時(shí)間：2022-12-20 02:04:02
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【關(guān)鍵詞】公路 鐵路 房建行業(yè) 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，對建設(shè)施工標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求。在我國的建筑領(lǐng)域，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋼材料的規(guī)范設(shè)計(jì)方面有許多規(guī)定，明確指出了鋼材料型號、尺寸、計(jì)算、施工技術(shù)及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等要求。為了使建筑施工及管理人員更好的掌握鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則與標(biāo)準(zhǔn)，本文主要對公路、鐵路與房建行業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行了比較分析，希望對相關(guān)研究領(lǐng)域提供幫助。
1 建筑施工中鋼材型號選擇
根據(jù)公路建設(shè)施工條件要求，公路鋼橋主體結(jié)構(gòu)通常采用Q345鋼，無論哪種型號的鋼材，都要滿足公路橋梁設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)。由于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼也比較適用于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因而也可以在建設(shè)施工中采用該型號的鋼材;《鐵橋鋼規(guī)》中明確指出，鐵路鋼橋的主體結(jié)構(gòu)中應(yīng)該使用質(zhì)量等級是D、E級的Q345q、Q370q、Q420q 鋼，在鐵路橋梁的輔助結(jié)構(gòu)或者是在橋梁的連接處，則需要使用Q235―B或Q（z）345c鋼;而房建行業(yè)對于鋼材型號的選擇則具有不同要求，在房屋建設(shè)中使用剛才的型號通常為Q235、Q390、Q420 等，房屋建設(shè)中鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)《低合鋼》、《碳鋼》中的要求來確定。從我國當(dāng)前建筑行業(yè)的運(yùn)行與發(fā)展情況來看，公路橋梁和鐵路鋼橋基本都是按照100年使用期限來進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，而大部分的房屋建設(shè)則是按照50年的使用標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，橋梁承受的重量多為動力載荷或者是沖擊載荷。由此可以看出，公路和鐵路設(shè)計(jì)施工中，鋼材的性能要明顯高于房屋建設(shè)中使用的鋼材性能，其主體結(jié)構(gòu)需要應(yīng)用高強(qiáng)度的鋼材。
2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
目前，容許應(yīng)力法與極限狀態(tài)法是工程建設(shè)領(lǐng)域中經(jīng)常使用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。容許應(yīng)力法從使用初期一直沿用至今，該方法主要是把建設(shè)材料看成是一種理想狀態(tài)的彈性體，構(gòu)件中任何部位的應(yīng)力都不能超出材料本身的容許應(yīng)力。在20世紀(jì)50年代，我國公路橋梁設(shè)計(jì)施工中，主要借鑒國外先進(jìn)的施工經(jīng)驗(yàn)，在施工中主要采用容許應(yīng)力法。而且直到現(xiàn)在，我國鐵路建設(shè)施工中，還依然采用容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
發(fā)展到80年代以后，我國在建筑施工中開始逐漸使用極限狀態(tài)法，并且在鋼結(jié)構(gòu)房屋建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，該計(jì)算方法把結(jié)構(gòu)可靠度理論和概率理論作為了基礎(chǔ)，而且設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了多次修改，逐步得到完善。盡管容許應(yīng)力法具有操作簡便、實(shí)用性較高等特點(diǎn)，但是也存在一定缺陷，該方法不能正確反映出材料的特性、構(gòu)件抗力變異以及載荷效應(yīng)，不能對材料的繼續(xù)承載力進(jìn)行準(zhǔn)確分析，因而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于保守。而極限狀態(tài)法則能夠有效彌補(bǔ)容許應(yīng)力法的缺陷，通過對可靠度指標(biāo)的詳細(xì)分析，使構(gòu)件可靠度相互協(xié)調(diào)，并依托塑性理論，使材料的最大性能得到了發(fā)揮。當(dāng)前，極限狀態(tài)法已經(jīng)成為了國際鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方式，更好的滿足了現(xiàn)代化大規(guī)模鋼橋建設(shè)與發(fā)展的需要。
3 載荷設(shè)計(jì)
公路橋梁、鐵路橋梁設(shè)計(jì)中的荷載要選用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，而在房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，往往使用極限狀態(tài)法，在應(yīng)用該方法時(shí)，設(shè)計(jì)荷載是由荷載標(biāo)準(zhǔn)值與荷載分項(xiàng)系數(shù)、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)以及可變荷載組合系數(shù)的一個(gè)組合值。在房屋鋼結(jié)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)使用年限主要是由γ0（結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)）來反映，如果設(shè)計(jì)使用年限超過100年，或者安全等級是1級的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，通常γ0值都會≥1.1，而其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件的γ0值可以小于1.1。一般情況下，公路、鐵路建設(shè)的使用設(shè)計(jì)年限都不小于100年，而房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全等級也都為1級，因而γ0值都不能小于1.1。表1主要對房屋、公路和鐵路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算方法進(jìn)行對比。
通過對房屋、公路和鐵路鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性計(jì)算方法進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，房屋建設(shè)設(shè)計(jì)規(guī)范雖然與公路、鐵路設(shè)計(jì)之間存在差異，但是差異較小，計(jì)算公式基本相同。在房屋建設(shè)設(shè)計(jì)中，需要應(yīng)用極限狀態(tài)的計(jì)算方法，因而對主平面內(nèi)的受彎正應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要認(rèn)真分析塑性的發(fā)展系數(shù)γx與γy。而在公路和鐵路橋梁設(shè)計(jì)中，會使用容許應(yīng)力法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，在對構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，僅僅需要對材料彈性受力階段的性質(zhì)進(jìn)行分析，并可以發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算公式中并沒有能夠反映出材料塑性的相關(guān)參數(shù)。在《鋼規(guī)》中，需要利用凈截面面積和毛截面面積分別對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算?！朵撘?guī)》把鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分成了整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性兩種類型，整體穩(wěn)定系數(shù)φ都小于1.0，并通過其來對整體結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行判斷，通過對構(gòu)件的高（寬） 厚比進(jìn)行驗(yàn)算，并設(shè)置加勁肋，從而避免局部出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。而《公橋鋼規(guī)》《鐵橋鋼規(guī)》鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性主要憑借容許應(yīng)力折減系數(shù)的方法來進(jìn)行控制，在計(jì)算局部穩(wěn)定性時(shí)，采用的方法與《鋼規(guī)》中規(guī)定的方法相近，但是高（寬） 厚比卻存在一定差異。
4 結(jié)語
本文主要對公路、鐵路與房建行業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行了比較分析，明確公路、鐵路和房屋鋼結(jié)構(gòu)之間存在的差異，從而使建設(shè)施工人員能夠更好的掌握鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為相關(guān)部門的管理者提供參考依據(jù)，從而提高工程項(xiàng)目的施工質(zhì)量，促進(jìn)我國建筑行業(yè)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
[1]原華，吳衛(wèi)華，李臨慶.公路、鐵路與房建行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范比較研究[J].高等建筑教育，2014，08（15）：12-13.
[2]高策，薛吉崗.鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范由容許應(yīng)力法轉(zhuǎn)為極限狀態(tài)法的思[J].鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012，（04）：41-45.
