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輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計常見“誤區(qū)”的探討

作者:丁蕓孫    
時間:2011-11-18 16:55:42 [收藏]
本文對當前輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見“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 “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,而后一部分補上,取其局部可能會不安全,但是只要吃透了規(guī)范,這就不是問題。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《普鋼規(guī)范》)與《門式剛架輕鋼房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(以下簡稱《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《普鋼規(guī)范》脫胎于重工業(yè)廠房為對象的前蘇聯(lián)規(guī)范,幾次修訂擴寬了范圍,還是滿足不了需要。所以《網(wǎng)架設(shè)計規(guī)范》、《高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》、《門架規(guī)程》只是作為特殊領(lǐng)域的補充。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腹板屈曲后強度的計算二本規(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,也是強制性的,但違反了只要不出問題即可不處罰,國外大部是指南,說明編制雖經(jīng)努力,但出了問題仍由設(shè)計負責,而我國有實例說明,只要遵守規(guī)范規(guī)程,設(shè)計將無責任。這樣比較容易執(zhí)行,但也影響設(shè)計責任心。
    2、《普鋼規(guī)范》計算結(jié)果一定應(yīng)比門式剛架安全
        《普鋼規(guī)范》計算結(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腹板在靠近翼板處與腹板中央處的應(yīng)力差太遠,因此引入有效截面,而鋼結(jié)構(gòu)高厚比限制較嚴,因此全截面有效;
          4)門架結(jié)構(gòu)截面完全按彈性計算,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》風載體型系數(shù)
         在荷載規(guī)范、相關(guān)標準圖及權(quán)威性結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定均有以上規(guī)定,其實這是一種誤解,目的是那本規(guī)范安全即用那本,這樣做是不必要的,因為《門架規(guī)程》風載是MBMA的規(guī)定,是AISI和加拿大Sicc試驗研究,用最先進儀器得到的公認結(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,美國很明確的18m以下風載MBMA18m以上風載采用另外的規(guī)范,沒有必要加以包絡(luò)。
    2、圍護結(jié)構(gòu)考慮陣風系數(shù)
        荷載規(guī)范7.1.1-2,圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮陣風系數(shù),但圍護結(jié)構(gòu)有二種,一種是脆性的,一種是塑性的,國外考慮陣風是瞬時的風,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,而脆性的如玻璃屏墻應(yīng)考慮陣風。
        另一種誤解是《門架規(guī)程》條文說明附錄AA.0.1“由于MBMA手冊中規(guī)定的風載體型系數(shù)已經(jīng)包含了陣風效應(yīng),因此本規(guī)程不再考慮陣風系數(shù)”。美國不考慮陣風對的,因為美國風速用3秒,瞬時風速由于儀器測不到瞬時,也大約1.52秒,很接近,而我國風速取10分鐘平均值,相差1.5倍,因此《門架規(guī)程》用我國風速,而認為可不考慮陣風不對的,當然MBMA的體型系數(shù)考慮了紊流和風路中由結(jié)構(gòu)引起的風流型式被遮斷后果造成的因素,但不能就因此不考慮陣風系數(shù)。
    3、CFD可以代替風洞試驗,或CFD僅能起參考作用
        這二種觀點都不全面,CFD(計算流體力學)既省錢又避免了模型模擬的難題,國外,飛機汽車工業(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為在求體型系數(shù)時,CFD完全可以代替風洞試驗,僅是精度差10%,工程完全可以接受,但在風振系數(shù)上,還存在一定問題,僅能作為風洞試驗的輔助,或在初步設(shè)計等情況下使用,目前風洞試驗一般是做剛性模型,當然對風振系數(shù)有些影響,但由于風振下結(jié)構(gòu)變形也有限,誤差可以接受,如果能做氣彈模型風洞試驗當然最好,但模型的模擬相當復(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(guī)范說明7.4.2~7.4.6,給出了Davenport建議的風譜密度經(jīng)驗公式,而這個風譜密度是從左右對準垂直于地面的結(jié)構(gòu),而房屋屋蓋正好相反轉(zhuǎn)90°,缺乏提供這樣的風譜,因此目前不得已下,大多數(shù)風振系數(shù)都是套用規(guī)范說明的風譜密度公式來計算屋蓋風振,[4]認為這樣套用高層的風振設(shè)計方法可能造成不必要浪費,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MBMA及我國風載規(guī)范不同之處
        《門架規(guī)程》采用了美國MBMA是考慮了風內(nèi)外之合力,而我國風載規(guī)范的風載體型系數(shù)只考慮了外部風力。
        《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,所以為簡化起見采用的是Ⅰ,實際上是有些出入的。
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    《門架規(guī)程》并未考慮海岸線的風力加大,美國將海岸線內(nèi)160公里范圍的風力均加大1.1。
    5、輕型房屋雪載按荷載規(guī)范偏小
    目前我國雪災(zāi)情況比較嚴重,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3kN/?,雪密度達188kg/m3。我國雪載規(guī)范僅簡化為整體均勻分布和分區(qū)均勻分部二種,沒有考慮場地和環(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,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,必須參考歐、美等規(guī)定。
