鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一些體會(huì)

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

本人自參加工作以來設(shè)計(jì)了多棟鋼結(jié)構(gòu)建筑,其中包括門式剛架、鋼框架、鋼結(jié)構(gòu)加層、鋼結(jié)構(gòu)加電梯、大型廣告牌等。隨著設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累,對(duì)規(guī)范認(rèn)識(shí)的逐步加深,從中總結(jié)了一些對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí),提出來供大家參考及討論。
1門式剛架
⑴門式剛架應(yīng)首先確定是否有吊車,如廠房工藝要求需要布置吊車,則應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①柱腳應(yīng)設(shè)計(jì)成剛性柱腳; ②柱應(yīng)設(shè)計(jì)成等截面柱; ③柱間支撐應(yīng)由吊車縱向水平荷載控制設(shè)計(jì),而不是簡(jiǎn)單的構(gòu)造設(shè)計(jì),當(dāng)有不小于5 t的橋吊時(shí),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(shè)計(jì),不再贅述。
⑵柱間支撐的布置
柱間支撐與屋面支撐應(yīng)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(yīng)布置在第一柱間或第二柱間,當(dāng)布置在第二柱間時(shí)第一柱間相應(yīng)布置剛性系桿,且剛性系桿與抗風(fēng)柱沿縱向位置一致,使風(fēng)荷載直接傳遞。在剛架轉(zhuǎn)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(yīng)沿房屋全長(zhǎng)設(shè)置剛性系桿。當(dāng)門架的跨度較大時(shí),在布置支撐的柱間,應(yīng)適當(dāng)增加剛性系桿的數(shù)量,使支撐的夾角在45°左右。當(dāng)受建筑功能限制無法布置柱間支撐時(shí),應(yīng)布置縱向剛架。本人就曾經(jīng)做過一個(gè)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(yīng)用效果良好。
⑶屋面、墻面構(gòu)造
屋面及墻面構(gòu)造措施是增大剛架剛度,防止剛架平面外失穩(wěn)的關(guān)鍵措施。檁條、墻梁一般由冷彎薄壁構(gòu)件制成,當(dāng)柱距小于6 m 時(shí),設(shè)一道拉條,大于6 m時(shí),設(shè)兩道拉條。在這里應(yīng)特別提到斜拉條,在校圖過程中,常?？梢钥吹皆S多鋼結(jié)構(gòu)廠家或設(shè)計(jì)者設(shè)斜拉條而不設(shè)撐桿的情況。原因是結(jié)構(gòu)概念不是很清楚,因?yàn)橥ㄟ^結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí),在斜拉條間設(shè)置撐桿,方可形成穩(wěn)定體系。在屋面、墻面設(shè)計(jì)中還應(yīng)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(shè)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(guān)鍵部位,該處設(shè)隅撐十分重要。另外,《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102:2002 (以下簡(jiǎn)稱CECS102:2002)中規(guī)定:在斜梁下翼緣受壓區(qū)亦設(shè)置隅撐,其間距不得大于相應(yīng)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(shí),隔一個(gè)檁條設(shè)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(chǔ)間的摩擦力(摩擦系數(shù)可取0. 4)或設(shè)抗剪縫承受。這就是我們計(jì)算門架時(shí),往往出現(xiàn)警告提示:“柱腳需要設(shè)抗剪! ”
分析上述原因,主要是門架結(jié)構(gòu)一般自重較輕,柱腳底板與基礎(chǔ)混凝土間的摩擦力較小,不足以抵抗水平的風(fēng)荷載與地震作用,所以應(yīng)設(shè)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(yīng)進(jìn)行計(jì)算,柱腳底板與基礎(chǔ)表面間的空隙進(jìn)行二次注漿。具體做法可參考《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖》01SG519圖集中第30頁(yè)大樣1、2的做法。
⑸柱腳錨栓的安裝定位
這是設(shè)計(jì)人員往往忽視的問題,而在實(shí)際工程中錨栓定位不準(zhǔn)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(duì)上述原因,采取澆筑混凝土前預(yù)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(gè)小的格構(gòu)柱,這樣錨栓的定位就方便準(zhǔn)確了。⑹抗風(fēng)柱與剛架的連接目前門式剛架的抗風(fēng)柱設(shè)計(jì)存在兩種錯(cuò)誤的做法:一種是將抗風(fēng)柱與剛架做成一樣,抗風(fēng)柱與剛架梁或鉸接或剛接,抗風(fēng)柱既參與抗風(fēng)又參與豎向荷載作用及橫向水平作用。而設(shè)計(jì)人員往往又不做這樣剛架的縱向抗風(fēng)驗(yàn)算。這樣做是漏算荷載的,是工程設(shè)計(jì)的一大忌。本人認(rèn)為一個(gè)受力明確的排架結(jié)構(gòu)不應(yīng)讓它的受力復(fù)雜化。這種做法是欠妥的;另一種做法是抗風(fēng)柱與剛架在一條軸線上,但不考慮抗風(fēng)柱受豎向荷載作用,抗風(fēng)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(fēng)柱,而且鋼板的側(cè)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(fēng)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(fēng)柱錯(cuò)開500～600 mm,抗風(fēng)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(zhǎng)圓孔,連接螺栓采用普通螺栓,做法見圖2。圖2　抗風(fēng)柱與剛架連接大樣
