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門(mén)式剛架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)述

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    陳友泉 譯

    [摘要] 雖然在一定范圍內(nèi)門(mén)式剛架是一種最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)型式，但設(shè)計(jì)者至少要像其他更復(fù)雜結(jié)構(gòu)一樣，滿足不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。按照最近研究的門(mén)式剛架的工況特性回顧當(dāng)前的門(mén)式剛架設(shè)計(jì)，特別是加腋梁的穩(wěn)定性問(wèn)題。給出了這類構(gòu)件的側(cè)向穩(wěn)定驗(yàn)算導(dǎo)則。
        一、前言
        近年來(lái)，有大量的門(mén)式剛架設(shè)計(jì)的驗(yàn)算問(wèn)題提出來(lái)，工程師們?cè)隍?yàn)算過(guò)程中不總是像塑性設(shè)計(jì)那樣熟悉。在過(guò)去20年，英國(guó)的門(mén)式剛架已定型化，在檐口處設(shè)計(jì)高腋得到細(xì)長(zhǎng)的剛架，這導(dǎo)致了進(jìn)一步設(shè)計(jì)帶有高而細(xì)長(zhǎng)的加腋的大跨度剛架。盡管已有了一般的設(shè)計(jì)原理導(dǎo)則，包括構(gòu)件的側(cè)向穩(wěn)定，但仍存在有忽視導(dǎo)則，或錯(cuò)誤理解導(dǎo)則的問(wèn)題?，F(xiàn)在適宜去檢查當(dāng)前的設(shè)計(jì)方法、評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的“灰色”領(lǐng)域，特別是加腋梁的失穩(wěn)問(wèn)題。著重給出一個(gè)驗(yàn)算這類構(gòu)件側(cè)向穩(wěn)定的方法。

        雖然在一定范圍內(nèi)門(mén)式剛架是一種最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計(jì)者或許滿足了比其他結(jié)構(gòu)更多的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，圖1給出了這類結(jié)構(gòu)的一些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在討論各種不同方面的細(xì)節(jié)之前，簡(jiǎn)單地回顧一下門(mén)式剛架的塑性設(shè)計(jì)應(yīng)用的背景情況。
        劍橋大學(xué)的Baker教授和他的同事們做了研究工作提出塑性分析方法，幾年后，在50年代中期，該理論成功地應(yīng)用于門(mén)式剛架建筑中，現(xiàn)今，有40%的鋼結(jié)構(gòu)為門(mén)式剛架，全部采用了這個(gè)設(shè)計(jì)方法。
        圖2（圖2略）說(shuō)明了劍橋大學(xué)的試驗(yàn)形式，與當(dāng)今大跨度剛架相比屬于小尺寸試驗(yàn)。
        從破壞的剛架照片可以清楚地看到，真實(shí)的結(jié)構(gòu)塑性分布超過(guò)最初的屈服截面，產(chǎn)生一個(gè)延伸的屈服區(qū)域，不像理得到論所假定的簡(jiǎn)單塑性鉸。注意到相對(duì)剛度大的檐口梁連接2個(gè)剛架對(duì)柱子頂部有一定位約束，檁條在破壞過(guò)程中已橫向扭曲。
        二、整體強(qiáng)度考慮
        在門(mén)式剛架設(shè)計(jì)中應(yīng)用塑性理論通常是采用半圖解法，采用這種方法按照幾何尺寸和剛架上的荷載先定義未知內(nèi)力（反力），然后反力產(chǎn)生的彎矩按圖3的簡(jiǎn)支彎矩圖迭加。對(duì)于等截面剛架這清楚地顯示了迭加后的彎矩圖，可看作是反力彎矩圖和簡(jiǎn)支彎矩圖兩者之差，通過(guò)排列足夠的塑性鉸得到破壞模式，只要塑性鉸的彎矩代表最大值條件，則可以得到唯一的解答。根據(jù)允許鉸彎矩可以確定構(gòu)件尺寸。
        允許荷載系數(shù)對(duì)于塑性設(shè)計(jì)是1.7，然而新提出的極限狀態(tài)法建議采用荷載分項(xiàng)系數(shù)法，表明等效的荷載系數(shù)可以減少到大約1.55，精確值取決于外加荷載與恒載之比例。這意味著撓度和穩(wěn)定將對(duì)最后的設(shè)計(jì)有更大的影響，荷載越低，剛架變得越細(xì)長(zhǎng)。
