钢结构设计要点及注意事项

门式刚架与框架1、如何掌握门架适用范围与抗震设计门架规程规定适用范围为小于36米，但实际上用到了72米，尤其是地震区如何掌握，门架规程只是简单的提出应进行抗震验算，而抗震规程则明确出单层钢结构房屋不包括门式刚架。宏观讲从希腊等国外经验，20年的抗震经验钢屋架均未遭受严重破坏倒塌，因此门架经得起地震考验，主要因为门架是半刚性节点，延性非常好。门架与一般钢结构最大区别是利用屈服后强度，高宽比比较放宽，从国外经验，多数认为在反复动力作用下会使腹板产生呼吸作用引起疲劳，而地震是很少反复作用不会产生呼吸作用，因此地震区可以用屈服后强度。根据经验，门架抗震原则是1）属于剪切型为主，采用基底剪力法2）70不进行抗震计算，构造应采取措施。3）门架抗震措施主要是构造加强节点，如构件间尽量用螺栓，斜梁下翼缘与柱连接宜加掖板，该处翼缘受压区的宽厚比适当减小，柱间支撑与构件连接处应承以1.2倍设计，地脚螺丝要防止上拔，并防止剪切加强抗剪键4）按门架类型进行抗震分析单层门架----只有高度小于8米地震力才会超过风载（风为0.5—0.6KN/M2）带吊车的门架----牛腿一般固定高度6米，结构周期随高度而减小，质量随高度加大，因此高度变化时对牛腿处侧移影响不大，但高度对地震下柱顶侧移影响大。局部夹层的门架----比较常用的局部夹层是二层或三层办公室，因此门架按门架，夹层按多层抗震，层间位移为L/400。四周砖墙的门架----门架与砖墙周期振型差别大，砖墙应加构造柱圈梁与砖墙连接可靠，门架与砖墙留缝隙，缝隙大于侧移，70门架也还要加柱间支撑。2、如何区分门架二种计算长度的概念门架规程5.2.4侧移计算时长度L0=2S，而在稳定计算时6.1.3，L0=S，这是因为规程5.2.4，计算长度指侧移时摇摆柱不起作用，即为全跨，如果不是双跨而是四跨L0=4S.规程6.1.3计算长度指柱的稳定，摇摆柱能约束梁的弯曲，对柱的稳定有帮助，因此不论二跨还是四跨L0=S.摇摆柱根据经验不宜超过三根，而且不宜用于支托梁因托梁荷载大，摇摆柱侧向刚度对整体稳定不利，摇摆柱计算时要考虑内力增大系数1.5。3、门架放宽高厚比要不要担心。门架利用屈曲后强度放宽高厚比有一个限制是坡度小于60MM/M，这是因为拉力场是近似的，坡度大刚度突变，应力集中尤其三向应力限制塑性变形。门架规程说明“具体设计应根据制造厂的技术条件采用适当高厚比”，这些说明使设计者担心高厚比，有的甚至盲目加纵向加劲肋，增加施工麻烦，实际上屈曲强度拉力场与纵向肋没有关系，而条文说明只是提醒腹板薄于3毫米时，焊接整平技术有一定难度，并不是指一般宽厚比，因此一般宽厚比不用担心。由于拉力场必须横向加劲助，除在柱腹板与梁连接处及连接板与吊车梁上翼缘连接处外，横向加劲助间距应为hw~2hw，门架加劲肋比钢结构要严格些，主要考虑变截面当剪应力很小时，可以不加横向加劲，条件如下，hw/tw170160150140130120110100τ/fy0.1160.1310.1490.1710.1990.2330.2780.3364、梁柱的半刚性节点如何计算。目前研究半刚性节点的文章很多，根据欧洲规范将刚性节点界限为25EI/Lb，EI/Lb为梁的线刚度系数，0.5EI/Lb为铰接，理论分析与实验都说明绝对刚性的节点是没有的，基本上都是半刚性，仅是刚度程度不同，由于半刚性的研究尚不成熟，我们计算假定时仍假定节点是刚性，显然是力学模型与构造模型矛盾，说明计算近似性，由于半刚性，门架规程要求翼缘与端板的连接用全透接焊是没有必要的，实验也证明了这一点。节点应保证一定刚度，防止侧移过大，有的提出可取消预拉力是不对的，板厚t1.1d(d为螺栓孔直径)，如要消除撬力，板厚应大于2～2.5d(d为螺栓孔直径)，这也不必要。