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    5.小結(jié)
        (1)GB50009的簡化等效積雪荷載計算適應(yīng)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),必須按實際的積雪分布圖來計算,應(yīng)吃透GB50009條文說明的精神,不可簡單按其表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(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
    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,所以許多工地認為“宜”字即可通融,所以要求按過去甲、乙級綱材辦法,附加三保證,其實不了解,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;因為鋼梁與砼柱的剛性節(jié)點是難以保證的。
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        上表推導(dǎo)見清華大學講義“《普鋼規(guī)范》設(shè)計應(yīng)用講解”單層廠房框架單階柱計算長度系數(shù)。關(guān)于長細比,當剛架中一根柱軸力小時,計算長度就會很大,只要軸力大的柱滿足長細比的要求后,軸力小的柱不必按計算考慮長細比,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,當然包括門架,我們認為這是很勉強,實則綱結(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,除非提出門架實測阻尼比0.05的依據(jù),還是“建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計準則”CECS1602004已經(jīng)恢復(fù)延性對抗震影響,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,有的用隅撐來作柱的平面外支撐點,隅撐主要是梁,柱受壓時,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,一定要認識隅撐作用的局限性;
       (4)《門架規(guī)程》4.5.2.3“當建筑物寬度大于60m 時,內(nèi)柱應(yīng)適應(yīng)增加柱間支撐”,換言之,60m內(nèi)不需要每個柱列加柱間支撐,這是與過去做法不同的,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(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,而我國當前屋面板是良莠不齊,又未做過調(diào)查、試驗,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》未明確有吊車時不適用此條,幸而國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)有吊車時按此條,如果有吊車的按此條,后果不堪設(shè)想。我們認為這點值得重視,建議加強水平支撐,并按照《普鋼規(guī)范》當水平支撐的跨中剛度,(水平支撐的跨度為二個柱間支撐之間距離)大于有側(cè)移剛架剛度的5倍,并驗算滿足了強度來確定二個柱間支撐之距離,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,壓桿細長比必須小于150
    這也是一直爭論的問題,國外做法也不一致,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)國內(nèi)試驗結(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,僅壓桿或拉桿單獨作用不合理;
    2)壓桿臨界力與計算值基本一致,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),只有拉桿進入塑性屈服后,壓桿才會失穩(wěn),因為壓桿達到屈曲臨界荷載時壓桿的變形受相應(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,因此不會失穩(wěn),不會出現(xiàn)壓桿不參加工作,從唐山地震壓桿細長比達200~300,雖然屈曲但也未先失穩(wěn),所以規(guī)定抗震支撐長細比≤150并無依據(jù),當然長細比小些對延性耗能有利;
    5)滯?曲線仍為滑移型,但延性是好的達到5,倒塌時延性更大;

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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剪心的扭轉(zhuǎn),拉條交叉放,既浪費材料,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檁條在風吸力下的穩(wěn)定有二個問題[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98年《門架規(guī)程》,2002年《門架規(guī)程》,HP設(shè)計手冊,澳大利亞規(guī)范,冷彎薄壁規(guī)范,檁條吸力下穩(wěn)定計算,結(jié)果考慮了蒙皮作用的2002《門架規(guī)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(guī)范保守,這是很不合理的。
    在中國的美國公司現(xiàn)用AISI冷彎規(guī)范計算,比歐洲規(guī)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,考慮了缺陷及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定,而我國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,但由于實際上蒙皮作用仍會某種程度上存在,所以實際上也不能說我國大量采用冷彎薄壁型鋼規(guī)范就是不安全的,這個問題還希望規(guī)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,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,也是一種計算檁條的辦法。
     
    參考文獻
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    [6]喻純誠,王福田,耿樹江,泰志堅.交叉鋼支撐抗震設(shè)計方法
    [7]童根樹等,框架中有搖擺柱時框架柱穩(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)計與施工疑難問題釋義.中國建筑工業(yè)出版社
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