關(guān)鍵詞：美標(biāo)規(guī)范；鋼結(jié)構(gòu)；抗彎構(gòu)件
中圖分類號：TU392 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
中美兩國規(guī)范體系不同，兩者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也迥然不同。隨著我們企業(yè)逐漸走出國門，進(jìn)入廣大的國際市場，尤其是在亞非拉眾多國家，當(dāng)?shù)氐慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往按照美標(biāo)設(shè)計(jì)，或者以美標(biāo)為基礎(chǔ)建立發(fā)展自己國家的設(shè)計(jì)規(guī)范，在這些國家承包的工程，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往要求必須遵循當(dāng)?shù)匾?guī)范或者美標(biāo)規(guī)范，這就要求我們的企業(yè)必須掌握美標(biāo)規(guī)范設(shè)計(jì)。出于這方面考慮，我們對美標(biāo)規(guī)范設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，在本文中我們選取構(gòu)件設(shè)計(jì)中常見的抗彎構(gòu)件設(shè)計(jì)來進(jìn)行對比分析，并以某鋼結(jié)構(gòu)簡支梁截面為例進(jìn)行案例驗(yàn)算分析。
1.受彎構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算流程
1.1 中國標(biāo)準(zhǔn)（GB）計(jì)算流程
根據(jù)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件的正應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算、剪應(yīng)力計(jì)算、局部承壓強(qiáng)度計(jì)算、以及折算應(yīng)力計(jì)算分別如下列公式（1）、（2）、（3）、（4）。
上述公式中有關(guān)參數(shù)見GB50017第4.1.1～4.1.4條相應(yīng)條款，上述公式僅適用于主平面內(nèi)受彎的實(shí)腹式構(gòu)件，不適用于腹板屈曲后強(qiáng)度驗(yàn)算。一般驗(yàn)算主平面內(nèi)受彎的腹板未屈曲的實(shí)腹式構(gòu)件，均要驗(yàn)算上述式（1）、式（2）。特殊情況還需要根據(jù)GB50017按照式（3）、式（4）驗(yàn)算。
1.2 美標(biāo)規(guī)范計(jì)算流程
美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會AISC提出了兩種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，即LRFD和ASD法。設(shè)計(jì)人員可自行選定采用何種方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而選取的依據(jù)是設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性。
剪應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算公式見式（5）。
kv―腹板穩(wěn)定系數(shù)；對于非加勁截面且h/tw3.0或a/h>[260/（h/tw）]2；橫向加勁肋除應(yīng)滿足上述要求，還應(yīng)滿足構(gòu)造要求，具體詳ANSI/AISC 360-10 G3.3節(jié)。
2.受彎構(gòu)件穩(wěn)定計(jì)算流程
2.1 中國標(biāo)準(zhǔn)（GB）計(jì)算流程
當(dāng)不滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003第4.2.1條規(guī)定時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定計(jì)算，單向彎矩作用和雙向彎矩作用分別如下列公式（9）、（10）。
不滿足上述第一種情況的箱形截面簡支梁，其截面尺寸滿足h/b0≤6，l1/b1≤95（235/fy）時(shí)可不計(jì)算整體穩(wěn)定性。有關(guān)參數(shù)見《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.2～4.2.4條相應(yīng)條款。
2.2 美標(biāo)規(guī)范計(jì)算流程
（1）無需計(jì)算整體穩(wěn)定
ANSI/AISC 360-10中，F(xiàn)2、F3、F4、F5章節(jié)所列的截面，當(dāng)Lb≤Lp時(shí)，不用進(jìn)行側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲極限狀態(tài)計(jì)算；F6、F7、F8章節(jié)所列的截面不用進(jìn)行側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲極限狀態(tài)計(jì)算。
3.2 中國標(biāo)準(zhǔn)（GB）驗(yàn)算
強(qiáng)度：由規(guī)范得，對于雙軸對稱工字形截面γx=1.05；
結(jié)論
本文介紹了中國標(biāo)準(zhǔn)和美國規(guī)范對于鋼結(jié)構(gòu)抗彎構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算及穩(wěn)定計(jì)算的流程，并且選取一實(shí)際案例進(jìn)行對比計(jì)算。從上文可以看出美標(biāo)規(guī)范在構(gòu)件計(jì)算上的規(guī)定要細(xì)、要求更多，計(jì)算流程更為煩瑣。
通過系統(tǒng)計(jì)算，說明設(shè)計(jì)過程。
關(guān)鍵詞臨時(shí)立柱 臨時(shí)立柱基礎(chǔ) 連系梁截面
中圖分類號：TU921 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
1引言
一號橋站是成都地鐵3號線一期工程中的一個(gè)中間站，無換乘，為地下二層雙柱三跨12m島式車站，本站兩側(cè)區(qū)間為盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)機(jī)從北向南過站。車站位于紅星路-府青路與建設(shè)北路-星輝東路交叉口，主體沿紅星路-府青路布置，附屬分布在紅星路-府青路兩側(cè)，A出入口及1號風(fēng)道部分處于機(jī)動車路面下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用蓋挖法施工。
A出入口及1號風(fēng)道長63.6m，寬26.8m,第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐，混凝土支撐截面采用600mm×800mm，第二道支撐采用鋼支撐,鋼支撐采用Φ609，t=14mm。沿長度方向設(shè)置一排臨時(shí)立柱。臨時(shí)立柱上第一道連系梁采用截面為600mm×800mm的鋼筋混凝土連系梁，第二道連系梁采用雙拼40C槽鋼。圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖如下圖所示：
2臨時(shí)立柱和連系梁設(shè)計(jì)
2.1臨時(shí)立柱截面設(shè)計(jì)
臨時(shí)立柱根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）按軸心受壓構(gòu)件計(jì)算，其軸向力設(shè)計(jì)值：
（Nzl—水平支撐及柱自重產(chǎn)生的軸力設(shè)計(jì)值；Ni—第i層支撐軸力設(shè)計(jì)值；n—支撐層數(shù)）
臨時(shí)立柱采用格構(gòu)柱截面采用4根等邊角鋼L125X125X14,四塊綴板300X300X10間距是600mm， (臨時(shí)立柱高7.4m)，一邊高度方向約為9塊綴板，查型鋼表角鋼的線密度:26.2kg/m.綴板的線密度=0.3*0.1*7.85*1000=233.5kg/m.
因此格構(gòu)柱自重：
聯(lián)系橫梁采用槽40C,重：
混凝土撐作用在立柱上自重：
鋼支撐作用在立柱上自重：（支撐共1道）直徑609mm壁厚14mm其線密度為：205.429kg/m，
故：
根據(jù)里正深基坑的計(jì)算結(jié)果：第一道混凝土支撐的最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值N=328.73kN，第二道鋼支撐的最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值N=512.02 kN,
軍便梁上傳遞的荷載：
總共作用在立柱上的荷載值：
立柱長度：L=7.4m
立柱兩端鉸接，鋼支撐長度系數(shù)：；
立柱計(jì)算長度：
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)的規(guī)定：
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)5.1.3條查型鋼表L125X125x14如下圖所示的截面特性：
， ,,
根據(jù)材料力學(xué)知識計(jì)算該組合截面的慣性矩：(格構(gòu)柱截面400x400)
《根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)分肢對最小剛度軸的長細(xì)比，其計(jì)算長度取為：焊接時(shí)為相鄰兩綴板的凈距離l=600mm。
則換算長細(xì)比：（根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)5.1.3-3式）
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)表5.1.2對于格構(gòu)柱的截面分類對X,Y軸均為b類。
采用Q235B級鋼，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)附表C-2
軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性系數(shù)：
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)5.1.2式）計(jì)算穩(wěn)定性：
(穩(wěn)定性滿足要求)
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)5.1.1式）計(jì)算強(qiáng)度：
（強(qiáng)度滿足要求）
結(jié)論：臨時(shí)立柱采用直徑截面為400x400mm，四角采用L125x125x10的角鋼，綴板采用300x300X16,綴板凈距600mm的格構(gòu)柱滿足要求。
2.2臨時(shí)立柱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
根據(jù)《建筑樁基規(guī)范》(JGJ94-2008)（5.3.6式）單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值：（立柱樁徑為1200mm，根據(jù)≤建筑樁基規(guī)范≥(JGJ94-2008)屬于大直徑樁）
根據(jù)≤建筑樁基規(guī)范≥(JGJ94-2008)表5.3.6-2（碎石類土層），大直徑樁側(cè)阻，端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)分別為：
