鋼結構設計中一些體會

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本人自參加工作以來設計了多棟鋼結構建筑,其中包括門式剛架、鋼框架、鋼結構加層、鋼結構加電梯、大型廣告牌等。隨著設計經(jīng)驗的積累,對規(guī)范認識的逐步加深,從中總結了一些對鋼結構設計的認識,提出來供大家參考及討論。
1門式剛架
⑴門式剛架應首先確定是否有吊車,如廠房工藝要求需要布置吊車,則應注意以下幾點:①柱腳應設計成剛性柱腳; ②柱應設計成等截面柱; ③柱間支撐應由吊車縱向水平荷載控制設計,而不是簡單的構造設計,當有不小于5 t的橋吊時,宜采用型鋼支撐。如門式剛架無吊車,則按楔形柱等常規(guī)設計,不再贅述。
⑵柱間支撐的布置
柱間支撐與屋面支撐應布置在同一柱間,使剛架縱向形成穩(wěn)定體系,便于剛架安裝且增加縱向剛度。支撐應布置在第一柱間或第二柱間,當布置在第二柱間時第一柱間相應布置剛性系桿,且剛性系桿與抗風柱沿縱向位置一致,使風荷載直接傳遞。在剛架轉折處(單跨房屋邊柱柱頂及屋脊以及多跨房屋某些中間柱柱頂和屋脊)應沿房屋全長設置剛性系桿。當門架的跨度較大時,在布置支撐的柱間,應適當增加剛性系桿的數(shù)量,使支撐的夾角在45°左右。當受建筑功能限制無法布置柱間支撐時,應布置縱向剛架。本人就曾經(jīng)做過一個在端部柱間做剛接鋼梁,從而取消柱間支撐的工程,使建筑布置更加靈活,應用效果良好。
⑶屋面、墻面構造
屋面及墻面構造措施是增大剛架剛度,防止剛架平面外失穩(wěn)的關鍵措施。檁條、墻梁一般由冷彎薄壁構件制成,當柱距小于6 m 時,設一道拉條,大于6 m時,設兩道拉條。在這里應特別提到斜拉條,在校圖過程中,常常可以看到許多鋼結構廠家或設計者設斜拉條而不設撐桿的情況。原因是結構概念不是很清楚,因為通過結構力學知識,在斜拉條間設置撐桿,方可形成穩(wěn)定體系。在屋面、墻面設計中還應注意隅撐布置,隅撐不是可有可無,它是為防止受壓翼緣屈曲而設置。研究表明門式剛架的破壞首先是由于受壓最大翼緣屈曲引起的。斜梁下翼緣與剛架柱內(nèi)翼緣連接處是出現(xiàn)屈曲的關鍵部位,該處設隅撐十分重要。另外,《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》CECS102:2002 (以下簡稱CECS102:2002)中規(guī)定:在斜梁下翼緣受壓區(qū)亦設置隅撐,其間距不得大于相應受壓翼緣寬度的16(235/fy)0.5倍。按一般的門式剛架,檁距1500 mm左右時,隔一個檁條設一道隅撐可滿足上述條件。
⑷抗剪鍵
《CECS102: 2002》中規(guī)定:柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平剪力,水平剪力可由底板與混泥土基礎間的摩擦力(摩擦系數(shù)可取0. 4)或設抗剪縫承受。這就是我們計算門架時,往往出現(xiàn)警告提示:“柱腳需要設抗剪! ”
分析上述原因,主要是門架結構一般自重較輕,柱腳底板與基礎混凝土間的摩擦力較小,不足以抵抗水平的風荷載與地震作用,所以應設置抗剪鍵?？辜翩I一般用角鋼或工字鋼制成,其截面與焊縫的抗剪承載力應進行計算,柱腳底板與基礎表面間的空隙進行二次注漿。具體做法可參考《多、高層民用建筑鋼結構節(jié)點構造詳圖》01SG519圖集中第30頁大樣1、2的做法。
⑸柱腳錨栓的安裝定位
這是設計人員往往忽視的問題,而在實際工程中錨栓定位不準確造成剛架或框架安裝困難的工程案例比比皆是,本人也遇到過這種情況,后來不得不加固處理。分析原因,主要是錨栓之間無連接,整體剛度差,在澆筑混凝土的過程中錨栓難免移位。針對上述原因,采取澆筑混凝土前預埋柱腳錨栓固定支架處理,具體做法見圖1。固定支架與錨栓形成一個小的格構柱,這樣錨栓的定位就方便準確了。⑹抗風柱與剛架的連接目前門式剛架的抗風柱設計存在兩種錯誤的做法:一種是將抗風柱與剛架做成一樣,抗風柱與剛架梁或鉸接或剛接,抗風柱既參與抗風又參與豎向荷載作用及橫向水平作用。而設計人員往往又不做這樣剛架的縱向抗風驗算。這樣做是漏算荷載的,是工程設計的一大忌。本人認為一個受力明確的排架結構不應讓它的受力復雜化。這種做法是欠妥的;另一種做法是抗風柱與剛架在一條軸線上,但不考慮抗風柱受豎向荷載作用,抗風柱與剛架梁之間用一塊鋼板通過焊縫相連。這種做法仍然將一部分豎向荷載傳給了抗風柱,而且鋼板的側向剛度很小,在豎向荷載的作用下發(fā)生屈曲后就很難保證有效地傳遞風荷載了。以上兩種做法都存在弊端。在這里推薦以下做法:
