(gòu)變形也有限,誤差可以接受,如果能做氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)當(dāng)然最好,但模型的模擬相當(dāng)復(fù)雜,所以這樣做很少。
          目前最困難的是荷載規(guī)范7.4.1,提出T1>0.25S的房屋屋蓋均應(yīng)考慮風(fēng)振,但卻不像高層建筑那樣給出計(jì)算方法,主要是高層建筑規(guī)范說明7.4.2~7.4.6,給出了Davenport建議的風(fēng)譜密度經(jīng)驗(yàn)公式,而這個(gè)風(fēng)譜密度是從左右對(duì)準(zhǔn)垂直于地面的結(jié)構(gòu),而房屋屋蓋正好相反轉(zhuǎn)90°,缺乏提供這樣的風(fēng)譜,因此目前不得已下,大多數(shù)風(fēng)振系數(shù)都是套用規(guī)范說明的風(fēng)譜密度公式來計(jì)算屋蓋風(fēng)振,[4]認(rèn)為這樣套用高層的風(fēng)振設(shè)計(jì)方法可能造成不必要浪費(fèi),也不排除某些未預(yù)見的隱患。
      4、正確理解《門架規(guī)程》與美國(guó)MBMA及我國(guó)風(fēng)載規(guī)范不同之處
          《門架規(guī)程》采用了美國(guó)MBMA是考慮了風(fēng)內(nèi)外之合力,而我國(guó)風(fēng)載規(guī)范的風(fēng)載體型系數(shù)只考慮了外部風(fēng)力。
          《門架規(guī)程》根據(jù)MBMA應(yīng)為二種荷載情況Ⅰ,Ⅱ二種情況僅局部變化,所以為簡(jiǎn)化起見采用的是Ⅰ,實(shí)際上是有些出入的。
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      《門架規(guī)程》并未考慮海岸線的風(fēng)力加大,美國(guó)將海岸線內(nèi)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(guī)范偏小
      目前我國(guó)雪災(zāi)情況比較嚴(yán)重,僅以2007年大雪,東北地區(qū)局部積雪厚1.5~2m,高低層面積雪超過2m,局部達(dá)3kN/?,雪密度達(dá)188kg/m3。我國(guó)雪載規(guī)范僅簡(jiǎn)化為整體均勻分布和分區(qū)均勻分部二種,沒有考慮場(chǎng)地和環(huán)境影響,沒有區(qū)分屋面暴露與遮蔽情況,沒有區(qū)分采暖和不采暖,也缺乏光滑屋面積雪經(jīng)驗(yàn),局部積雪及雪厚情況均超出規(guī)范。尤其是輕型結(jié)構(gòu)多為平面結(jié)構(gòu)體系,整體性差,常因檁條局部破壞,拉斷支撐,造成整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌。因此目前雪載僅采用荷載規(guī)范顯然是不夠安全,必須參考?xì)W、美等規(guī)定。
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      5.小結(jié)
          (1)GB50009的簡(jiǎn)化等效積雪荷載計(jì)算適應(yīng)于主體剛架,但不適用于檁條。
          (2)對(duì)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)際的積雪分布圖來計(jì)算,應(yīng)吃透GB50009條文說明的精神,不可簡(jiǎn)單按其表6.2.1的積雪分布模型計(jì)算。
      (3)對(duì)于不平衡積雪分布和多脊多坡的坡谷積雪等情況,應(yīng)注意考慮屋面邊緣區(qū)域或坡谷區(qū)域的檁條積雪荷載的增加。
       
      三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
      1.Q235A,Q345A用于焊接結(jié)構(gòu)
          《門架規(guī)程》,3.3.1-2焊接構(gòu)件“宜”采用Q235B或Q345A以上,由于Q235A比Q235B便宜,所以許多工地認(rèn)為“宜”字即可通融,所以要求按過去甲、乙級(jí)綱材辦法,附加三保證,其實(shí)不了解,理在ABC,與以前甲乙丙已有所不同,現(xiàn)在AB由鋼罐即開始分開,所以A類鋼碳的含量完全不預(yù)保證,事后檢驗(yàn)碳的含量,是完全沒有把握的。
      2.砼柱與斜鋼梁組成門架
          有資料曾推薦砼柱與斜鋼梁焊成剛接形成混合門架,但從災(zāi)害中,這種結(jié)構(gòu)大部分遭到破壞;因?yàn)殇摿号c砼柱的剛性節(jié)點(diǎn)是難以保證的。
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          上表推導(dǎo)見清華大學(xué)講義“《普鋼規(guī)范》設(shè)計(jì)應(yīng)用講解”單層廠房框架單階柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。關(guān)于長(zhǎng)細(xì)比,當(dāng)剛架中一根柱軸力小時(shí),計(jì)算長(zhǎng)度就會(huì)很大,只要軸力大的柱滿足長(zhǎng)細(xì)比的要求后,軸力小的柱不必按計(jì)算考慮長(zhǎng)細(xì)比,按構(gòu)造即可。