樁周長：
根據(jù)《成都地鐵3號線詳細(xì)勘察階段一號橋站巖土工程勘察設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表》：樁的極限側(cè)阻力和端阻力的標(biāo)準(zhǔn)值分別為：，立柱軸向力設(shè)計(jì)值為：1725.102kN。
=3.14x0.87358x120x3.5+0.87358x2500x1.1304
=1152.08+2468.74=3620.82kN
承載力特征值：
R=Quk/2=1810.4>1725.102
故承載力滿足要求。
2.3連系梁的設(shè)計(jì)
第一道臨時(shí)聯(lián)系橫梁采用兩道槽40C鋼。
聯(lián)系梁跨度取L=5.0m
聯(lián)系梁自重:
聯(lián)系梁上作用混凝土撐（截面600X800）傳來集中力（取聯(lián)系梁段第二道鋼支撐480.5kN）：
（取支撐自重+軸力的10%作用在連梁上）
假定鋼支撐集中力作用在跨中(按最不利位置考慮)，則
支座處最大彎矩：
兩道槽40c鋼抗彎截面系數(shù)：
第二道臨時(shí)聯(lián)系橫梁采用兩道槽40C鋼。
聯(lián)系梁跨度取L=5.0m
聯(lián)系梁自重:
聯(lián)系梁上作用鋼支撐（直徑609，壁厚14mm,傳來的集中力（取聯(lián)系梁段第二道鋼支撐軸力標(biāo)準(zhǔn)值501.12kN）：
（取支撐自重+軸力的10%作用在連梁上）
假定鋼支撐集中力作用在跨中(按最不利位置考慮)，則
支座處最大彎矩：
雙槽40c鋼抗彎截面系數(shù)：
滿足要求。
參考文獻(xiàn)
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[2] 《建筑樁基規(guī)范》(JGJ94-2008)
[3] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》.北京.中國建筑工業(yè)出版社.2003
【關(guān)鍵詞】 節(jié)點(diǎn)連接 等強(qiáng)連接 剛性連接 節(jié)點(diǎn)域 彈性階段 塑性階段
中圖分類號:G808 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-8809(2010)08-0202-02
1.引言
本文通過對STS模塊中節(jié)點(diǎn)連接計(jì)算的實(shí)例計(jì)算數(shù)據(jù),分析梁柱的剛性連接計(jì)算要點(diǎn),在分析中綜合軟件,設(shè)計(jì)知識,規(guī)范三部分內(nèi)容,將其有機(jī)結(jié)合。從而歸納總結(jié)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要點(diǎn),同時(shí)提出軟件計(jì)算的不足之處,STS模塊采用的是2006.3的版本。
1.計(jì)算原則
建筑鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接,當(dāng)非抗震設(shè)防時(shí),應(yīng)按結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段設(shè)計(jì),當(dāng)抗震設(shè)防時(shí),應(yīng)按結(jié)構(gòu)處于彈塑性階段設(shè)計(jì),節(jié)點(diǎn)連接的承載力應(yīng)高于構(gòu)件截面承載力。
2.計(jì)算目的
梁與柱的連接,按梁對柱的剛度的約束(轉(zhuǎn)動剛度)大致可分為三類:即鉸接連接、半剛性連接、剛性連接。本文僅對梁柱的剛性連接做計(jì)算分析。
梁與柱的剛性連接,其計(jì)算方法主要有以下兩種:
(1)常用設(shè)計(jì)法
(2)精確計(jì)算法
節(jié)點(diǎn)抗震驗(yàn)算。
1)滿足強(qiáng)柱弱梁的要求,即滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)第8.2.5-1式即
。
2)滿足強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求:連接的受彎承載力和受剪承載力,滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)第8.2.8-1
即和8.2.8-2即 。
3)節(jié)點(diǎn)域強(qiáng)度計(jì)算,滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)第8.2.5-2。
本例計(jì)算簡圖及手算復(fù)核如下:
軟件有關(guān)塑性截面模量的計(jì)算只給出計(jì)算的結(jié)構(gòu),對于計(jì)算過程未反映,現(xiàn)塑性截面模量計(jì)算如下:
HW300X300為雙對稱截面,所以全截面考慮塑性屈服時(shí),受拉和受壓側(cè)的截面靜矩相同:
ST=SC
應(yīng)力計(jì)算,抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)第5.4.2條。本例手算復(fù)核如下:
對接焊縫與角焊縫的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不同,計(jì)算焊縫強(qiáng)度時(shí),可先將對接焊縫面積 換算為等效的角焊縫面積 ,令焊縫的有效厚度不變,翼緣對接焊縫的長度即可按下式換算為等效角焊縫長度。
翼緣的慣性矩:
腹板的慣性矩:
翼緣慣性矩/全截面慣性矩:
0.9584
按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)第5.4.2條:
高強(qiáng)螺栓承擔(dān)的剪力設(shè)計(jì)值為
焊縫承擔(dān)的剪力設(shè)計(jì)值為
梁翼緣和腹板與柱形成的工字性焊縫中翼緣設(shè)計(jì)彎矩為:
腹板設(shè)計(jì)彎矩:
節(jié)點(diǎn)域屈服承載力:應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)第8.2.5-2或《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99-1998)中第8.3.9-2. 節(jié)點(diǎn)域的體積:
折減系數(shù):(假設(shè)按7度設(shè)防)
節(jié)點(diǎn)域屈服承載力:
假如節(jié)點(diǎn)域的屈服承載力不滿足,如何來補(bǔ)強(qiáng)呢?依據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99-1998)中第8.3.9-2,在柱、梁截面一定的情況下,對H型鋼柱,可在節(jié)點(diǎn)域加貼焊板,焊板上下翼緣應(yīng)伸出加勁肋以外不小于150mm,并用不小于5mm的角焊縫連接貼板和柱翼緣可用角焊縫或?qū)雍缚p連接。當(dāng)在節(jié)點(diǎn)域的垂直方向有連接板時(shí),貼板應(yīng)采用塞焊與節(jié)點(diǎn)域連接。因柱、梁截面已定,唯獨(dú)能改變的是節(jié)點(diǎn)域的體積,也即柱腹板的厚度tw。
實(shí)際柱腹板厚度為13mm。從這一角度也驗(yàn)證了計(jì)算的正確性。
小結(jié):
通過以上對電算的計(jì)算過程分析及手算復(fù)核,可以歸納出梁柱剛性連接的計(jì)算要點(diǎn)有如下幾點(diǎn):
1. 當(dāng)考慮地震計(jì)算組合時(shí),應(yīng)勾選“設(shè)計(jì)內(nèi)力是否為地震作用組合”,不考慮地震作用組合時(shí),可不選此項(xiàng)。
2. 當(dāng)為非抗震設(shè)計(jì)時(shí),內(nèi)力采用梁端的實(shí)際內(nèi)力設(shè)計(jì)值,當(dāng)為抗震設(shè)設(shè)計(jì)時(shí),可按梁端承載力計(jì)算。
3. 考慮現(xiàn)場實(shí)際的連接,操作工藝為先栓后焊,有可能才用高空焊接,焊接溫度對高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力有影響,高強(qiáng)螺栓的實(shí)際承載力應(yīng)做折減,折減系數(shù)取0.9,系統(tǒng)默認(rèn)值為1.0。角焊縫的連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)值當(dāng)不采用引弧板時(shí)取0.85.
4. 梁翼緣采用對接焊與柱翼緣連接,在分配彎矩時(shí),應(yīng)將對接焊縫轉(zhuǎn)化為角焊縫,按翼緣慣性矩占全截面慣性矩的比例分配彎矩。
5. STS程序中計(jì)算節(jié)點(diǎn)域的穩(wěn)定采用的是,而規(guī)范采用的是
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；要點(diǎn)分析
21世紀(jì)是一個(gè)科技高速發(fā)展的時(shí)代，我國處于社會主義初級發(fā)展階段。我們只有大力發(fā)展生產(chǎn)力，增加科研投入，不斷地進(jìn)行改革探索最后一定會取得很好地成績。在我國的建筑行業(yè)近幾年呈現(xiàn)良好的態(tài)勢，我們在這個(gè)領(lǐng)域取得了很好地效果，尤其在鋼結(jié)構(gòu)的改革方面更是取得了很好地效果。在傳統(tǒng)的觀念，鋼結(jié)構(gòu)的做大的作用就是穩(wěn)固的作用，對于工程的質(zhì)量起到很好的保證作用；如今想在原有的基礎(chǔ)之上更好的使鋼結(jié)構(gòu)具有更好的強(qiáng)度，質(zhì)量輕便，施工的過程簡單易行。面對于市場需求的要求，我們的建筑企業(yè)就要不斷地改革創(chuàng)新，如今的壓力主要來自于兩個(gè)方向：第一，近幾年建筑企業(yè)呈直線型上升，之間形成了強(qiáng)烈的競爭關(guān)系，很多的企業(yè)進(jìn)行價(jià)格戰(zhàn)，這樣減少了收益；第二，想要占領(lǐng)市場就要加大科研投入，具有強(qiáng)大的質(zhì)量保證，及時(shí)出現(xiàn)更新?lián)Q代的產(chǎn)品，只有這樣才會更好地具有競爭力。
一、明確鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及規(guī)范、規(guī)程
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所涉及規(guī)范、規(guī)程總體上可分為三種：1.國家規(guī)范（GB），如《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）、《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB50018-2002）、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）等等；2.行業(yè)規(guī)程（JGJ）或地方規(guī)程（DBJ）有：《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-98）、《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ7-2010）等等；協(xié)會規(guī)程（CECS）有：《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（2012年版）》（CECS102：2002）、《預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS212：2006）等等。