采用廠房做法定軸網(wǎng),第一榀剛架軸線與抗風柱錯開500～600 mm,抗風柱翼緣通過連接板與剛架梁腹板加勁肋相連,且連接板及加勁肋上開豎向長圓孔,連接螺栓采用普通螺栓,做法見圖2。圖2　抗風柱與剛架連接大樣
2　鋼框架的設計
⑴鋼框架體系的選擇
常用鋼結構框架可分為純框架體系和框架—支撐體系兩大類 。體系的選擇與建筑物的高度、使用功能密切相關。這就要求結構工程師應與建筑師密切配合,當由于建筑功能限制無法設置支撐時,則應采用純框架體系。純框架體系由于無抗側移支撐,縱橫兩個方向要滿足《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2001 (以下簡稱《抗規(guī)》)第5.5節(jié)彈性層間位移角小于等于1 /300的要求,梁與柱在縱橫兩個方向均應剛接;又因《抗規(guī)》第8. 3. 4 條規(guī)定:“柱在兩個互相垂直的方向都與梁剛接時,宜采用箱型截面”,所以采用純框架體系時,柱往往設計成箱型柱,但箱型柱內(nèi)部防銹及使用過程中的維護相當困難,這是鋼結構設計中的一大難題。本人也試圖在設計中采用柱內(nèi)澆筑混凝土的方法,但由于箱型柱在節(jié)點區(qū)設置加勁隔板,澆筑混凝土很困難;另一方面,鋼管混凝土在國內(nèi)仍處于研究階段,常用設計軟件無法計算,計算理論在各學報中不盡相同?；谝陨显?在設計純鋼結構框架時,大部分仍采用不灌混凝土的箱型截面柱。本人在試算過程中采用工字柱強、弱軸均剛性連接的算法,依據(jù)是《抗規(guī)》第8.3.4 條采用的文字是“宜”,參考內(nèi)地大設計院圖紙亦有采用上述設計方法的,但計算結果并不理想,弱軸方向的彈性層間位移角仍然無法滿足《抗規(guī)》第8. 3. 4的要求。由于箱型柱在構造上的一些困難,故建議在設計多層鋼結構房屋時盡量采用工字型柱,設計成框架—支撐體系。結構工程師與建筑師盡量協(xié)調,通過在需要布置支撐位置布置樓、電梯間等不開大洞口墻體來實現(xiàn)支撐的隱形。實際工程計算結果表明,支撐對框架的位移控制效果非常好,加之采用工字形柱使得材料節(jié)省、防銹,使用中維護方便,弱軸方向的連接簡單易行,實在是一個有效的方法。
⑵節(jié)點設計
鋼結構節(jié)點設計是鋼結構設計的關鍵。鉸接節(jié)點簡單,力學關系明確,在這里不做過多贅述,重點討論一下剛接節(jié)點的設計。梁柱剛性連接設計中,《抗規(guī)》8. 3. 4條推薦使用規(guī)范中圖8. 3. 4 - 1的節(jié)點形式,在工程實際中采用的也大部分是這類節(jié)點。這種節(jié)點有兩種計算依據(jù):精確設計法和常用設計法。二者的區(qū)別是前者考慮腹板抗彎和抗剪,后者考慮腹板僅抗剪。精確設計法在實際設計中,腹板抗彎很難滿足要求,必須較大程度地加厚腹板。加厚腹板的做法很不經(jīng)濟,所以工程中大多采用常用設計法,這種計算模型力學關系明確,計算簡單,但是在設計中一定要注意采取抗震加強措施,如采用使塑性鉸外移的梁端增強式連接或在離梁端不遠處削弱梁上下翼緣的犬骨式連接。這是因為,在不做任何加強梁端翼緣的情況下,只考慮腹板連接螺栓承擔剪力,彎矩由翼緣焊縫承擔,那么翼緣焊縫的抗彎能力只有梁抗彎能力的80 %左右(即梁翼緣截面模量只有梁全截面模量的80 %左右) ,再按《鋼結構設計規(guī)范》第3. 2. 2條,考慮現(xiàn)場施工條件焊縫強度設計值乘以折減系數(shù)0. 9,則其連接的抗彎承載力只有梁抗彎承載力的70%～75%。這種節(jié)點比等強連接還要低30% ～25% ,違背了“強節(jié)點,弱桿件”“大震不倒”的抗震基本原則?；谝陨显?應采用《多、高層民用建筑鋼結構節(jié)點構造詳圖》01SG519圖集第19、20頁所示的抗震加強措施。

另外
我國在《抗規(guī)》及《鋼規(guī)》中均未規(guī)定鋼框架的抗震等級,只是分12層以下和12層以上兩個標準。筆者認為這相對于我國地域遼闊、各地設防烈度差異大的特點是不合適的。新舊《鋼規(guī)》中對多、高層鋼結構房屋均未規(guī)定伸縮縫的設置范圍,僅對單層工業(yè)廠房做了一些規(guī)定。以上兩點都是概念性的大問題,《鋼規(guī)》不強調這兩點是不合適的。