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      2、門架阻尼比0.05值得探討
          《門架規(guī)程》說明3.6.6,根據(jù)抗震規(guī)范條文8.2.2,說明,阻尼比取0.05,原抗震規(guī)范采用C來反映結(jié)構(gòu)延性,鋼與鋼筋砼C相差不多,而現(xiàn)有抗震規(guī)范取消了C,鋼結(jié)構(gòu)延性無法反映,而鋼結(jié)構(gòu)本身阻尼比是比較小的,因此,使綱結(jié)構(gòu)地震力比鋼筋砼大,這是非常不合理,而門架又眾所周知抗震是非常好的,結(jié)果抗震規(guī)范8.2.2,只籠統(tǒng)的提12層以下鋼結(jié)構(gòu)在罕遇地震下阻尼比0.05,而卻只在8.2.2說明中又矛盾的提出多遇地震下單層阻尼比0.05,當(dāng)然包括門架,我們認(rèn)為這是很勉強(qiáng),實(shí)則綱結(jié)構(gòu)阻尼比都是比較小的,人為的想以放大阻尼比來解決延性是說不過去的,除非提出門架實(shí)測(cè)阻尼比0.05的依據(jù),還是“建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”CECS1602004已經(jīng)恢復(fù)延性對(duì)抗震影響,恢復(fù)了C系數(shù),這樣做才是合理的。
      五、支撐
      1.支撐設(shè)計(jì)的“誤區(qū)”
         (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(gòu)件可以靠蒙皮作用,這是與規(guī)程不允許利用蒙皮作用矛盾的,尤其我國(guó)多采用卷邊咬合板,可以相對(duì)借移,更不能利用蒙皮作用;
          (3)隅撐代替支撐,有的用隅撐來作柱的平面外支撐點(diǎn),隅撐主要是梁,柱受壓時(shí),為穩(wěn)定與防止彎扭,將受壓的穩(wěn)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(rèn)識(shí)隅撐作用的局限性;
         (4)《門架規(guī)程》4.5.2.3“當(dāng)建筑物寬度大于60m 時(shí),內(nèi)柱應(yīng)適應(yīng)增加柱間支撐”,換言之,60m內(nèi)不需要每個(gè)柱列加柱間支撐,這是與過去做法不同的,這是參改美國(guó)做法,主要是依靠蒙皮作用,但美國(guó)屋面蒙皮作用做了很多試驗(yàn),還有蒙皮規(guī)范,而《門架規(guī)程》5.1.2,,卻明確一般不考慮應(yīng)力蒙皮效應(yīng),必須有條件才可以考慮,而我國(guó)當(dāng)前屋面板是良莠不齊,又未做過調(diào)查、試驗(yàn),更沒有應(yīng)力蒙皮規(guī)范,因此4.5.2-3與5.1.2是互相矛盾的,尤其《門架規(guī)程》未明確有吊車時(shí)不適用此條,幸而國(guó)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)有吊車時(shí)按此條,如果有吊車的按此條,后果不堪設(shè)想。我們認(rèn)為這點(diǎn)值得重視,建議加強(qiáng)水平支撐,并按照《普鋼規(guī)范》當(dāng)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(cè)移剛架剛度的5倍,并驗(yàn)算滿足了強(qiáng)度來確定二個(gè)柱間支撐之距離,而不是籠統(tǒng)定為60m,柱間支撐用鋼不多,作用極大,應(yīng)該寧多勿少,寧強(qiáng)勿弱。
          美國(guó)在中國(guó)的公司,柱間支持按美國(guó)經(jīng)驗(yàn)按水平支撐強(qiáng)度及剛度決定,最大不超過60m,   災(zāi)害中ABC及巴特勒無一門架倒塌。
      2.中心支撐只假定拉桿起作用,壓桿細(xì)長(zhǎng)比必須小于150
      這也是一直爭(zhēng)論的問題,國(guó)外做法也不一致,有的假定拉桿起作用,壓桿失穩(wěn),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(jù)國(guó)內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果還是比較合理的[6]。
      1)超靜定結(jié)構(gòu),拉與壓是共同工作的,協(xié)調(diào)變形,不等于拉壓分別工作迭加,僅壓桿或拉桿單獨(dú)作用不合理;
      2)壓桿臨界力與計(jì)算值基本一致,與規(guī)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(wěn),只有拉桿進(jìn)入塑性屈服后,壓桿才會(huì)失穩(wěn),因?yàn)閴簵U達(dá)到屈曲臨界荷載時(shí)壓桿的變形受相應(yīng)拉桿的約束,二者變形必須協(xié)調(diào),壓桿變形不能自由發(fā)展,因此不會(huì)失穩(wěn),不會(huì)出現(xiàn)壓桿不參加工作,從唐山地震壓桿細(xì)長(zhǎng)比達(dá)200~300,雖然屈曲但也未先失穩(wěn),所以規(guī)定抗震支撐長(zhǎng)細(xì)比≤150并無依據(jù),當(dāng)然長(zhǎng)細(xì)比小些對(duì)延性耗能有利;