        在這個(gè)國(guó)家（注：指英國(guó)）通常恒載加活荷載產(chǎn)生的彎矩控制設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖3所示），除非剛架是非常高或有極端的大風(fēng)壓力。在許多國(guó)家，例如中東，雪荷載不是設(shè)計(jì)控制條件，普通的破壞模式可以是側(cè)向搖擺失穩(wěn)，即風(fēng)荷載變成為控制設(shè)計(jì)的因素。如果不能確定是否由對(duì)稱性破壞模式控制最大設(shè)計(jì)彎矩，這兩種力學(xué)模式總是需要驗(yàn)算的。

           通常的門(mén)式剛架在檐口處有一個(gè)加腋（見(jiàn)圖1所示），表明了一個(gè)典型的結(jié)構(gòu)型式。最初，采用一個(gè)短的加腋是考慮加大螺栓群的力臂。然而實(shí)際認(rèn)識(shí)到，用一個(gè)更長(zhǎng)的加腋可能減少梁的彎矩從而減少梁的尺寸。當(dāng)然，柱子的彎矩會(huì)有相應(yīng)的增加，即，有不同的截面用于柱和梁。這樣的結(jié)果證明是經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)榱旱拈L(zhǎng)度通常大于柱子的長(zhǎng)度。用鋼量的節(jié)省足以補(bǔ)償加腋的材料費(fèi)用及其制作費(fèi)用。一個(gè)典型的加腋門(mén)架的組合彎矩見(jiàn)圖4所示。注意，靠近加腋處柱子的彎矩取決于連接處的加腋高度。在屋脊處的加腋（見(jiàn)圖1）有助于減少撓度，但對(duì)強(qiáng)度沒(méi)有影響，因?yàn)樗苄糟q發(fā)展遠(yuǎn)離其加腋處。然而，屋脊加腋的措施對(duì)于屋脊處連接的設(shè)計(jì)有重要影響。
           檐口加腋的尺寸取決于剛架的幾何尺寸和作用的荷載，即加腋必須能夠承受彎矩、軸力、剪力以及維持在其端頭的塑性變形。通常的實(shí)踐是設(shè)計(jì)成二倍于基本梁的高度以便加腋部分的材料能從同樣的梁中得到，即UB（一剖兩）切割。當(dāng)然，采用焊接板，加腋的制作有所不同。然而，雖然從強(qiáng)度的觀念這些板是可接受的，但它們能在靠近受壓翼緣引起高殘余應(yīng)力，使得加腋對(duì)失穩(wěn)更敏感。當(dāng)構(gòu)件整體穩(wěn)定和局部屈曲控制設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)采用比基本梁截面更大的翼緣加腋是有優(yōu)勢(shì)的。
           柱底為鉸接剛架的快速設(shè)計(jì)方法是假定一個(gè)適當(dāng)?shù)牧航孛?，根?jù)其塑性鉸的位置是在屋脊附近處，定義該處的彎矩，就可求得柱基礎(chǔ)的水平反力，由此，加腋處的柱彎矩可以很容易算出，一個(gè)適當(dāng)?shù)臉?gòu)件尺寸可以確定。這個(gè)分析是假定塑性鉸是在梁和柱的等截面部位，而不是在加腋區(qū)內(nèi)，因此，重要的是在加腋區(qū)內(nèi)的彈性應(yīng)力小于所考慮截面的屈服彎矩所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，即，加腋在允許荷載條件下必須保持為彈性狀態(tài)。
           對(duì)于多跨等截面剛架，屈服肯定僅出現(xiàn)在端跨，設(shè)計(jì)并不比單跨剛架更復(fù)雜。內(nèi)部柱可以設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單搖擺柱，但不推薦這種辦法，事實(shí)上，可假定外加雪載在多跨剛架中產(chǎn)生不平衡荷載，建議要檢查內(nèi)部柱子的內(nèi)力。相似的多跨剛架（凹谷處的梁支撐主剛架，而沒(méi)有內(nèi)部柱的幫助），應(yīng)對(duì)不對(duì)稱荷載進(jìn)行考慮，即：應(yīng)驗(yàn)算保證凹谷處的梁在不平衡扭曲荷載作用下滿足彈性設(shè)計(jì)要求。
           隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，特別是微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，構(gòu)件的分析和設(shè)計(jì)迅速發(fā)展成為僅僅是電算程序的應(yīng)用，它們?cè)谔幚矶嗫鐒偧茉诓煌奢d條件下，最為有效。當(dāng)今許多商業(yè)化的電算程序通過(guò)線性規(guī)劃依據(jù)用鋼量最省或造價(jià)最低的原則編制。借助于任何一個(gè)軟件包，設(shè)計(jì)者的責(zé)任是檢查從電腦中得出的結(jié)果。
           一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)孔不影響構(gòu)件的設(shè)計(jì)，除非是在塑性鉸的位置上開(kāi)孔，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)驗(yàn)算其強(qiáng)度。
           三、穩(wěn)定考慮