二、理解鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和建筑壽命的概念
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和建筑壽命的區(qū)別。所謂的設(shè)計(jì)的年限，通常是指在設(shè)計(jì)之初規(guī)定的時(shí)間之內(nèi)，該項(xiàng)產(chǎn)品不會出現(xiàn)大的問題進(jìn)行大型的維修，只需進(jìn)行日常的維修保養(yǎng)即可，就能達(dá)到設(shè)計(jì)之初的設(shè)計(jì)理念。對于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，是指在設(shè)計(jì)的過程中確定活荷載代表值選用的時(shí)間參數(shù)，根據(jù)某一特定的區(qū)域與關(guān)系，進(jìn)行不同年段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定其失效率，最后定下基準(zhǔn)。在我們這里提到的建筑的壽命，指的是建筑最終的使用時(shí)間，一般情況下，這個(gè)時(shí)間是按建筑開始，一直到完全報(bào)廢退出歷史的舞臺的整個(gè)的時(shí)間。在我們的如今的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中這幾方面的參數(shù)數(shù)據(jù)是不可缺少的。
三、區(qū)分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)
承載能力極限狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或出現(xiàn)不適宜繼續(xù)承載的變形。正常使用極限狀態(tài)指結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生安全破壞；對正常使用極限狀態(tài)，要結(jié)合建筑物的安全等級，使用功能等要求進(jìn)行有效地控制。既滿足建筑物的使用要求，又要兼顧建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。
四、單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
1.注意單層廠房的溫度區(qū)段的分隔措施。隨著我國工業(yè)建筑規(guī)模的擴(kuò)大，近年來建成了一些特大面積的廠房，有的縱向長達(dá)數(shù)百米，有的橫向十余跨相連。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)溫度區(qū)段的分隔長度應(yīng)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》或《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求?？v向溫度區(qū)段的分隔以雙柱伸縮縫為宜，對有托架的廠房，也可采用鉸接短鋼柱或吊掛鋼板支撐的構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)雙柱伸縮縫。縱向溫度區(qū)段的分隔如采用雙柱伸縮縫會影響廠房的使用功能，以采用滑動支座的方法為宜。
2.注意單層廠房屋面支撐系統(tǒng)的布置。廠房屋面支撐系統(tǒng)保證了結(jié)構(gòu)在安裝和使用過程中的穩(wěn)定性，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，控制了屋面桿件的平面外計(jì)算長度以較少桿件的截面尺寸。屋面支撐系統(tǒng)包括橫向支撐、縱向支撐、豎向支撐（僅用于梯形屋架）和系桿。
3.注意單層廠房柱間支撐系統(tǒng)的布置。廠房的柱間支撐保證廠房縱向的穩(wěn)定和空間剛度，承受廠房所受縱向的風(fēng)荷載、吊車荷載及地震力并傳至基礎(chǔ)，控制了柱的平面外計(jì)算長度以較少柱的截面尺寸。柱間支撐的設(shè)置除按規(guī)范要求滿足其上述功能外，還要注意與屋面支撐系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，與屋面支撐設(shè)在同一柱距內(nèi)。對于屋面支撐形式，應(yīng)首選十字形交叉支撐，這種支撐傳力直接、構(gòu)造簡單、用料省、剛度大；對于柱間距與支撐高度比值大于2的上柱支撐，可采用人字型或八字型支撐以減少用料；當(dāng)支撐位置處要考慮人員出入或放置設(shè)備，應(yīng)考慮空腹式門形支撐，但這種支撐用料費(fèi)、剛度差，所以柱間支撐，尤其是下柱支撐盡量設(shè)于無人員或設(shè)備的柱距處。
五、鋼結(jié)構(gòu)制圖注意事項(xiàng)
鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖紙和很多的設(shè)計(jì)圖一樣也是分為兩部分，設(shè)計(jì)之初的設(shè)計(jì)圖和施工圖兩部分，我們嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)審核的相關(guān)的規(guī)定，圖紙的設(shè)計(jì)者主要的方向是在設(shè)計(jì)圖方面進(jìn)行深入的鉆研探索，鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)的施工單位根據(jù)實(shí)際的工程方向進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過程中這兩部分的設(shè)計(jì)人一定要進(jìn)好工作的協(xié)調(diào)工作，互相滲透自己的思想理念，達(dá)成共同的目標(biāo)，以保證工程的進(jìn)度順利地實(shí)施，最后達(dá)到工程的目的。
六、結(jié)語
激烈的競爭的形式是今天我們必須要面臨的，我們可以想象每天報(bào)道的中小企業(yè)的倒閉的現(xiàn)象很多，正由于面對著嚴(yán)峻的壓力，沒有很好的處理好這方面的關(guān)系，想要企業(yè)有很好的發(fā)展，就要不斷地發(fā)開發(fā)新的產(chǎn)品，提高品質(zhì)，與同類產(chǎn)品相比較更具競爭力。我們的鋼結(jié)構(gòu)就是面臨著這樣的問題，經(jīng)過自身不斷的改革創(chuàng)新，使自身更具競爭力。目前，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)取得了一定的成績但是還有很多的問題存在，想要更好地發(fā)展，我們還要不斷的走下去，一步一個(gè)腳印的解決問題，不斷地滿足市場的需求，用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)說活，我相信在不久的將來我們的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一定會取得更大的成績。
參考文獻(xiàn)
Abstract: Through analyzing the defections of steel column, the behaviours of column under axial compression are introduced in the paper. Based on the buckling and finite element theory, the residual stress and the defections distributions for box welded column are presented along with calculation ,analysis, discussion and comparison of overseas' experimental result . It proved that the model is correct. Through the result comparison of AISC, EN1993 and GB 50017-2003, the paper presented a complement method of description of the column curve.
關(guān)鍵詞：軸心受壓柱；箱型焊接截面；整體穩(wěn)定；有限元分析
Key words: column under axial compression; box welded column; overall buckling; the infinite element analyze
中圖分類號：TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-4311（2010）36-0157-03
0引言
自從人類開始應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)以來，鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展始終是與鋼材材料特性和生產(chǎn)工藝的發(fā)展緊密相連的。正是鋼材材料的不斷改進(jìn)，提高了鋼結(jié)構(gòu)的承載力、經(jīng)濟(jì)性能和使用性能，促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用。對于軸心受壓構(gòu)件的受力性能與設(shè)計(jì)一直以來都被認(rèn)為是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)與重點(diǎn)。建筑工程部于1954年頒布的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范試行草案》，代號規(guī)結(jié)-4-54[1]，就有了我國的第一條柱子曲線。此后，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范經(jīng)歷了74版，88版，一直到2003年4月建設(shè)部批準(zhǔn)并頒布的2003版GB50017―2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，我國對于軸心受壓鋼構(gòu)件的研究已處于世界領(lǐng)先水平。但是隨著材料科學(xué)的進(jìn)步與冶金工藝的發(fā)展，高性能的鋼材在機(jī)械、船舶、橋梁、建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越多。針對鋼材性能改善，對于鋼結(jié)構(gòu)受力性能及設(shè)計(jì)的研究亦需要不斷完善。
1壓桿缺陷的影響
軸心受壓鋼構(gòu)件極限承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算是以現(xiàn)實(shí)鋼壓桿缺陷為前提，以強(qiáng)度、穩(wěn)定理論為基礎(chǔ)建立起來的?，F(xiàn)實(shí)的鋼壓桿是用彈塑性材料制成的，它既有幾何缺陷又有力學(xué)缺陷。幾何缺陷主要是桿件并非直桿，或多或少有一點(diǎn)初始彎曲，也可能有一點(diǎn)初始扭曲。另外，截面并非完全對稱，組合截面的制造偏差和構(gòu)件安裝偏差都可以使荷載作用線偏離桿件軸心，從而形成初始偏心。力學(xué)缺陷包括屈服點(diǎn)在整個(gè)截面上并非均勻以及存在殘余應(yīng)力。上述缺陷中對壓桿性能影響最大的是初始彎曲和殘余應(yīng)力。初彎曲的存在使軸心壓桿喪失穩(wěn)定的性質(zhì)發(fā)生了改變，這里不再累述。