5、梁柱节点，弯矩由翼缘承受，剪力由腹板承受，算法对不对根据资料这样算法明显不合理，事实上腹板承受一部分弯矩，美国规定梁翼缘截面模量小于全截面模量70％时，要求腹板角部用焊接加强，焊缝承载力不小于腹板所受弯矩的20％，日本则要求腹板连接螺栓不小于2--3列，因此我国抗震规范规定翼缘截面模量小于全截面模量70％时，螺栓不小于2列，螺栓数量不小于计算值的1.5倍。6山形门架的计算长度如何计算一般门架计算长度不考虑斜梁轴力，如倾角又超过20％误差很大，因此α10～200时应考虑轴力及斜梁承受重力屋脊节点的位移产生P—Δ效应的影响，其计算长度按下式柱脚铰接时μ＝2+0.45GRGR=IcLR/IRh柱脚刚接时μ＝1+AGR3/2A＝0.1+0.07IR/Ic根据分析，斜梁刚度较小时，此法误差比较大，而柱脚铰支不如柱脚嵌固的严重因此柱脚嵌固时，上式计算μ乘以1.1倍。一般框架属于整体失稳问题，分析得出，斜梁不会先与柱失稳，但设计习惯于逐个构件计算，梁的计算长度可由下式：2//RCRCRRChLμ＝μNININc和NR分别为柱和斜梁力，μc是柱的计算长度，斜梁计算长度用μR(LR/2)7)框架的计算长度1、框架的计算长度也是计算中要注意的问题，严格地讲，框架的整体稳定就必须采用二阶分析，因为稳定就是要在结构变形以后的位置上建立平衡条件，二阶分析法是基本上不考虑材料非线性的非线性分析，现行规范推荐用一阶计算而对柱子的稳定计算，用计算长度来简化框架整体稳定，这是近似的方法，计算长度法用弹性理论计算。规范中计算长度基本上用了原规范的表格，分无侧移和有侧移，其基本假定是弹性，柱子只承受作用在节点上的竖向荷载所有柱子假定同时失稳，当柱子失稳时，相交于同一节点的横梁对柱子提供的约束弯矩，按他们的线刚度分配到各柱，无侧移变位时，横梁两端的转角大小相等方向相反，有侧移时，横梁两端的转角大小方向均相同。新规范考虑工程中有些不完全符合上述假定所以在表格中加梁远端铰接嵌固情况，底层柱与基础铰接，嵌固情况的修正系数及摇摆柱二阶计算是合理的算法，应该包括了P-Δ效应即一阶下荷载作用下引起的一阶弯矩和一阶挠度。P-Δ效应即侧向力产生一阶挠度还有垂直力作用下与水平力引起的侧移位置相互作用引起的弯矩。用计算长度计算是保守的算法，比二阶更安全，二阶计算本就无所谓计算长度问题，只要进行内力分析和强度计算，但目前的二阶计算还是近似的，只考虑了有侧移的P-Δ，而为考虑无侧移的P-Δ，而且初始缺陷无法模拟，所以仍按计算长度L=Lo来验算稳定。2、梁弯矩和轴力对计算长度的影响由于计算长度法的基本假定之一是框架只承受作用在梁柱节点上的竖向荷载，而实际工程中梁上布满了荷载，这个问题一只引起讨论，最近还有文章论及梁上有荷载使梁和柱子受弯，且引起支座水平反力使梁受轴力，结构还承受水平荷载使柱子弯曲和侧向位移，有的认为对单层框架对称失稳影响大，反对称失稳影响不大。有的提出无侧移失稳，二者相差1/5.78，有侧移失稳相差1/1.07。差别大的原因有二：一是框架对称失稳的变形模式和屈曲前失稳十分接近，二是梁轴力影响，对称比反对称不利，框架变形后，随荷载呈非线性而失稳。从概念上，计算长度是依据线刚度分析，而失稳是力学问题，可能关系不大，据规范组童根树教授介绍要有影响就是因梁的轴力，根据分析单跨单层的梁轴力较大，可能有影响，但估计影响不大，而对于双层单跨的框架，下层为砼楼板，上层为轻屋面时，上层梁轴力可能很大，要加以注意，所以只要梁轴力较大时要引起注意，并查规范表格根据轴力加以修正系数。3、关于支撑刚度的影响规范中提出了强支撑或弱支撑的概念，过去习惯，当支撑刚度超过框架刚度五倍时，即可按无侧移考虑，而新规范则提出计算公式，一般支撑刚度只有框架刚度80％，水平力全由框架承担而现规范则根据计算机计算，如梁为方便起见，可以先按5倍刚度估计，这是偏于安全的，因为是弹性线性分析，但地震区有些这样估计将可能不够，则再按规范Sb计算。一般使用结果，加了支撑即可通过计算为无侧移，但没有把我的是支撑发挥作用问题，如果支撑先屈服，失去刚性，就不可能是无侧移，所以童根树教授建议设计支撑时应力只用到80％以下，保证支撑不会屈服，这样即可判定大部分放了支撑即可认为无侧移。