           塑性理論假定次效應(yīng)（例如局部構(gòu)件的穩(wěn)定）在極限荷載到達(dá)之前并不引起結(jié)構(gòu)失效，不管是柱子還是梁。局部屈曲取決于翼緣的寬厚比，如果寬厚比超過(guò)其限值（與鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有關(guān)），是不允許塑性變形的。這些限值列在手冊(cè)BCSA/Constrado的承載能力表中。
           設(shè)計(jì)的主要的問(wèn)題是驗(yàn)算構(gòu)件是否穩(wěn)定，如果一個(gè)構(gòu)件不穩(wěn)定，應(yīng)確定需要多少側(cè)向支撐，及安置在什么位置以保證構(gòu)件穩(wěn)定。側(cè)向支撐的間距在塑性鉸部位最為重要，這些部位在剛架完全壓潰之前必須能夠出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。一種很好的做法總是在檐口處的塑性鉸處加一側(cè)向約束，極少可能第一個(gè)塑性鉸在屋脊附近形成。除非在構(gòu)件長(zhǎng)度內(nèi)包含一個(gè)塑性鉸，屋面梁上的側(cè)向約束要求與BS449（注：指英國(guó)規(guī)范）中彈性設(shè)計(jì)是相同的。
           柱子穩(wěn)定按塑性設(shè)計(jì)在早期的BCSA-23版討論了，現(xiàn)在的新版作為補(bǔ)編列在塑性設(shè)計(jì)中。后者給出了幾個(gè)構(gòu)件穩(wěn)定性的驗(yàn)算例子，類似地可以對(duì)于含有一個(gè)塑性鉸等截面梁進(jìn)行驗(yàn)算，然而不必強(qiáng)調(diào)BCSA-23版的驗(yàn)算不可用于驗(yàn)算構(gòu)件的變截面部分，尤其是加腋。
           有時(shí)會(huì)出現(xiàn)柱子不能在整個(gè)長(zhǎng)度被面板墻梁約束的情況，這種情況在實(shí)踐中可能出現(xiàn)（例如在一個(gè)大的門(mén)洞附近），在柱子中部受壓翼緣無(wú)支撐。在這種情況中，要么柱子的截面加大到可滿足整個(gè)自由長(zhǎng)度的穩(wěn)定條件，要么將柱子包裹起來(lái)直到加腋的下面。除非磚墻由銷子或墻筋牢固連在柱子上，否則，在建筑物的整個(gè)使用期內(nèi)，墻體能否約束柱子的側(cè)向穩(wěn)定是值得懷疑的。
           BCSA-23版中的曲線已知是保守的（見(jiàn)圖5所示典型的曲線），作為將來(lái)進(jìn)一步研究的問(wèn)題，更新的一套曲線發(fā)表在Consdrado的專題研究報(bào)告中。

           BCSA-23版也考慮其他設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如腹板的初始屈曲。如果腹板高厚比超過(guò)規(guī)定的值（取決于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度），將出現(xiàn)初始屈曲，除非平均的軸向應(yīng)力被限定。這些限定值也已在出版的《塑性設(shè)計(jì)》中給出。
           應(yīng)該注意到，在BCSA-23版中關(guān)于驗(yàn)算失穩(wěn)的要點(diǎn)是針對(duì)無(wú)約束構(gòu)件。不用說(shuō)，門(mén)式剛架中的邊柱的一個(gè)翼緣通常由面板墻梁有間隔地約束。在柱底鉸接剛架中，破壞的模式是對(duì)稱的，正是受拉翼緣被墻梁約束。屋面梁類似地被檁條約束。次構(gòu)件和圍護(hù)板之間的組合作用足以約束主構(gòu)件的側(cè)向移動(dòng)，即主構(gòu)件的出腹板平面外被約束。另一方面，由檁條、墻梁對(duì)主構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)約束效果取決于許多因素，即：次結(jié)構(gòu)的剛度，次構(gòu)件和主構(gòu)件之間的連接件的彎矩一轉(zhuǎn)角特性，主構(gòu)件的局部變形和蒙皮面板的特性。主構(gòu)件和檁條/墻梁之間的標(biāo)準(zhǔn)連接沒(méi)有顯著的抗彎能力（見(jiàn)圖6），因此，通常在理論分析時(shí)忽略不計(jì)它們所具有的小抗扭能力。
           事實(shí)上，Horne和Ajmani在驗(yàn)算穩(wěn)定時(shí)考慮了次構(gòu)件對(duì)受拉翼緣提供的側(cè)向約束，他們表明，對(duì)于具有足夠小的檁條/墻梁間距，一個(gè)帶有端彎矩的軸向受力構(gòu)件會(huì)繞著與連接件一致且平行于構(gòu)件中心軸扭轉(zhuǎn)屈曲，即無(wú)約束受壓翼緣整體繞約束軸扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致構(gòu)件整體破壞（見(jiàn)圖6所示，圖略）。如果檁條/墻梁間距大于?臨界值，屈曲將出現(xiàn)在約束構(gòu)件之間，即“支撐間的破壞”。當(dāng)出現(xiàn)支撐間破壞時(shí)，應(yīng)采用BCSA-23版中所給出的設(shè)計(jì)方法，該方法應(yīng)用于支撐間的計(jì)算長(zhǎng)度中含有一個(gè)支撐處的塑性鉸。對(duì)應(yīng)于最大作用應(yīng)力低于屈服應(yīng)力的彈性設(shè)計(jì)方法也在BCSA-23版中給出。