殘余應(yīng)力在壓桿截面內(nèi)的分布變化多端，它既和軋制后的冷卻、焰割、焊接等過程有關(guān)，也和材料厚度和截面組成形式有關(guān)。同一型式但尺小不同的截面，殘余應(yīng)力分布還會有不小的差別，如軋制H型鋼翼緣的殘余應(yīng)力有時(shí)更接近于線性分布。軋制型鋼殘余應(yīng)力的絕對值不受其屈服點(diǎn)的影響。因此，隨著材料屈服點(diǎn)提高，殘余應(yīng)力的影響相對降低。焊接截面在焊縫處一般都有高達(dá)材料屈服點(diǎn)的殘余拉應(yīng)力。如果它的位置在截面的邊上，和它相平衡的殘余壓應(yīng)力又不大，則殘余應(yīng)力對壓桿的不利影響就不顯著。由于焊接殘余應(yīng)力的大小和材料屈服點(diǎn)無關(guān)，材料強(qiáng)度很高的焊接截面（f>430N/mm2）的殘余應(yīng)力可能達(dá)不到fy，它的影響也會比普通鋼材焊接截面的低，但低的程度和軋制型鋼的不完全相同。殘余應(yīng)力對壓桿性能的影響程度，主要取決于殘余壓應(yīng)力的大小，它的變化情況、分布寬度以及在截面上占據(jù)的部位。原因是殘余壓應(yīng)力使壓桿的一部分提前屈服，從而削弱桿件的剛度。
Rasmussen[3]等于1995年制作了6個(gè)焊接箱型柱，測定其殘余應(yīng)力及極限承載力，試件的截面尺寸及主要參數(shù)如表1、圖1所示。從圖表中可以顯示上述箱型焊接截面殘余應(yīng)力的分布情況。本文應(yīng)用文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用以第3節(jié)進(jìn)行有限元模型計(jì)算對比。
2軸心受壓鋼構(gòu)件受力性能
2.1 軸心壓桿的失穩(wěn)形式
軸心壓桿承載能力的極限狀態(tài)是喪失穩(wěn)定，完善彈性挺直桿失穩(wěn)的臨界力，可以由著名的歐拉公式算得，這些都是學(xué)過材料力學(xué)的人所熟知的。歐拉公式所給出的臨界力：
NE=π2EI/L2（1）
是桿件能夠繼續(xù)保持直線平衡形式的極限荷載，達(dá)到這一荷載后桿件就發(fā)生彎曲變形。然而，喪失直線形式的平衡并不一定是由直變彎，也可能由直變扭，即里扭轉(zhuǎn)屈曲：
N=（GIt+）（2）
式中：GIt是桿自由扭轉(zhuǎn)剛度；EIω是桿約束扭轉(zhuǎn)剛度。i0是截面關(guān)于剪心的極回轉(zhuǎn)半徑。
一根具體的軸心壓桿，達(dá)到承載能力的極限狀態(tài)時(shí)究竟呈彎曲屈曲還是扭轉(zhuǎn)屈曲，要看它的材料和截而特征EI，EIω，GIt以及長度l的大小。在工程實(shí)踐中，抗扭性能低，有可能出現(xiàn)能出現(xiàn)N
除了彎曲屈曲和扭轉(zhuǎn)屈曲外，軸心壓桿還有另外一種可能的失穩(wěn)形式，即彎曲和扭轉(zhuǎn)同時(shí)發(fā)生的彎扭屈曲。只有一個(gè)對稱軸的截面，剪心S和形心O不重合。當(dāng)桿件繞對稱軸oy彎曲時(shí)，產(chǎn)生的剪力不經(jīng)過截面剪心，必然導(dǎo)致桿件扭轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)截面繞對稱軸彎曲剛度較小，扭轉(zhuǎn)剛度也不大時(shí)，彎扭屈曲成為這種桿件承載能力的極限狀態(tài)。
對兩端鉸支且翹曲無約束的彈性桿，彎扭屈曲臨界力 由下式計(jì)算，即：
i20（Ny-Ny）（N-Ny）-N2yy2s=0（3）
式中 為按歐拉公式計(jì)算的繞y軸彎曲屈曲的臨界力； 為由式（2）計(jì)算的扭轉(zhuǎn)屈曲臨界力，ys為剪心坐標(biāo)。
此式可以化成：
Ny/Ny+Ny/N-k（）=1（4）
如果軸心壓桿采用沒有對稱軸的截面，則剪心坐標(biāo)不僅y不為零，xs也不為零。這時(shí)繞兩主軸彎曲都會伴隨有扭轉(zhuǎn)，使臨界荷載總是低于彎曲屈曲臨界力，也低于扭轉(zhuǎn)屈曲臨界力。不等邊的單角鋼就屬于這種情況。這類截面的桿件實(shí)際很少用作壓桿，也不宜采用。
2.2 軸壓構(gòu)件極限承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算
對軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算采用多條柱子曲線開始于上個(gè)世紀(jì)七十年代。
美國里海大學(xué)（Lehigh University）的研究者于1972年提出了3條柱子曲線，代表112條曲線分成的3組，曲線1由30條曲線經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出；曲線2由70條曲線經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出；曲線3由12條曲線經(jīng)統(tǒng)計(jì)得出。
112條曲線都考慮了初彎曲和殘余應(yīng)力，采用最大強(qiáng)度理論得出[4]。美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會（American Institute of Steel Construction）在其頒布的規(guī)范[5]中參考了上述研究成果，不過只采用了第2條柱子曲線，即采用單一柱子曲線。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（European Institute for Stand-ardization）于2005年頒布了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范EN1993[6]。和以前的試用版僅為推薦使用、沒有強(qiáng)制約束效力不同，本次頒布的EN 1993規(guī)定其28個(gè)成員國應(yīng)在2010年之前全面修改本國的設(shè)計(jì)條文，以符合EN1993的規(guī)定。
EN 1993推薦了5條柱子曲線用于軸心受壓構(gòu)件的設(shè)計(jì)。我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017[2]是在1988年頒布的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上修改而成。
新規(guī)范在保留老規(guī)范的3條柱子曲線的基礎(chǔ)上增加了第4條柱子曲線用于厚板截面的設(shè)計(jì)。
我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB-50017，軸壓構(gòu)件承載力的設(shè)計(jì)公式為：
NRd=φAf
其中f為鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，整體穩(wěn)定系數(shù)φ如圖所示
為了使用方便，φ曲線還應(yīng)該用比較簡便的公式來表達(dá)。公式采用Perry型式可以得到和曲線很接近的結(jié)果，即：
（1-φ）（1-λ2φ）=a（λ-0.2）λ （5）
或
φ=（6）
對于歐鋼協(xié)的a，b，c三條曲線，a分別取為：
a 曲線，a=0.206
b 曲線，b=0.339
c 曲線，c=0.489
板件厚度超過40mm的重型截面，翼緣外邊緣的殘余壓應(yīng)力很高。歐鋼協(xié)還為此增添了一條比c曲線更低的d曲線，它的a值可取為0.759。
我國為了采取多條柱曲線，做了大量計(jì)算分析和一部分實(shí)驗(yàn)。結(jié)合我國的應(yīng)用情況，重點(diǎn)放在焊接H型鋼和雙角鋼組合截面上。其他截面如普通工字鋼、T形鋼和鋼管等也做了分析，最后歸納出三條曲線。
和歐鋼協(xié)的曲線不同的是沒有λ從0-0.2時(shí)的水平段。常用的雙角鋼T形截面、焰割邊的焊接工字形截面以及格構(gòu)式截面都?xì)w入b曲線。因此b曲線將是設(shè)計(jì)中用得最多的曲線。
2.3 軸壓構(gòu)件極限承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算比較
設(shè)計(jì)計(jì)算算例：fy=345MPa，E=2.1×1011Pa，長細(xì)比λ=30，80，150，按照美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（AISC 360-05），歐盟鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（EN1993）和我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算得到的整體穩(wěn)定系數(shù)如表2所示。
由表中數(shù)據(jù)的比較可見，在工程常用的λ=80時(shí)，AISC規(guī)范的柱子曲線介于EN 1993和GB50017的a， b曲線之間。與EN 1993相比，GB 50017的a曲線略高于EN 1993中的a曲線。
3有限元模型計(jì)算比較
本文計(jì)算的6個(gè)超高強(qiáng)度鋼材焊接工形軸心受壓柱的幾何屬性如圖3和表1[1]所示，表1中，L為柱的長度，e為柱中截面處的總的幾何初始缺陷，等于柱中截面處的構(gòu)件初彎曲V0和荷載的初偏心e0之和。試件所用鋼板為焰切邊，采用氣體保護(hù)金屬極電弧焊焊接成工形截面。
有限元模型計(jì)算使用ANSYS通用有限元軟件。柱子采用BEAM188單元，每根柱沿長度方向劃分為50個(gè)等長單元。箱型截面采用PLANE82單元自定義劃分網(wǎng)格，存為截面信息文件。模型單元?jiǎng)澐忠妶D3。
模型采用Mises屈服準(zhǔn)則和雙線性隨動強(qiáng)化BKIN模型模擬理想彈塑性鋼材本構(gòu)關(guān)系。
殘余應(yīng)力采用文獻(xiàn)[3]實(shí)測殘余應(yīng)力值如表1所示 ，建立初始應(yīng)力文件，在分析時(shí)每個(gè)截面單元積分點(diǎn)從初始文件中讀入相同的殘余應(yīng)力值。
有限元計(jì)算得到的典型試件的極限變形狀態(tài)（z軸方向位移）。有限元計(jì)算得到的所有試件的極限承載力及其與試驗(yàn)結(jié)果的對比如表3所示，其中，test為試驗(yàn)值，RS表示采用殘余應(yīng)力分布模式用有限元計(jì)算得到的結(jié)果。
表3顯示了六根柱的極限承載（RS項(xiàng)）與計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果（TEST），從其結(jié)果的比較可以看出，殘余應(yīng)力的變化對鋼材焊接箱形截面軸心受壓柱整體穩(wěn)定承載力的影響較小，這與已有的相關(guān)研究結(jié)論一致。
4結(jié)論
通過對上述軸壓鋼構(gòu)件受力性能與設(shè)計(jì)計(jì)算的研究，可以得到以下結(jié)論：
①通過對壓桿缺陷的各因素比較分析，得出桿件的殘余應(yīng)力對極限承載力影響最為嚴(yán)重，并且隨著材料屈服點(diǎn)提高，殘余應(yīng)力的影響相對降低。
②AISC 360-05采用單一柱子曲線，因而不能充分考慮加工工藝、殘余應(yīng)力等因素對各種截面構(gòu)件穩(wěn)定承載力的影響；EN 1993和GB 50017分別采用5條和4條柱子曲線，較為科學(xué)的。
③通過有限元模型計(jì)算結(jié)果與已有文獻(xiàn)試驗(yàn)的比較，得出考慮了幾何初始缺陷與殘余應(yīng)力的有限元分析可以準(zhǔn)確地計(jì)算試件的極限承載力。因此，可用來分析比較各種因素（截面形狀、材料性能、殘余應(yīng)力、初彎曲、初偏心等）的影響，能較方便的繪制出多柱子曲線。
參考文獻(xiàn)：
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[2]GB 50017-2003 中華人民共和國建設(shè)部. 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2003.
