浅析钢结构设计
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摘要首先阐述钢结构的含义、特点及适用范围,紧接着分析影响用钢量的三方面因素,最后详细论述基于轻钢结构的设计过程及耐火保护层设计。总之,通过对钢结构的刚度、稳定性、连接、支撑、焊缝及耐火保护等方面的研究,给出通用性的设计思路及实现方法,这对于我国优化钢结构设计,减少结构用钢量,降低工程造价具有重要指导意义。
关键词钢结构;用钢量;刚度;稳定性;耐火保护层
中图分类号TU2文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0095-01
随着我国城市化进程加快及钢产量快速提高,钢结构在建筑结构的应用日益广泛,钢结构设计队伍逐步扩大。特别是近年建筑行业的高速发展和原材料匮乏,长期在多层建筑领域占统治地位的粘土砖逐渐退出历史舞台。但与此同时,钢结构建设资源的合理利用及可持续发展问题日益突出。
当前,制约我国钢结构建筑发展的主要因素是:钢结构建筑的造价高于钢筋混凝土结构。因此,在满足钢结构建筑规范的前提下,对钢结构建筑进行优化设计,减少结构用钢量,降低工程造价有重要意义。
1钢结构概述
1.1钢结构的含义及特点
钢结构是由型钢和钢板等组成的结构,形式多样:桁架、框架、网架、门刚等等;各构件或部件之间采用焊缝、螺栓或铆钉连接。
钢结构的特点:钢材的组织结构均匀,接近于各向同性匀质体,因而钢结构的理论计算结果比较符合实际受力情况;钢材强度和弹性模量也高,因此与同强度才来相比,体积轻便:钢结构塑性和韧性好、适宜于承受振动和冲击荷载;钢结构便于机械化制造,精确度较高,安装方便,是工程结构中工业化程度最高的一种结构;施工较快,可尽快地发挥投资的经济效益。钢结构的密封性较好,但耐锈蚀性和耐火性较差,需采取防腐防锈及防火措施。
1.2钢结构的适用范围
基于以上优点,钢结构通常用于跨度大、高度大、荷载大、动力作用大的各种工程结构中,如工业厂房的承重骨架和吊车梁、大跨度的屋盖结构、高层建筑的骨架、大跨度的桥梁、起重机结构、塔架和桅杆结构、石油化工设备的框架、工作平台和海洋采油平台、管道支架、水工闸门等;也常用于可装拆搬迁的结构,如临时性展览馆、建筑工地用房、混凝土模板等。轻型钢结构常用于小跨度轻屋面的各类房屋、自动化高架仓库等。此外,容器结构、炉体结构和大直径管道等也常用钢材制成。
2影响钢结构用钢量的主要因素
在钢结构设计中,影响用钢量的因素主要有以下三点:
1)刚度条件。一般来讲,设计时要求变形越小则用钢量越大。变形与构件的长度密切相关,即与工程结构的高度、跨度、柱距等方面有关。如单层轻钢结构厂房若控制跨度≤30m、檐口高度≤9m、柱距≤9m,则用钢量一般是比较节省的。
2)整体稳定条件。过去传统钢结构设计往往采用拉压杆体系解决稳定性,现在设计中则较多采用拉杆体系支撑,现行的国家标准该问题规定不明,部分设计人员对结构件间在互相连接作用下约束效果考虑不够,易造成了为增加稳定性而加宽构件翼缘,使得实际用钢量比设计所需有所增加。笔者认为:设计时应适当考虑构件的相互约束(如设计刚架梁时考虑檩条对梁的约束),就可以把为解决整体稳定而多用的钢材节省下来。
3)局部稳定条件。国标GBJl7-88《钢结构设计规范》用于轻钢结构设计是偏于安全的。国家标准CECSl02:98《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》及上海、北京等地制订的有关轻钢结构设计方面的技术规程在刚度和稳定性条件等方面也未作出具体规定,设计时,我们应综合考虑其结构安全性和用钢量,来确定结构设计。
3基于轻钢结构设计的具体过程
3.1刚度设计
国标GBJl7-88《钢结构设计规范》对多层框架和有重级工作制吊车的厂房变形控制的要求作了较明确的规定。对普通单层结构,国标CECSl02:98《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》做出了具体的规定。
结构变形主要涉及到适用性的问题,一般对结构的安全性涉及并不太深。而单层轻钢结构屋面一般是不上人的。笔者认为,设计时对单层轻钢结构厂房的变形控制是可以适当放宽的。放宽变形对于那些主要由变形控制的建筑有非常重要的经济意义。根据上海市已建成投入使用的轻钢结构单层厂房、仓库等实践经验,对于檐口高度不超过9m的单层轻钢厂房,设计时可以只考虑强度条件,而不必考虑刚度变形要求。这种做法与欧美等国标准的规定也是比较接近的。