           Horne和Ajmani所研究的特殊問(wèn)題提出了整體破壞的彈性和塑性設(shè)計(jì)方法，考慮了彎矩在兩支撐端之間線性變化的軸向受力構(gòu)件，如柱子的情況。假定繞約束軸扭轉(zhuǎn)屈曲破壞和一般的處理方法類似于無(wú)約束構(gòu)件，該兩種設(shè)計(jì)方法可在Constrado專題研究報(bào)告再導(dǎo)出。對(duì)于更小的長(zhǎng)細(xì)比，適用的荷載在塑性范圍內(nèi)，兩端彎矩比（β）可以是任意的，所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定曲線通過(guò)考慮屈曲后行為導(dǎo)出。一個(gè)更一般的適合于等截面梁的計(jì)算方法也被提出，Horne將其延伸用到非等截面梁，例如加腋。
           當(dāng)考慮梁的加腋部分時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算彈性穩(wěn)定以保證加腋處的應(yīng)力不超過(guò)失穩(wěn)，正如所提到的，BCSA-23版中關(guān)于梁穩(wěn)定的要點(diǎn)導(dǎo)則是根據(jù)等截面梁情況進(jìn)行的。影響承受平面內(nèi)彎曲的結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定的一個(gè)重要判據(jù)是沿構(gòu)件的應(yīng)力分布，因?yàn)閺椥越孛婺Ａ繉?duì)于等截面梁是不變的，這個(gè)判據(jù)因素由彎矩遞度參數(shù)β來(lái)代替。然而，在變截面構(gòu)件中，例如加腋梁，正是沿構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力分布是設(shè)計(jì)判據(jù)，而不是彎矩（見(jiàn)圖7所示）。當(dāng)塑性鉸在加腋未端，只要對(duì)塑性鉸部位的受壓翼緣有側(cè)向約束，加腋本身可能按彈性理論設(shè)計(jì)。再進(jìn)一步推薦，加腋本身不設(shè)計(jì)成包含一個(gè)塑性鉸，因?yàn)樗苄允Х€(wěn)的要求條件比彈性失穩(wěn)更嚴(yán)。曼切斯特大學(xué)最近研究了在使用荷載水平作用下讓加腋梁達(dá)到塑性狀態(tài)，結(jié)果表明側(cè)向支撐之間的有效計(jì)算長(zhǎng)度的計(jì)算規(guī)則變得更為嚴(yán)格，即需要用更多的側(cè)向約束。塑性并不僅限于塑性鉸位置而是分布在加腋區(qū)這一事實(shí)導(dǎo)致構(gòu)件更容易失穩(wěn)，特別是如果還有其他的失穩(wěn)因素存在，例如來(lái)自于受壓翼緣附近的焊接殘余應(yīng)力。

           四、加腋構(gòu)件的彈性側(cè)向穩(wěn)定
           驗(yàn)算加腋構(gòu)件的彈性側(cè)向穩(wěn)定是根據(jù)沿其受拉翼緣有間隔布置在主剛架之間的檁條約束，構(gòu)件承受允許軸向力P連同腹板平面內(nèi)的彎矩，見(jiàn)圖8所示。



           方程（3）假定計(jì)算應(yīng)力時(shí)的彈性抗彎模量?jī)H根據(jù)雙翼緣截面，即忽略了任何中間的翼緣。然而Horne和Morris將計(jì)算方式推廣到中間翼緣，僅需調(diào)整方程（3）中的3000為4200。假定彈性抗彎模量是由梁的正交截面得到（見(jiàn)附錄A中的計(jì)算方法）。
           曼切斯特大學(xué)的研究評(píng)估了中間翼緣對(duì)加腋構(gòu)件的穩(wěn)定的影響以及比較試驗(yàn)結(jié)果和不同的理論計(jì)算，加腋梁的試驗(yàn)裝置之一就是構(gòu)造類似的現(xiàn)場(chǎng)條件，即受拉翼緣由冷彎型鋼檁條約束，檁條上有石棉板排列約束。屋面系統(tǒng)對(duì)試件的約束按照實(shí)際工程類型且有類似的剛度（見(jiàn)圖9，略），檁條的遠(yuǎn)端支承在一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的支點(diǎn)上，隨著試件的變形被迫做豎向移動(dòng)以致試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有人為約束或干擾荷載作用在梁上。通過(guò)這項(xiàng)措施，可以研究任何荷載作用下加腋梁及其連接的工況行為。
           雖然穩(wěn)定的計(jì)算采用了稍為復(fù)雜的表達(dá)式，它表達(dá)了加腋構(gòu)件的計(jì)算方法，希望最后的推薦方法具有簡(jiǎn)單的形式。當(dāng)然，這和微型電腦的問(wèn)世不相干。
           五、側(cè)向約束
