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      輕型鋼結構設計常見“誤區”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構設計中常見“誤區”提出探討意見,希望有些能在規范修改中考慮研究,內容包括風載,抗震,穩定,支撐,鋼材,檁條等問題。
          關鍵詞:輕鋼結構 設計 “誤區”

        一、規范的選擇
             1、《門架規程》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。關于規范混用過去有此說法,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,取其局部可能會不安全,但是只要吃透了規范,這就不是問題?!?a href="http://m.yiqutxt.com/index.php?m=content&c=index&a=lists&catid=58" target="_blank" class="keylink">鋼結構設計規范》(以下簡稱《普鋼規范》)與《門式剛架輕鋼房屋鋼結構設計規程》(以下簡稱《門架規程》)應該歷史的看問題,本來《門架規程》應該是《普鋼規范》的一部分,[2]由于我國《普鋼規范》脫胎于重工業廠房為對象的前蘇聯規范,幾次修訂擴寬了范圍,還是滿足不了需要。所以《網架設計規范》、《高層鋼結構設計規程》、《門架規程》只是作為特殊領域的補充。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,門架則考慮彎距與軸力,因此應該根據實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題即可不處罰,國外大部是指南,說明編制雖經努力,但出了問題仍由設計負責,而我國有實例說明,只要遵守規范規程,設計將無責任。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式剛架安全
            《普鋼規范》計算結果一定比《門架規程》安全?不一定,要了解二本規范不同規定:
            [3] 1)《門架規程》考慮了軸力,按壓彎構件計算,《普鋼規范》不考慮軸力;
               2)門架結構按變截面算穩定,鋼結構無此算法;
               3鋼結構按全截面計算,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、門架高寬比小于1:4即不能用《門架規程》風載體型系數
             在荷載規范、相關標準圖及權威性結構設計規定均有以上規定,其實這是一種誤解,目的是那本規范安全即用那本,這樣做是不必要的,因為《門架規程》風載是MBMA的規定,是AISI和加拿大Sicc試驗研究,用最先進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以下風載MBMA,18m以上風載采用另外的規范,沒有必要加以包絡。
        2、圍護結構考慮陣風系數
            荷載規范7.1.1-2,圍護結構應考慮陣風系數,但圍護結構有二種,一種是脆性的,一種是塑性的,國外考慮陣風是瞬時的風,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,而脆性的如玻璃屏墻應考慮陣風。
            另一種誤解是《門架規程》條文說明附錄AA.0.1“由于MBMA手冊中規定的風載體型系數已經包含了陣風效應,因此本規程不再考慮陣風系數”。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的體型系數考慮了紊流和風路中由結構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。
        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,但在風振系數上,還存在一定問題,僅能作為風洞試驗的輔助,或在初步設計等情況下使用,目前風洞試驗一般是做剛性模型,當然對風振系數有些影響,但由于風振下結構變形也有限,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明7.4.2~7.4.6,給出了Davenport建議的風譜密度經驗公式,而這個風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°,缺乏提供這樣的風譜,因此目前不得已下,大多數風振系數都是套用規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計方法可能造成不必要浪費,也不排除某些未預見的隱患。
        4、正確理解《門架規程》與美國MBMA及我國風載規范不同之處
            《門架規程》采用了美國MBMA是考慮了風內外之合力,而我國風載規范的風載體型系數只考慮了外部風力。
            《門架規程》根據MBMA應為二種荷載情況Ⅰ,Ⅱ二種情況僅局部變化,所以為簡化起見采用的是Ⅰ,實際上是有些出入的。
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        《門架規程》并未考慮海岸線的風力加大,美國將海岸線內160公里范圍的風力均加大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2m,局部達3kN/?,雪密度達188kg/m3。我國雪載規范僅簡化為整體均勻分布和分區均勻分部二種,沒有考慮場地和環境影響,沒有區分屋面暴露與遮蔽情況,沒有區分采暖和不采暖,也缺乏光滑屋面積雪經驗,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),必須按實際的積雪分布圖來計算,應吃透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,現在AB由鋼罐即開始分開,所以A類鋼碳的含量完全不預保證,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是難以保證的。
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            上表推導見清華大學講義“《普鋼規范》設計應用講解”單層廠房框架單階柱計算長度系數。關于長細比,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,按構造即可。
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        2、門架阻尼比0.05值得探討
            《門架規程》說明3.6.6,根據抗震規范條文8.2.2,說明,阻尼比取0.05,原抗震規范采用C來反映結構延性,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,實則綱結構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,還是“建筑結構抗震性能設計準則”CECS1602004已經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,有的用隅撐來作柱的平面外支撐點,隅撐主要是梁,柱受壓時,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)《門架規程》4.5.2.3“當建筑物寬度大于60m 時,內柱應適應增加柱間支撐”,換言之,60m內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,還有蒙皮規范,而《門架規程》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,又未做過調查、試驗,更沒有應力蒙皮規范,因此4.5.2-3與5.1.2是互相矛盾的,尤其《門架規程》未明確有吊車時不適用此條,幸而國內尚未發現有吊車時按此條,如果有吊車的按此條,后果不堪設想。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,柱間支持按美國經驗按水平支撐強度及剛度決定,最大不超過60m,   災害中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,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,只有拉桿進入塑性屈服后,壓桿才會失穩,因為壓桿達到屈曲臨界荷載時壓桿的變形受相應拉桿的約束,二者變形必須協調,壓桿變形不能自由發展,因此不會失穩,不會出現壓桿不參加工作,從唐山地震壓桿細長比達200~300,雖然屈曲但也未先失穩,所以規定抗震支撐長細比≤150并無依據,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)《門架規程》附錄E檁條在風吸力下的穩定有二個問題[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《門架規程》計算方法基本不能用,都采用冷彎薄壁型鋼規范。
            (2)經過對98年《門架規程》,2002年《門架規程》,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度與拉條無關,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范就是不安全的,這個問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,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(百問百答)第一、二冊。人民交通出版社
        [2]普鋼廠房結構設計.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,?國雋,錢若軍.大跨結構抗風研究現狀及展望.空間結構,2009.01
        [5]蔡益燕.對門式剛架輕鋼房屋抗震設計的幾點建議.中國建筑鋼結構,2008增刊
        [6]喻純誠,王福田,耿樹江,泰志堅.交叉鋼支撐抗震設計方法
        [7]童根樹等,框架中有搖擺柱時框架柱穩定系數.鋼結構,2009增刊
        [8]陳友泉,魏潮文,門式剛架輕型房屋鋼結構設計與施工疑難問題釋義.中國建筑工業出版社
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