3.2整体稳定设计
3.2.1框架构件设计
整体稳定系数计算公式:
式中:――梁整体稳定系数;
――梁整体稳定等效弯矩系数;
――梁侧向支撑点间对接弱轴的长细比;
――按受压纤维确定的梁毛截面抗矩;
――梁毛截面面积;
――梁截面全高;
――梁受压翼缘厚。
由上式(1)可知,构件整体稳定承载能力与成反比。由于与受压翼缘的自由长度成正比,故解决整体稳定最经济有效的办法是对受弯构件的受压翼缘增加侧向支撑以减少。因为在轻钢结构设计中,由于檩条彩板屋盖结构的檩条的侧向支撑作用(檩条间距一般为l200-1500mm),梁的整体稳定往往有保证。这样就可以不必为整体稳定而加宽翼缘,增加用钢量。
设计时还应注意,檩条只能约束屋面梁上翼缘和柱外翼缘。但是由于轻钢结构屋面往往较轻,风荷的改变往往会改变内力的方向,因此梁下翼缘及柱内翼缘也都存在受压的可能。对于这种情况,设计时通过设置隅撑来解决。隅撑连接梁下翼缘(或柱内翼缘)与檩条,使之形成侧向约束,来解决梁下翼缘(或柱内翼缘)的整体稳定。
3.2.2檩条设计
采用Z型、C型檩条时,设计成搭接的连续性檩条而成为连续梁计算模式比以简支梁为模式的效果好。因为连续梁模式比简支梁模式的刚度大,稳定性优于简支梁。在笔者查阅的欧美等国钢结构图纸与技术中,他们计算稳定的自由长度取值是连续梁跨中反弯点之间的长度。这比我国现在一般取的自由长度要小,因此稳定性也优于简支梁。接照连续梁模式设计成的檩条,其檩条的拼接处一般都在跨度的五分之一处。
3.3局部稳定设计
据弹性理论,四边简支板的临界剪应力为:
由式(2)知:板的局部失稳临界剪应力与(h/tw)2成反比,故h/tw越小越好,设计时为了节省钢材就须增大h/tw值以提高构件的抗弯模量。这时解决局部失稳往往可以不必增大腹板厚tw,一般是通过设加劲肋的方法来解决。在国标CBJl7-88《钢结构设计规范》中,h/tw ≥ 80设加劲肋的规定就是基于临界剪应力与抗剪屈服应力相等定出的。这个规定对于普通钢结构是合适的。但对于轻钢结构,因为荷载较小,往往剪应力也很小,要远远低于抗剪屈服应力。在低剪应力下,即使h/tw ≥ 80也不会产生局部失稳现象。因此,设计时若剪应力未达屈服剪应力,可不设加劲肋,这一点在轻钢设计中可适时考虑
3.4焊缝设计
在设计规范中受力焊缝已有明确的规定。此处所讲的焊缝指的是梁、柱腹板与翼缘板之间的焊缝。因为这些焊缝在轻钢结构的制作中占了绝大部分的焊接工作。梁柱腹板与翼缘之间的焊缝主要是传递翼缘与腹板之间的剪应力。翼缘与腹板之间剪力很小,因此所需焊缝亦可很小。在美国钢结构施工图中,这些焊缝的处理广泛地采用了单面焊缝,这使得焊接工作量大大地减少了。用自动焊机的生产能力提高了一倍左右。国内未能采用单面焊缝原因大致有:①目前国内大多数轻钢结构生产厂家还没有解决单面焊缝的非对称变形;②长期以来设计人员已形成习惯。笔者认为,若解决非对称变形问题,对梁翼缘与腹板之间的焊缝可以使用单面焊。至于那些受力大的重要部位仍须双面焊,如吊车梁、牛腿等。
4钢结构耐火保护层设计
钢结构或钢构件存在耐火性能差会导致严重的安全隐患,这使得完善和充实钢结构规范中的防火设计显得愈来愈迫切。
现有的研究结果表明,经过保护后构件的升温规律除时间滞后外,其温度场分布规律与未保护时相同。因此,耐火保护层的厚度计算可采用如下假设:在要求的耐火极限时间内,使被保护的构件吸收的热量及钢表皮所达到的温度与未保护时构件的耐火极限内构件中吸收的热量及钢表皮所达到的临界温度相等。对于钢构件的防火保护层厚度可根据国家标准《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98的附录7“钢构件防火保护层厚度计算”。
受保护的钢结构的耐火性能受其保护方式、保护材料类型及其厚度、施工质量等影响。不同的钢结构保护材料具有不同的特性和用性,选用时应根据保护结构的形式、环境条件、建筑内主动消防设施情况、当地消防管理水平等具体情况,通过经济分析综合确定。要保护这些保护方法在火灾时发挥预定功能,还应加强施工中产品质量、施工质量和日常维护管理的控制。采用水泥砂浆保护时,由于其附着力差且容易开裂剥落,在施工时建议采用钢结构外加焊钢丝网,再在钢丝网上进行抹水泥砂浆或高压喷枪喷射水泥砂浆成型。
参考文献
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