           在塑性設(shè)計(jì)中，構(gòu)件的各部分要求在塑性鉸位置處能夠非彈性轉(zhuǎn)動(dòng)。這些部件不僅僅在設(shè)計(jì)荷載條件下必須能夠屈服，而且也必須有非彈性約束以便能提供必要的鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，在塑性鉸位置處構(gòu)件應(yīng)有適當(dāng)?shù)闹蝸?lái)抵抗在極限狀態(tài)下的側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形，后者的要求不針對(duì)最后一個(gè)塑性鉸的形成。兩個(gè)翼緣都需要側(cè)向約束，否則受壓翼緣將出現(xiàn)平面外反彈（kick），這種現(xiàn)象甚至在格構(gòu)式剛架中觀察到。
           在彈性設(shè)計(jì)的高應(yīng)力構(gòu)件和塑性設(shè)計(jì)的塑性鉸區(qū)域之外構(gòu)件的部分存在相同的平面外屈曲趨勢(shì)，但沒(méi)有那樣嚴(yán)重，因?yàn)樗苄糟q沒(méi)有包括在內(nèi)。中間約束（它們遠(yuǎn)離塑性鉸位置）要求有足夠剛度使構(gòu)件的屈曲發(fā)生在約束點(diǎn)之間，即約束點(diǎn)變成了側(cè)向的反彎點(diǎn)。再者，需要設(shè)計(jì)提供適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和剛度約束來(lái)防止側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)。
           防止側(cè)向失穩(wěn)所需約束力的大小是被約束的受壓板件最大受力的2%。雖然約束力相對(duì)很小，但提供這樣的力（以支撐的形式）是很重要的。如果一個(gè)側(cè)向約束屈曲了或是撤移了，屈曲的模式變得更為嚴(yán)重，趨于更不穩(wěn)定?？紤]到此，《塑性設(shè)計(jì)》的作者給出了受壓翼緣面積4%的值，但沒(méi)有給出剛度要求。在極限荷載試驗(yàn)時(shí)，支撐結(jié)構(gòu)過(guò)早地失效，意味事實(shí)上剛度的要求可能控制支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，Horne教授已經(jīng)指出約束構(gòu)件的最大長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)該是100。可有趣地注意到：4%的強(qiáng)度要求和長(zhǎng)細(xì)比100的剛度要求用在實(shí)際的典型加腋構(gòu)件中，產(chǎn)生相類似的支撐設(shè)計(jì)。
           在支撐細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中，記住以下是重要的：正是高應(yīng)力受壓翼緣需要約束其側(cè)向位移。有時(shí)，很難在塑性鉸位置精確定位設(shè)置側(cè)向支撐。如果塑性鉸截面被認(rèn)為是側(cè)向約束住了（就像對(duì)加腋端頭的受壓翼緣所描述的那樣），則支承點(diǎn)不應(yīng)該遠(yuǎn)離塑性鉸位置D/2以上，D是在該特殊點(diǎn)處的截面高度，注意，正是受壓翼緣必須在塑性鉸位置的D/2范圍內(nèi)被約束。側(cè)向約束可以是任何形式，即交叉支承或縱向系桿只要受壓翼緣的側(cè)向移動(dòng)被限制。有許多不同的約束型式最近被注意到，如圖10所示，一些是有效的，另一些則不是。

           六、檐口構(gòu)件
           兩個(gè)問(wèn)題經(jīng)常被問(wèn)到??檐口構(gòu)件的作用是什么？檐口構(gòu)件是必需的嗎？（這顯然意味某些人不想用檐口構(gòu)件）。
           一個(gè)檐口構(gòu)件的功能就是為柱上端提供定位約束，將縱向風(fēng)力傳給支撐系統(tǒng)。此外，這些要求可以結(jié)合其他的設(shè)計(jì)考慮，當(dāng)設(shè)計(jì)者需要檐口構(gòu)件作為圍護(hù)板的橫梁或檁條甚至天溝支架時(shí)。很清楚，檐口構(gòu)件通常安裝在柱子的頂部，有時(shí)在柱子外邊──工程中似乎用得越來(lái)越多。
           由此，除非檐口構(gòu)件和受壓翼緣直接牢靠連接，否則檐口構(gòu)件不能提供側(cè)向約束，這個(gè)側(cè)向約束對(duì)于柱子加腋交界面的受壓翼緣是非常必要的。對(duì)于通常的結(jié)構(gòu)，受壓翼緣的側(cè)向約束要求與柱子頂端的定位約束要求是分開(kāi)考慮的。
           參考圖2，表明試驗(yàn)裝置中的“檐口構(gòu)件”似乎是結(jié)合了兩個(gè)功能，這是因?yàn)殚芸跇?gòu)件的截面高度和梁一樣，這樣就為內(nèi)部受壓翼緣提供了一個(gè)定量的側(cè)向約束，僅僅很小的門(mén)式剛架會(huì)是這種構(gòu)造情況。
           七、螺栓連接