[3]K. J. R. RASMUSSEN， G. J. HANCOCK. Tests of high strength steel columns[J]. Journal of Constructional Steel Research， 1995，34（1）：27-52.
[4]夏志斌，姚諫.鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004：170.
關(guān)鍵詞：輕型輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；剛度；穩(wěn)定性；連接
Abstract: based on the basic condition of steel structure gently and gently steel structure characteristics of the development of understanding, introduces the light of light steel structure design principle, and then to steel structure stiffness, gently overall stability, high strength bolt connection, support, and weld in design are discussed in this paper.
Keywords: light of light steel structure design; Stiffness; Stability; connection
中圖分類號：TU391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
引言： 輕型鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑使用已經(jīng)幾十年。輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的許多優(yōu)點(diǎn),比傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等,它具有性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗震性能好、施工可廠方制造現(xiàn)場裝配,不僅加快了施工進(jìn)度,能大大縮短施工周期，而且基本的成本低,材料可回收再生、節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水。作為一種綠色環(huán)保建筑,近年來,輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑被列為重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。由于煉鋼技術(shù)和成型制造技術(shù)日益成熟,它給用輕型鋼結(jié)構(gòu)工程帶來了新的生命,工程建設(shè)也不斷增加,因此,它將不斷完善自身的輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。一、輕型鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)原則 1、輕型鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)
輕型鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)突出問題就是穩(wěn)定性。在各類輕型鋼結(jié)構(gòu)中,都會遇到穩(wěn)定性問題。對這種問題,將造成嚴(yán)重的后果。所以,我們輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須掌握穩(wěn)定設(shè)計(jì)。目前,輕型鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在失穩(wěn)的事故是由于設(shè)計(jì)師的缺乏經(jīng)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)和成分的穩(wěn)定性的概念,使總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的薄弱環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。另一方面是由于新出現(xiàn)的結(jié)構(gòu),如空間網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了如何設(shè)計(jì)還沒完全理解。
2、結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖和計(jì)算方法的簡圖相一致
框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算是非常重要的,目前在設(shè)計(jì)單層及多層框架結(jié)構(gòu),往往不分析框架的穩(wěn)定性,而只是框架柱穩(wěn)定性計(jì)算。在使用計(jì)算簡圖這種方法,使用的框架柱計(jì)算長度系數(shù)穩(wěn)定,整體穩(wěn)定分析框架應(yīng)當(dāng)是通過使穩(wěn)定性計(jì)算框架穩(wěn)定計(jì)算效果。然而,實(shí)際的框架不同的,而且設(shè)計(jì)為了簡化計(jì)算工作,需要設(shè)置一些典型的條件。
二、輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
1、剛度設(shè)計(jì)
國標(biāo)GBIl7 - 88《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》多層架與重級工作制吊車的廠房變形控制要求一個(gè)明確的規(guī)則。對于普通的單層結(jié)構(gòu)、國標(biāo)CECSIO2:98《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》作出了明確規(guī)定。構(gòu)造變形主要涉及適應(yīng)性的問題,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)安全涉及不太深。與單一輕鋼結(jié)構(gòu)屋面通常不上人。設(shè)計(jì)時(shí)輕鋼結(jié)構(gòu)廠房變形控制是可適當(dāng)放寬。放松變形對那些主要由變形控制架構(gòu)是非常重要的經(jīng)濟(jì)意義。
2、整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)
2．1框架構(gòu)件設(shè)計(jì)
整體穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式：
（1）
式中：Φb一梁整體穩(wěn)定系數(shù)；
βb―梁整體穩(wěn)定等效彎矩系數(shù)；
λy―梁側(cè)向支撐點(diǎn)間對接弱軸的長細(xì)比；
Wx―按受壓纖維確定的梁毛截面抗矩；
A―梁毛截面面積；
h―梁截面全高；
tw―梁受壓翼緣厚。
由式(1)知，構(gòu)件整體穩(wěn)定承載能力與λ²y成反比。由于λy與受壓翼緣的自由長度Ly，成正比，故解決整體穩(wěn)定最經(jīng)濟(jì)有效的辦法是對受彎構(gòu)件的受壓翼緣增加側(cè)向支撐以減少Ly。因?yàn)樵谳p型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于檁條彩板屋蓋結(jié)構(gòu)的檁條的側(cè)向支撐作用(檁條間距一般為l200―1500mm)，梁的整體穩(wěn)定往往有保證。這樣就可以不必為整體穩(wěn)定而加寬翼緣，增加用鋼量。設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意，檁條只能約束屋面梁上翼緣和柱外翼緣。但是由于輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面往往較輕，風(fēng)荷的改變往往會改變內(nèi)力的方向，因此粱下翼緣及柱內(nèi)翼緣也都存在受壓的可能。對于這種情況，設(shè)計(jì)時(shí)可在構(gòu)造I通過設(shè)置隅撐來解決(隅撐一般可用L45×3小角鋼)。隅撐連接梁下翼緣(或柱內(nèi)翼緣)與檁條，使之形成側(cè)向約束，來解決梁下翼緣(或柱內(nèi)翼緣)的整體穩(wěn)定。
2．2檁條設(shè)計(jì)
采用z型、c型檁條時(shí)，設(shè)計(jì)成搭接的連續(xù)性檁條而成為連續(xù)梁計(jì)算模式比以簡支梁為模式的效果好。尉為連續(xù)梁模式比簡支梁模式的剛度大，穩(wěn)定性優(yōu)于簡支梁。在美國鋼結(jié)構(gòu)圖紙與技術(shù)中，他們計(jì)算穩(wěn)定的自由長度Ly取值是連續(xù)梁跨中反彎點(diǎn)之間的長度。它比我國現(xiàn)在一般取的自由長度要小，因此穩(wěn)定性也優(yōu)于簡支梁。接連續(xù)粱模式設(shè)計(jì)成的檁條，其檁條的拼接處一般都在跨度的三分之一處，現(xiàn)場安裝往往會有高空作業(yè)。這一點(diǎn)施工時(shí)應(yīng)注意。
3、局部穩(wěn)定設(shè)計(jì)
根據(jù)彈性理論，四邊簡支板的臨界剪應(yīng)力為：
（2）
由式(2)知：板的局部失穩(wěn)臨界剪應(yīng)力與(h／tw) ²成反比，故h／tw越小越好，設(shè)計(jì)時(shí)為了節(jié)省鋼材就須增大h／tw值以提高構(gòu)件的抗彎模量。這時(shí)解決局部失穩(wěn)往往可以不必增大腹板厚tw，一般是通過設(shè)加勁肋的方法來解決。在國標(biāo)GBJl7―88《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，h／tw≥80設(shè)加勁肋的規(guī)定就是基于臨界剪應(yīng)力與抗剪屈服應(yīng)力相等定出的。這個(gè)規(guī)定對于普通鋼結(jié)構(gòu)是合適的。但對于輕型鋼結(jié)構(gòu)，因?yàn)楹奢d較小，往往剪應(yīng)力也很小，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗剪屈服應(yīng)力。在低剪應(yīng)力下，即使h／tw≥80也不會產(chǎn)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象。因此設(shè)計(jì)時(shí)，只要剪應(yīng)力未達(dá)屈服剪應(yīng)力，就可不設(shè)加勁肋。但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)往往做不到這一點(diǎn)，往往h／tw≥80時(shí)都設(shè)加勁肋，這樣一般情況下，多用了約10％的鋼材。這一點(diǎn)設(shè)計(jì)輕型鋼結(jié)構(gòu)時(shí)須考慮。