4、其他因素如节点刚度达不到全刚性，可以按半刚性可以计算长度按刚接的加大6～9％，至于层间相互作用肯定是存在的，单根柱总是和同一层的其他柱同时失稳，不会单独失稳，也即群柱稳定，单层框架即考虑了群柱失稳。没有规范，童树根教授提到了实用设计方法，《钢结构设计方法》P30，供参考。围护结构1、压型钢板基材如何选择压型钢板基材的腐蚀主要是电化学腐蚀，C与钢材元素形成原电池，如果有水分则促成腐蚀。基材有五种：电镀锌板、热镀锌合金化、热浸锌、热镀锌铝合金、热镀铝锌合金。热镀锌是靠牺牲锌来防腐，但锌层很薄15μ。热镀锌合金化是形成一些较厚致密的不溶水非活性氧化膜，但较粗糙有小疏松和空洞，这种合金化与化学转化膜是两回事。热浸锌是有部分基材与锌相化合比合金化好些。而热镀锌铝合金是95％锌5％铝，热镀铝锌合金是55％铝43.5％锌1.5％矽，热镀铝锌最大优点是表面形成一层致密的Al2O3膜，铝不是作为牺牲的阳极来保护而靠Al2O3是非常稳定的化学膜。其耐腐能力超过热浸锌2—9倍。富铝呈空间树枝状，而富锌的稳定腐蚀物则了断面的空隙中，镀铝锌可以弥补牺牲阳极保护不能提供持久的缺点，尤其在切口处更稳定，因此基材的选择应按上述次序选择2、压型钢板涂层如何选择涂层下必须有化学转化膜，化学转化膜是由基板金属原子参与化学钝化反应而形成一种惰性金属绝缘膜如磷化膜，因此化学转化膜是基板与磷硫盐防锈底漆产物，通过物理作用增进涂层与转化膜的粘结作用涂层主要起屏蔽作用，阻断电化学过程，主要有聚酯漆，改良型聚酯类（双性有机硅聚酯）氟碳树脂类（聚氯乙烯聚偏二氟乙烯）但聚氯乙烯很少用。聚酯性油漆属可透水性的油漆，水分子易渗至钢基板而产生膜下化学反应，寿命完全依靠基板寿命，氟碳类为非透水性，自身被腐蚀前提供良好屏蔽作用，聚脂类在紫外线下7年褪色50％，改良性15年达40％，氟碳类15年达6％，优质可达20年。因此涂层应优化先用氟碳类，尤其褪色要求高者，但要注意氟碳PVF2应要求KYNAR500或HYLAR5000树脂达70％，如果减料至50％，将降为与聚酯漆差不多。3、檩条拉条应如何正确布置很多规定手册檩条拉条布置都按右图布置，这些布置都是参照过去手册的，而过去手册又是根据过去情况布置的，过去屋面较重，屋面坡度较大，檩条失稳主要是平衡屋面荷载的水平力和剪心的扭转，因此拉条就一个靠上H/3处，一个靠下H/3处形成力偶抵抗，拉条也只要求在屋檐处水平支撑拉住即行了，因为扭转方向是一定的，但目前情况完全不同，现在是屋面很轻很平，失稳完全是由于风力向上檩条翼缘受压失稳，因此拉条应拉在下翼缘处而拉条水平支撑应在屋檐处屋脊处都要放置，因为下翼缘失稳方向很难确定。檩条上拉条距离应如何确定，门架规程提出4米檩条应加拉条，但也未提出拉条在上翼缘还是在下翼缘，我们认为上翼缘拉条的距离应该决定于屋面板的蒙皮作用，虽然蒙皮作用不允许代替支撑，但檩条上稳定还是应该依靠蒙皮作用，我们在厦门太古机库5米的BHP檩条即未按4米加拉条的决定，根据BHP风力向下荷载查表5米可以不加拉条，BHP的蒙皮作用是靠扣板有一定紧固力，如果屋面板是螺栓连接可以更起作用，有的国外资料则根据檩条腹板厚度来确定。4、檩条风向上吸力下翼缘受压如何计算檩条下翼缘受压失稳时将受到屋面板蒙皮作用的约束。一方面屋面板本身有一定扭转刚度而变形时屋面板与檩条的接触点的压力及连接件的拉力也形成力矩，但这些影响因素很多，因此计算方法也很复杂，目前有五种方法。第一种是98年门架规程，虽然原则上按欧洲规范但在Y方向平面外轴压稳定系数与欧洲规范完全不同是自己假定的与第二种2002门架规程完全出入很大，第三种是澳大利亚规范，计算也比较复杂，但在屋面板与檩条是螺栓连接时仅需乘以折减系数，就很简单。第四种是参考BHP所列承载能力表，可以很简单查出有拉条无拉条风向上吸力承载力，但其标准承载力表偏大，原因尚不清楚，设计承载力的表查到后应将承载力降低10％才安全，这是澳大利亚规范直接采用钢的