           除了驗(yàn)算構(gòu)件側(cè)向穩(wěn)定外，螺栓連接的設(shè)計(jì)不可避免最受關(guān)注，連接的設(shè)計(jì)已經(jīng)存在有很大的偏差情況。最基本的是，連接的作用是將兩個(gè)主要的構(gòu)件連成一個(gè)單元體而不失去強(qiáng)度或引起不適當(dāng)問(wèn)題例如大的變形。連接必須具有足夠的強(qiáng)度，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生塑性鉸。另一方面，局部構(gòu)件允許有一定的塑性變形能力以便得到一個(gè)有效的節(jié)點(diǎn)。如果連接中不發(fā)生塑性鉸，則在連接區(qū)域不需要轉(zhuǎn)動(dòng)能力。連接剛度影響到剛架的整體剛度，雖然起初對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度反應(yīng)僅僅有一個(gè)邊際效果。連接設(shè)計(jì)考慮的主要因素之一是制作成本和便易安裝，雖然成本取決于工廠加工，但詳圖設(shè)計(jì)都由設(shè)計(jì)人員處理。通常，如果工廠焊接減少，則會(huì)導(dǎo)致制作成本減少，設(shè)計(jì)連接時(shí)應(yīng)對(duì)細(xì)部加以檢查。
           首先，8.8級(jí)或HSFG螺栓無(wú)足夠延性去產(chǎn)生塑性受力分布，見(jiàn)圖12（c）所示。一般按低彎矩階段最實(shí)際的螺栓受力分布計(jì)算，見(jiàn)圖12（a）所示，其中圖12（b）提供了一個(gè)在極限荷載下的螺栓受力分布的計(jì)算模式。后者模式與結(jié)構(gòu)表現(xiàn)相一致，轉(zhuǎn)動(dòng)中心定在剛度最大的部位，翼緣頂住柱腹板（封口連接）或毗鄰梁的翼緣（屋脊連接），這在試驗(yàn)中通過(guò)觀察端板的邊緣已“刺傷”毗連構(gòu)件的支承表面而得以表明。

           檐口連接由于薄的柱翼緣與相對(duì)厚的端板相結(jié)合引起了復(fù)雜的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題通常不會(huì)延伸到梁的受拉翼緣范圍之外。柱子翼緣上螺栓的作用力引起雙彎曲（杠桿撬力作用），端板經(jīng)受一個(gè)對(duì)應(yīng)頂排螺栓的懸臂作用力，此力來(lái)自于翼緣的拉力，剩余的拉力主要通過(guò)腹板傳遞到最上的二排螺栓。由曼切斯特大學(xué)所做的試驗(yàn)證據(jù)建議，螺栓受力分布分布（b）是實(shí)際的，應(yīng)被設(shè)計(jì)采納。然而，取決于受拉區(qū)的剛度構(gòu)造，受拉翼緣的第二排螺栓也可能隨著第一排螺栓接近破壞而達(dá)到彈性極限，見(jiàn)圖12（b）中的虛線。
           假定螺栓受力分布按圖12（b）所示，通過(guò)螺栓群的抗彎能力等于連接的作用彎矩計(jì)算出螺栓的大小。當(dāng)采用極限設(shè)計(jì)彎矩時(shí)，可以假定外排螺栓承擔(dān)最大的荷載等于螺栓的彈性極限荷載。有許多計(jì)算端板厚度的方法，Douty和MeGuire根據(jù)懸臂作用導(dǎo)出計(jì)算式，但是假定作用力由整個(gè)梁的拉力引起。然而試驗(yàn)表明不是這種情況，在端板附近翼緣的力顯著減小，由于一部分力直接通過(guò)梁腹板傳遞到螺栓。Blockley的方法似乎不增加端板厚度。然而，根據(jù)端板工況觀察的一個(gè)新近方法表明：一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)作法是端板厚度接近等于螺栓直徑，只要螺栓孔的橫向間距接近5倍螺栓的直徑。一個(gè)無(wú)加勁肋的端板厚度小于螺栓直徑則太柔，導(dǎo)致不能達(dá)到連接的設(shè)計(jì)抗彎能力。
           當(dāng)連接中的柱翼緣厚度小于端板時(shí)，螺栓中的附加撬力必須要計(jì)算，或者是柱翼緣強(qiáng)度必須加強(qiáng)，這可以設(shè)置小加勁肋以減少翼緣中的橫向彎曲或是設(shè)置墊板（見(jiàn)圖13所示）。建議墊板的厚度至少等于端板厚度減去柱翼緣厚度之差的1.25倍。為了減小板的彎曲和由此而來(lái)的杠桿撬力作用，在設(shè)計(jì)中應(yīng)懂得螺栓的位置以安裝工具盡量能靠近梁翼緣、腹板和加勁肋來(lái)確定。

           如果屋脊節(jié)點(diǎn)端板延伸到受拉翼緣的外面，該端板需要用三角形板加勁，最好采用UB（一剖兩）剪切，否則，無(wú)加勁板由于相對(duì)柔性將屈服和變形，此作用會(huì)引起梁截面內(nèi)的第一排螺栓承受的荷載比設(shè)計(jì)計(jì)算的更多而可能導(dǎo)致過(guò)早的破壞，由Deakin的試驗(yàn)得到這樣的破壞。采用薄的端板由加勁肋加強(qiáng)以消除橫向彎曲的做法看來(lái)是不夠經(jīng)濟(jì)的方案，因?yàn)樗郊又谱鞒杀尽?br />        研究表明，連接中受壓區(qū)域的螺栓能適當(dāng)?shù)貍鬟f常規(guī)門(mén)式剛架的豎向剪力。