2　鋼框架的設(shè)計(jì)
⑴鋼框架體系的選擇
常用鋼結(jié)構(gòu)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(guān)。這就要求結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)與建筑師密切配合,當(dāng)由于建筑功能限制無法設(shè)置支撐時(shí),則應(yīng)采用純框架體系。純框架體系由于無抗側(cè)移支撐,縱橫兩個(gè)方向要滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001 (以下簡(jiǎn)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(gè)方向均應(yīng)剛接;又因《抗規(guī)》第8. 3. 4 條規(guī)定:“柱在兩個(gè)互相垂直的方向都與梁剛接時(shí),宜采用箱型截面”,所以采用純框架體系時(shí),柱往往設(shè)計(jì)成箱型柱,但箱型柱內(nèi)部防銹及使用過程中的維護(hù)相當(dāng)困難,這是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一大難題。本人也試圖在設(shè)計(jì)中采用柱內(nèi)澆筑混凝土的方法,但由于箱型柱在節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置加勁隔板,澆筑混凝土很困難;另一方面,鋼管混凝土在國(guó)內(nèi)仍處于研究階段,常用設(shè)計(jì)軟件無法計(jì)算,計(jì)算理論在各學(xué)報(bào)中不盡相同?；谝陨显?在設(shè)計(jì)純鋼結(jié)構(gòu)框架時(shí),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(qiáng)、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(shè)計(jì)院圖紙亦有采用上述設(shè)計(jì)方法的,但計(jì)算結(jié)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(gòu)造上的一些困難,故建議在設(shè)計(jì)多層鋼結(jié)構(gòu)房屋時(shí)盡量采用工字型柱,設(shè)計(jì)成框架—支撐體系。結(jié)構(gòu)工程師與建筑師盡量協(xié)調(diào),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(shí)現(xiàn)支撐的隱形。實(shí)際工程計(jì)算結(jié)果表明,支撐對(duì)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(hù)方便,弱軸方向的連接簡(jiǎn)單易行,實(shí)在是一個(gè)有效的方法。
⑵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。鉸接節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單,力學(xué)關(guān)系明確,在這里不做過多贅述,重點(diǎn)討論一下剛接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。梁柱剛性連接設(shè)計(jì)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(diǎn)形式,在工程實(shí)際中采用的也大部分是這類節(jié)點(diǎn)。這種節(jié)點(diǎn)有兩種計(jì)算依據(jù):精確設(shè)計(jì)法和常用設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)法在實(shí)際設(shè)計(jì)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(jì),所以工程中大多采用常用設(shè)計(jì)法,這種計(jì)算模型力學(xué)關(guān)系明確,計(jì)算簡(jiǎn)單,但是在設(shè)計(jì)中一定要注意采取抗震加強(qiáng)措施,如采用使塑性鉸外移的梁端增強(qiáng)式連接或在離梁端不遠(yuǎn)處削弱梁上下翼緣的犬骨式連接。這是因?yàn)?在不做任何加強(qiáng)梁端翼緣的情況下,只考慮腹板連接螺栓承擔(dān)剪力,彎矩由翼緣焊縫承擔(dān),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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3. 2. 2條,考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(diǎn)比等強(qiáng)連接還要低30% ～25% ,違背了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn),弱桿件”“大震不倒”的抗震基本原則?；谝陨显?應(yīng)采用《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖》01SG519圖集第19、20頁(yè)所示的抗震加強(qiáng)措施。

另外
我國(guó)在《抗規(guī)》及《鋼規(guī)》中均未規(guī)定鋼框架的抗震等級(jí),只是分12層以下和12層以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。筆者認(rèn)為這相對(duì)于我國(guó)地域遼闊、各地設(shè)防烈度差異大的特點(diǎn)是不合適的。新舊《鋼規(guī)》中對(duì)多、高層鋼結(jié)構(gòu)房屋均未規(guī)定伸縮縫的設(shè)置范圍,僅對(duì)單層工業(yè)廠房做了一些規(guī)定。以上兩點(diǎn)都是概念性的大問題,《鋼規(guī)》不強(qiáng)調(diào)這兩點(diǎn)是不合適的。