4、高強(qiáng)度螺栓連接設(shè)計(jì)
在大跨度、振動的結(jié)構(gòu)中，反向應(yīng)力較大，甚至正、反向應(yīng)力基本持平。在這種情況下，建議用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接。在別的一般情況下，均可用承壓型高強(qiáng)螺栓。但是設(shè)計(jì)承壓型高強(qiáng)螺栓時(shí)，亦應(yīng)注意國標(biāo)GBJl7―88《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》之規(guī)定：承壓型高強(qiáng)螺栓的承載能力不得大于按摩擦型高強(qiáng)螺栓計(jì)算出的承載能力的1．3倍。
5、支撐設(shè)計(jì)
輕鋼結(jié)構(gòu),經(jīng)常使用交叉式杠桿、花籃螺栓安裝支撐體系(拉壓桿系統(tǒng)支持經(jīng)常被用來在重型廠房)。拉壓桿支持系統(tǒng)一般很少使用輕鋼結(jié)構(gòu)。但拉桿設(shè)計(jì)支持,實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,常常不單獨(dú)設(shè)置此直接壓桿,一般來說,加強(qiáng)檁條充當(dāng)。此外,布局的數(shù)量通常支持3 ~ 4列布置的距離。
6、焊縫設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)規(guī)范的受力已經(jīng)明確的焊縫的強(qiáng)度。這里所講的焊接指梁、柱腹板和翼緣板之間的焊縫。因?yàn)檫@些焊接在輕鋼結(jié)構(gòu)制作中占了絕大部分的焊接工作。梁柱腹板的焊縫和翼緣之間是轉(zhuǎn)移主要翼緣和腹板剪切應(yīng)力之間的。翼緣之間和腹板剪力很小,所以他們可以焊接是非常小的。在美國鋼結(jié)構(gòu)施工圖,焊縫的處理是單面焊縫的廣泛使用,這使得焊接大大減少工作量。自動焊接機(jī)能力的一次左右。那么為什么不使用國內(nèi)施工圖單面焊縫嗎?究其原因大致有:一是目前國內(nèi)最輕鋼結(jié)構(gòu)的制造商還沒有解決單面焊縫不對稱變形;二是長設(shè)計(jì)人員已形成一種習(xí)慣,不想改變原有的施工方法。只要很好地解決非對稱變形的問題,對梁翼緣之間的單面焊焊縫金屬網(wǎng)都可以使用。然而,對于那些力大的重要的部分是必須使用雙面焊接,如吊車梁、支架等。
結(jié)束語
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，輕型鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化，輕型鋼結(jié)構(gòu)會在建筑市場占據(jù)越來越重要的地位。而有關(guān)輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法也將越來越科學(xué)，從而推動了輕型鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1]GBJl7―88，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[s]
[2]編寫組、輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料集[M]北京：中國建筑工業(yè)出版社．1980．
【關(guān)鍵詞】超長超寬；門式剛架；橫向縫；縱向縫
1、工程概況
營口、盤錦忠旺鋁業(yè)有限公司-廠區(qū)位于遼寧。其中A1廠房長度600m，寬度110m。高跨區(qū)域：檐口高度21.200m，寬160m，帶160/50噸吊鉤橋式起重機(jī)；低跨區(qū)域：檐口高度17.200m，寬440m，帶20/5噸吊鉤橋式起重機(jī)。高跨剖面見下圖。
高跨區(qū)域采用格構(gòu)柱+焊接H型鋼梁；低跨區(qū)域梁柱均為焊接H型鋼
2、場地概況
1），氣溫
年平均氣溫為9.5℃，最冷的1月份平均氣溫為-8.5℃，最熱的7月份平均氣溫為25.0℃，極端最低氣溫為-28.0℃，極端最高氣溫為34.7℃。
2），降水量
年平均降水量667.4mm，最多年份降水量889.9mm，最少年份降水量387.2mm。
3），凍脹
場地標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為1.10米，具有Ⅳ級強(qiáng)凍脹性。
3、規(guī)范概要
《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)條文：
1.0.2 本規(guī)程適用于主要承重結(jié)構(gòu)為單跨或多跨實(shí)腹門式剛架、具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或有起重量不大于20t的A1～A5工作級別橋式吊車或3t懸掛式起重機(jī)的單層房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制作和安裝。
4.3.1 門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的溫度區(qū)段長度（伸縮縫間距） ，
應(yīng)符合下列規(guī)定：
縱向溫度區(qū)段不大于300m；
橫向溫度區(qū)段不大于150m 。
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)條文：
故本工程高跨區(qū)域執(zhí)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，縱向溫度區(qū)段為180米，橫向溫度區(qū)段為100米。低跨區(qū)域執(zhí)行《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，縱向溫度區(qū)段為300米，橫向溫度區(qū)段為150米。
4、屋面板、墻面板及檁條分縫
在需要設(shè)置伸縮縫處，檁條可采用兩種做法：在搭接檁條的螺栓連接處采用長圓孔，并使該處屋面板在構(gòu)造上允許膨脹或設(shè)雙柱。本工程采用雙柱的做法。板橫向（屋面的縱向）的影響一般是可以忽略的，但主次結(jié)構(gòu)有分縫的地方，屋面也應(yīng)當(dāng)設(shè)縫。做法如下圖：
5、主結(jié)構(gòu)縱向縫
1），設(shè)單柱
在搭接檁條的螺栓連接處采用長圓孔，并使該處屋面板在構(gòu)造上允許膨脹。此方案具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，做法比較簡單，但支撐系統(tǒng)在該跨段要斷開。
2），設(shè)雙柱
采用雙柱伸縮縫比較可靠、方便，又不影響車間使用面積，且柱子增加不多，不過影響基建投資經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。房屋設(shè)了伸縮縫實(shí)際為兩個(gè)獨(dú)立的單體，對減小溫度應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形都很有優(yōu)勢。
3），吊車梁
本工程采用雙柱伸縮縫，伸縮縫柱中心距2米。故吊車梁要懸臂1米。伸縮縫節(jié)點(diǎn)板一側(cè)為圓孔，另一側(cè)為水平橢圓孔。該做法釋放了水平段的約束，同時(shí)又提供了豎向的約束，可以調(diào)整伸縮縫兩側(cè)的不平衡變形。
6、主結(jié)構(gòu)橫向縫
高跨區(qū)域執(zhí)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，要考慮溫度應(yīng)力的影響。
1），設(shè)雙柱
采用雙柱分隔是最簡單的辦法，但影響廠房的使用。
2），釋放鋼梁
通過橢圓孔、變形支座釋放鋼梁的橫向變形。但會改變屋面鋼梁外觀，結(jié)構(gòu)左右也不對稱，總體感官不好。同時(shí)結(jié)構(gòu)的變形增大、剛度減小、總的造價(jià)會增加。
3），增加溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)合構(gòu)造措施
采用特定滑動夾具，避免了屋面板溫度應(yīng)力的影響。采用輔助軟件（3D3S）復(fù)核溫度應(yīng)力。這個(gè)方案既省用鋼量又便于制作安裝。
7、結(jié)束語
對門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋縱向、橫向溫度伸縮縫的處理除了要滿足規(guī)范要求，還要結(jié)合實(shí)際情況，這樣才能做到安全、經(jīng)濟(jì)、簡單、合理、美觀。
參考文獻(xiàn)
[1] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50017-2003 [S]
[2] 門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS 102：2002 [S]
關(guān)鍵詞：鋼框架柱；無支撐框架；弱支撐框架；強(qiáng)支撐框架；計(jì)算長度系數(shù)；彈性分析
Abstract: In the design of steel frame, in order to carry out the stiffness, stability checking calculation of frame column, column length must be calculated by the formula, calculation lengths of a column should equal the height multiplied by the layer of post calculating length coefficient. According to the "Specification for design of steel structures" 5.3.3 to determine the calculation, changes in the scope of calculation length coefficient of steel frame of steel column are very large, so how to determine the calculation length coefficient of steel column is very important. This paper simply summarizes how to determine the design method of calculating length coefficient of steel frame columns and column.