           轉(zhuǎn)而討論螺栓的類型問(wèn)題，8.8級(jí)或HSFG螺栓，這兩種螺栓的材質(zhì)實(shí)際上是相同的，在極限荷載試驗(yàn)中的行為是相似的，主要的差別在于螺栓連接的板件發(fā)生分離時(shí)。由于HSFG螺栓的予拉力，端板的分離推遲到正常使用荷載之后才發(fā)生。但一旦端板發(fā)生分離，這兩種類型的螺栓工況就沒(méi)有什么差別。HSFG螺栓予拉力的作用改善了連接的初始剛度，減少了杠桿撬力，然而，由現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范采用允許應(yīng)力，設(shè)計(jì)者可以采用比8.8級(jí)普通螺栓多25%的拉力荷載，即如果采用HSFG型螺栓，需要的數(shù)量更少。
           檢查HSFG螺栓標(biāo)記的人員要求節(jié)點(diǎn)板接觸面必須是密貼的，不對(duì)的是，在門(mén)式剛架范圍內(nèi)HSFG螺栓的使用并不是摩擦型，而是予拉力型（高張拉力螺栓）。對(duì)于這樣一個(gè)問(wèn)題：滑移（最大2mm）對(duì)門(mén)式剛架的整體效應(yīng)如何？答案一定是沒(méi)有的，予拉力是一個(gè)很強(qiáng)的條件，高張拉螺栓無(wú)需結(jié)合考慮HSFG螺栓的無(wú)滑移工況條件，這無(wú)疑很快消除了關(guān)于HSFG螺栓的使用純粹只是考慮它們的高張拉強(qiáng)度而沒(méi)有考慮滑移問(wèn)題的爭(zhēng)論。
           端板與加腋構(gòu)件的連接焊縫是至關(guān)重要的。如果可能，應(yīng)采用角焊縫而不是對(duì)接焊縫，這樣，不僅僅免除了昂貴的（坡口）邊緣預(yù)加工，而且減小了層狀撕裂的危險(xiǎn)，試驗(yàn)已表明這種情況。對(duì)于極限荷載條件，角焊縫的設(shè)計(jì)可按簡(jiǎn)化規(guī)則──翼緣焊縫的組合焊喉厚度至少等于翼緣厚度，腹板焊縫的組合焊喉厚度至少等于腹板厚度。一個(gè)附加條件是：受拉一邊較大的焊縫應(yīng)延伸到腹板至少50mm以防止在角焊縫根部拉裂，但是推薦較大的焊縫連續(xù)伸過(guò)第2排螺栓，因?yàn)榱旱睦νㄟ^(guò)該區(qū)傳遞。
           最后，值得注意的是：所有的端板承受由焊縫傳遞的厚度方向應(yīng)力，在這種情況下，板的層狀危害是嚴(yán)重的。所有的端板應(yīng)驗(yàn)算端部二排受拉螺栓區(qū)域的層狀撕裂。
           八、柱子腹板區(qū)域的適當(dāng)性
           靠近檐口連接的柱腹板必須能承受大的局部拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。在拉力區(qū)域超過(guò)屈服能導(dǎo)致過(guò)度的扭曲，而受壓邊應(yīng)驗(yàn)算腹板壓潰和屈曲。還有一種屋蓋梁延伸到邊柱的設(shè)計(jì)情況，在這種情況下，剪切作用在柱子腹板橫截面中產(chǎn)生。柱子腹板的設(shè)計(jì)主要是驗(yàn)算無(wú)加勁腹板承受加腋力等于 的能力， 是從受壓翼緣的轉(zhuǎn)動(dòng)中心到頭二排受拉螺栓的中間距離（見(jiàn)圖14和15），如果腹板驗(yàn)算不夠，則必須通過(guò)某種加勁形式提高其承載能力。


           另一個(gè)關(guān)于螺栓連接的問(wèn)題是：螺栓并不總是直接安置在板件受力的部位，通常情況出現(xiàn)在加腋的受拉翼緣。應(yīng)正確地理解，連接區(qū)域的工況不但取決于節(jié)點(diǎn)加腋一邊所發(fā)生的情況，而且與柱子板域的工況有關(guān)。來(lái)自于加腋截面的拉力，通過(guò)螺栓引起柱子螺栓部位的翼緣變形，任何一個(gè)過(guò)度的橫向彎曲變形可以采用小加勁肋得到減少。另一個(gè)要求減少制作成本的辦法是加墊板。不幸的是，這些加強(qiáng)辦法（也包括加頂板）不能改善板域的抗剪能力。
           作為一個(gè)眾所周知的次要問(wèn)題，研究了一種新的加勁型式，可以同時(shí)解決抗剪和柱翼緣變形問(wèn)題（見(jiàn)圖13(f)所示）。該加勁肋采用交叉拉力構(gòu)件和水平加勁肋相結(jié)合的型式，這實(shí)際的形狀可簡(jiǎn)單彎折形成。最近，由試驗(yàn)研究比較了這種新型加勁肋和更傳統(tǒng)的加勁肋型式，試驗(yàn)結(jié)果表明：Morris加勁肋結(jié)構(gòu)上有效。再者，它是經(jīng)濟(jì)的，克服了螺栓通過(guò)其他加勁肋的困難。圖13給出了試件樣品的細(xì)節(jié)，由圖13(a)~(d)描述的四個(gè)試件表現(xiàn)了類似的樣式，除了柱子翼緣的局部效果不一樣。圖16表明新型加勁肋改善了抗剪功能且因其制作簡(jiǎn)單超過(guò)了K型加勁肋。

           雖然需彎曲，Morris加勁肋可以設(shè)計(jì)成一個(gè)常規(guī)的斜向加勁肋，Bose、McNiece和Sherbourne已經(jīng)表明，斜加勁肋的水平投影（ ）不應(yīng)超過(guò)腹板的剪切面積，因?yàn)椴捎酶鼜?qiáng)的加勁肋不能顯著地提高抗剪承載能力。
           九、柱子基礎(chǔ)