      5)滯?曲線仍為滑移型,但延性是好的達(dá)到5,倒塌時(shí)延性更大;

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      拉條主要為了穩(wěn)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(wěn)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(duì)剪心的扭轉(zhuǎn),拉條交叉放,既浪費(fèi)材料,又無必要,所以拉條下翼緣失穩(wěn),應(yīng)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(nèi),便于施工。
      2)《門架規(guī)程》附錄E檁條在風(fēng)吸力下的穩(wěn)定有二個(gè)問題[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《門架規(guī)程》計(jì)算方法基本不能用,都采用冷彎薄壁型鋼規(guī)范。
          (2)經(jīng)過對(duì)98年《門架規(guī)程》,2002年《門架規(guī)程》,HP設(shè)計(jì)手冊(cè),澳大利亞規(guī)范,冷彎薄壁規(guī)范,檁條吸力下穩(wěn)定計(jì)算,結(jié)果考慮了蒙皮作用的2002《門架規(guī)程》計(jì)算方法既繁瑣,反而比未考慮蒙皮作用的冷彎薄壁型鋼規(guī)范保守,這是很不合理的。
      在中國(guó)的美國(guó)公司現(xiàn)用AISI冷彎規(guī)范計(jì)算,比歐洲規(guī)范計(jì)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(zhǎng)度與拉條無關(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(yīng)力差為127,138,相差不大,這樣仍出現(xiàn)考慮了蒙皮作用的歐洲規(guī)范,仍比未考慮蒙皮的冷彎厚壁型鋼規(guī)范保守的不合理現(xiàn)象,但據(jù)介紹歐洲規(guī)范來源于試驗(yàn),考慮了缺陷及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定,而我國(guó)冷彎薄壁型鋼則未考慮扭轉(zhuǎn)穩(wěn)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)際上也不能說我國(guó)大量采用冷彎薄壁型鋼規(guī)范就是不安全的,這個(gè)問題還希望規(guī)程能提供合理的計(jì)算方法。
         [8].114表7-11-1介紹,當(dāng)不考慮蒙皮時(shí),2006版與96版出入較大,應(yīng)力是390與140之差,所以目前檁條也可接EC3-1-32006版無蒙皮作用Ct=O,但考慮拉條,也是一種計(jì)算檁條的辦法。
       
      參考文獻(xiàn)
      [1]丁蕓孫,劉羅靜.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的誤區(qū)與釋義(百問百答)第一、二冊(cè)。人民交通出版社
      [2]普鋼廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).中華鋼結(jié)構(gòu)論壇精華集(1).人民交通出版社
      [3]輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).中華鋼結(jié)構(gòu)論壇精華集(2).人民交通出版社
      [4]康繼開,?國(guó)雋,錢若軍.大跨結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究現(xiàn)狀及展望.空間結(jié)構(gòu),2009.01
      [5]蔡益燕.對(duì)門式剛架輕鋼房屋抗震設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議.中國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu),2008增刊
      [6]喻純誠(chéng),王福田,耿樹江,泰志堅(jiān).交叉鋼支撐抗震設(shè)計(jì)方法
      [7]童根樹等,框架中有搖擺柱時(shí)框架柱穩(wěn)定系數(shù).鋼結(jié)構(gòu),2009增刊
      [8]陳友泉,魏潮文,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工疑難問題釋義.中國(guó)建筑工業(yè)出版社
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