Keywords: steel frame column; no support frame; weak support frame; strong support frame; the calculation length coefficient of elastic analysis;
中圖分類號：TU2
鋼框架結(jié)構(gòu)分為無支撐的純框架和有支撐框架。其中有支撐框架根據(jù)抗側(cè)移剛度的大小，分為強(qiáng)支撐框架和弱支撐框架。對應(yīng)不同的框架類型，采用不同的計(jì)算長度系數(shù)公式。那么我們首先應(yīng)該確定框架的類型。
無支撐的純框架指未設(shè)置任何支撐的框架結(jié)構(gòu)，它的失穩(wěn)形式屬于有側(cè)移失穩(wěn)。強(qiáng)支撐框架指以無側(cè)移模式失穩(wěn)的框架。弱支撐框架是指抗側(cè)移構(gòu)件的抗側(cè)剛度不足以使框架發(fā)生無側(cè)移失穩(wěn)的框架，它的失穩(wěn)形式同樣屬于有側(cè)移失穩(wěn)。此處，又引出了另外一個(gè)概念，框架的失穩(wěn)模態(tài)。那么如何判斷結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式呢，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的條文解釋對此做了說明，在無側(cè)移失穩(wěn)時(shí)，橫梁兩端的轉(zhuǎn)角大小相等方向相反；有側(cè)移失穩(wěn)時(shí)，橫梁兩端的轉(zhuǎn)角大小相等而且方向亦相同。
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)（支撐桁架、剪力墻、電梯井等）的側(cè)移剛度（產(chǎn)生單位側(cè)傾角的水平力）滿足公式
的要求時(shí)，為強(qiáng)支撐框架。當(dāng)支撐的側(cè)移剛度不滿足上述公式時(shí)，為弱支撐框架。和分別為第i層層間所有框架柱用無側(cè)移框架和有側(cè)移框架柱計(jì)算長度系數(shù)算得的軸壓桿穩(wěn)定承載力之和。本公式的本意是對支撐部分和框架部分分擔(dān)水平力的比例進(jìn)行界定。當(dāng)支撐抗側(cè)剛度足夠大，即滿足本公式，框架分擔(dān)的水平力可以忽略不計(jì)，框架因不承擔(dān)水平力而無側(cè)移。對于有側(cè)移框架和無側(cè)移框架的定義，其實(shí)是針對雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系中的框架，根據(jù)其水平力的分擔(dān)比例來劃分的。多、高層建筑通常采用框架+支撐的雙重體系。在雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)中，框架承受的總水平力足夠小，則可以假設(shè)所有的水平力都由支撐機(jī)構(gòu)承受，框架本身不承受水平力，從而這個(gè)框架可以看作無側(cè)移框架即強(qiáng)支撐框架。不滿足上述規(guī)定的框架—支撐結(jié)構(gòu)體系中的框架，則是有側(cè)移框架即弱支撐框架。
下面，我們再來判別框架柱的設(shè)計(jì)法。目前，規(guī)范規(guī)定的框架柱的設(shè)計(jì)方法主要有一階彈性分析法和二階彈性分析法。一階彈性分析法不考慮框架結(jié)構(gòu)變形對內(nèi)力產(chǎn)生的影響，根據(jù)未變形的結(jié)構(gòu)作為計(jì)算圖形而建立靜力平衡條件，計(jì)算框架由各種荷載產(chǎn)生的內(nèi)力，然后將框架柱作為單獨(dú)的壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。此時(shí)所得變形和荷載間呈線性關(guān)系，需要對框架柱進(jìn)行一階線性內(nèi)力分析和穩(wěn)定計(jì)算。而框架在平面內(nèi)的穩(wěn)定計(jì)算則用框架柱的計(jì)算長度來考慮與柱相連構(gòu)件的約束影響。因此，一階分析只是一種簡化的近似方法。
二階彈性分析設(shè)計(jì)法是以變形后的體系作為計(jì)算圖形而后建立平衡條件，即考慮結(jié)構(gòu)變形對內(nèi)力產(chǎn)生影響的效應(yīng)（二階效應(yīng)）。其荷載與所得變形間呈非線性關(guān)系，框架在平面內(nèi)的穩(wěn)定計(jì)算采用框架柱的實(shí)際幾何長度。在進(jìn)行二階分析的過程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件被假定為無缺陷的理想構(gòu)件。所以，為求得真實(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，尚需考慮存在于結(jié)構(gòu)中的各種缺陷，如框架柱的安裝誤差、初彎曲和殘余應(yīng)力等。研究認(rèn)為，這些缺陷可以綜合起來由附加的假象水平力（亦稱概念荷載）統(tǒng)一體現(xiàn)。因此規(guī)范規(guī)定，應(yīng)在每層柱頂附加假想水平力。 研究表明，影響假想水平力的因素很多，包括材料強(qiáng)度、框架層數(shù)、每層內(nèi)柱數(shù)和柱長細(xì)比，并給出相應(yīng)的修正系數(shù)。綜上，。其中，為第樓層的總重力荷載設(shè)計(jì)值。為框架總層數(shù)，研究表明，框架層數(shù)越多，構(gòu)件缺陷的影響越小，且每層柱數(shù)的影響亦不大。為鋼材強(qiáng)度影響系數(shù)，強(qiáng)度越高，則截面相對越小，使位移增大，故影響越大。
對于無支撐純框架，應(yīng)按有側(cè)移框架考慮，但也需要先用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.8條判斷框架是否宜用二階分析。當(dāng)符合式時(shí)，說明框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度較小，不可忽略側(cè)移對內(nèi)力分析的影響，宜采用二階分析，以提高精確度。否則，可采用一階分析，按一階彈性分析方法計(jì)算框架柱的計(jì)算長度系數(shù)。
對于強(qiáng)支撐框架，按一階彈性分析法計(jì)算。框架柱的計(jì)算長度系數(shù)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D無側(cè)移框架柱的計(jì)算長度系數(shù)確定。其值取決于和。、分別為相交于柱上端、柱下端的橫梁線剛度之和與柱線剛度之和的比值。當(dāng)橫梁與柱鉸接時(shí)，取橫梁線剛度為零，即=0。當(dāng)橫梁的慣性矩很大，即，或時(shí)，它近似于橫梁與柱剛接，取=10。對于底層框架柱，當(dāng)柱與基礎(chǔ)鉸接時(shí)，取=0，當(dāng)柱與基礎(chǔ)剛接時(shí)，取=10。
對于弱支撐框架，可直接計(jì)算出框架柱的軸壓桿穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。。式中，、分別是框架柱用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D中無側(cè)移框架柱和有側(cè)移框架柱計(jì)算長度系數(shù)算得的軸心壓桿穩(wěn)定系數(shù)。
綜上，我們在進(jìn)行鋼框架柱的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先判斷出框架類型。對于無支撐框架，應(yīng)先分析宜采用一階彈性分析法還是二階彈性分析法。當(dāng)采用一階彈性計(jì)算內(nèi)力時(shí)，框架柱計(jì)算長度系數(shù)按有側(cè)移框架柱確定；當(dāng)采用二階彈性分析計(jì)算內(nèi)力時(shí)，框架柱計(jì)算長度系數(shù)取1.0，但每層柱頂應(yīng)附加假想水平荷載。對于強(qiáng)支撐框架，按一階彈性分析法計(jì)算，框架柱的計(jì)算長度系數(shù)按無側(cè)移框架柱的計(jì)算長度系數(shù)確定。對于弱支撐框架，則直接計(jì)算出框架柱的軸壓桿穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
參考文獻(xiàn)
1，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003），中國計(jì)劃出版社
2，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》（上冊）（第三版），中國建筑工業(yè)出版社