           當(dāng)前的柱基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法一般是經(jīng)驗(yàn)性的，不考慮鋼柱底和砼基礎(chǔ)之間的相互作用，單獨(dú)考慮土層條件的效果。這方面的設(shè)計(jì)研究正在進(jìn)行，但推薦用于設(shè)計(jì)仍為時(shí)過(guò)早。鋼和砼的相互作用工況取決于鋼板的柔性、灌漿的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量、砼基礎(chǔ)上的HD錨栓的支承能力等。
           直到最近，鉸接柱腳的典型型式為沿著H柱的中性軸安置兩個(gè)HD錨栓，盡管嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，這種設(shè)計(jì)有一些抗彎能力。然而，為了遵守關(guān)于火災(zāi)的規(guī)程，當(dāng)屋蓋在火災(zāi)時(shí)倒塌，柱子仍能保持不倒，這個(gè)規(guī)定可解釋為使鉸接柱腳有一定的嵌固度。這可在柱子截面高度范圍內(nèi)安排4個(gè)HD錨栓，在此情況中，可以有把握地假定柱腳產(chǎn)生的部分剛接能力等于20%的柱截面的彎矩能力，只要土層條件是適當(dāng)?shù)模瑥澗胤植伎砂创诵Чm當(dāng)調(diào)整。
           盡管有這樣的防火規(guī)則，但由于場(chǎng)地條件或需要簡(jiǎn)化基礎(chǔ)構(gòu)造，門(mén)式剛架設(shè)計(jì)中一般仍假定為鉸接基礎(chǔ)。這是相當(dāng)合乎規(guī)范的，因?yàn)橹撞糠謩偨拥拇嬖趯?duì)剛架強(qiáng)度沒(méi)有害處。通過(guò)柱底錨固于砼基礎(chǔ)面或利用基礎(chǔ)下面的土層摩擦力或土層對(duì)橫向移動(dòng)的被動(dòng)抗阻，柱底的水平抗剪鍵可以取消。
           一個(gè)固定柱底的方法是采用杯口基礎(chǔ)，柱子由此伸入到基礎(chǔ)內(nèi)，然后灌漿定位。更常用的方法是安置4個(gè)HD錨栓在柱子截面的外邊，配以適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)底板的加強(qiáng)筋，但能夠達(dá)到充分剛接嗎？需要做進(jìn)一步的研究工作來(lái)確定這個(gè)規(guī)則。
           十、剛架設(shè)計(jì)的總體考慮
           過(guò)去以為整體穩(wěn)定問(wèn)題通常不影響常規(guī)坡度門(mén)式剛架的設(shè)計(jì)，因?yàn)橹又械钠骄S向應(yīng)力很小。雖然這是對(duì)的，但也應(yīng)認(rèn)識(shí)到許多剛架在彎曲平面內(nèi)是細(xì)長(zhǎng)的，這可以導(dǎo)致彈性極限荷載與塑性破壞荷載之比是非常低，尤其是附有系桿的門(mén)式剛架。在這種情況下，需二階彈塑性分析計(jì)算剛架的承載能力。
           對(duì)于單跨剛架，當(dāng)承受風(fēng)荷載作用時(shí)，限制撓度條件后，通?？杀ＷC整體穩(wěn)定不是控制因素，當(dāng)柱子頂部的側(cè)移限定在使用荷載下不超過(guò)柱高的1/300時(shí)這種情況可以確定。然而，如果能證明更大的撓度不會(huì)損害結(jié)構(gòu)的有效強(qiáng)度或?qū)е伦詈蟮钠茐?，撓度值可以超過(guò)。因此需要一個(gè)不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定的安全撓度條件由下面的規(guī)定給出。
           柱頂在水平力作用下的水平撓度 不得超出1.8H(mm)，其中H是柱子的高度（m），該水平力作用在每個(gè)柱子頂部且方向相同，等于1%的柱子豎向使用荷載。
           多跨剛架有兩種形式的失穩(wěn)：一種是當(dāng)內(nèi)部柱子較細(xì)長(zhǎng)時(shí)，內(nèi)部搖擺失穩(wěn)；另一種是“躍越”屈曲失穩(wěn)，對(duì)于具有拱效應(yīng)的小坡度屋面尤其危險(xiǎn)。對(duì)于單跨剛架，搖擺失穩(wěn)正是其設(shè)計(jì)控制條件，對(duì)于“躍越”屈曲失穩(wěn)，新規(guī)程給出了設(shè)計(jì)公式。
           來(lái)自于理論分析的“剛塑性”承載能力計(jì)算應(yīng)由BCSA-29版中原始給出的圖表修正，。該圖表在Constradode增補(bǔ)版的“塑性設(shè)計(jì)”中再次給出，它考慮幾何改變的效果和單跨剛架的應(yīng)變硬化。這個(gè)圖表假定了剛架全部是等截面構(gòu)件，通過(guò)假定有效長(zhǎng)度等于跨度L減去加腋總長(zhǎng)度的一半，這個(gè)圖表仍然可以應(yīng)用于加腋剛架。
    結(jié)束：
           如果本篇論文有助于減少關(guān)于門(mén)式剛架設(shè)計(jì)的爭(zhēng)論問(wèn)題，則本文目的即已達(dá)到。
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