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時(shí)間：2022-11-04 14:04:04
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鋼材受自然因素影響較大，一旦長(zhǎng)時(shí)間暴露在室外環(huán)境中，就極易被銹蝕，不僅鋼材的外觀會(huì)深受影響，鋼材的質(zhì)量也會(huì)大打折扣。因此，在鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中鋼材防腐問(wèn)題也是必須引起高度重視。當(dāng)前，鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中對(duì)于防腐方面問(wèn)題的解決方法通常是采用涂抹防腐涂料的措施。設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)建筑的要求選用合適的防腐涂料，并要求施工人員在施工中嚴(yán)格按照相關(guān)要求規(guī)范進(jìn)行操作。此外，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件也有不同的要求，例如有的構(gòu)件在出廠前需要涂刷一層底漆。在鋼材上涂抹防腐涂料就目前來(lái)看是最為有效的防腐措施。但是這樣做只是基礎(chǔ)性的防腐，因而為了提高鋼結(jié)構(gòu)的防腐效果，就必須選用耐候鋼作為鋼結(jié)構(gòu)建筑的首選材料，并利用熱浸鍍鋅技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理，利用鍍層，達(dá)到保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)不被腐蝕，尤其是應(yīng)加強(qiáng)有機(jī)涂料配套技術(shù)的應(yīng)用，以及陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，才能更好地確保其防腐性能得到有效的提升。
1.2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在物理方面的問(wèn)題及對(duì)策
1.2.1噪聲問(wèn)題及對(duì)策
噪聲問(wèn)題是現(xiàn)代建筑中最為常見的問(wèn)題之一，且一直沒有得到徹底的解決。怎樣有效降低噪聲已經(jīng)成為當(dāng)前建筑學(xué)中的重要研究課題之一。人類耳朵能夠聽到許多種聲音，而這些聲音又大致能夠分為兩類，一類是無(wú)害悅耳的聲音，例如音樂(lè)聲、鳥鳴聲等;另一類則是有害的噪聲，例如各種機(jī)械發(fā)出的轟鳴聲，刺耳的喇叭聲等。一般情況下，建筑使用功能的不同對(duì)隔音的效果要求也不同，例如大型商場(chǎng)建筑，其隔音效果要求較低;尋求安靜的住宅建筑隔音效果要求就較高，這就需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)建筑使用功能以及隔音效果的不同要求進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)。在鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中所采用的隔音措施主要有:使用隔聲門、隔聲窗，并在建筑或需隔音的房間外墻上使用隔聲性能較好的材料。根據(jù)建筑使用功能的不同，其對(duì)吸音的效果要求也不相同。例如音樂(lè)廳類型的建筑，其主要使用功能就是讓人類的耳朵吸收發(fā)出的音樂(lè)聲，所以在音樂(lè)廳類型的建筑中通常會(huì)在頂棚增加反射板用來(lái)反射聲音，若是音樂(lè)廳中的聲音無(wú)法反射，那么人類的耳朵所聽到的聲音就會(huì)有缺失，甚至是聽不到聲音。當(dāng)前，解決吸音問(wèn)題的主要措施有兩種:第一種是科學(xué)的設(shè)計(jì)吸聲結(jié)構(gòu)，例如孔石膏板吊頂。第二種是采用先進(jìn)的吸聲材料，例如玻璃、巖棉等吸聲性能較好的材料。
2建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)
2.1建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為:第一，鋼結(jié)構(gòu)的多樣性。建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題直接影響著鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，特別是承荷載力大的鋼結(jié)構(gòu)部位，在進(jìn)行這類鋼結(jié)構(gòu)部位設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行多方面的考慮，并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行認(rèn)真分析、探究。第二，鋼結(jié)構(gòu)的整體性。鋼結(jié)構(gòu)建筑是由多種構(gòu)件共同組成的一個(gè)整體，任何一個(gè)構(gòu)件所具有的作用都是不容忽視的，若是當(dāng)任意一個(gè)構(gòu)件出現(xiàn)問(wèn)題，例如失穩(wěn)、變形等情況，那么必定會(huì)對(duì)其他構(gòu)件造成影響，最終導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性出現(xiàn)問(wèn)題。
2.2鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的計(jì)算方法
(1)整體剛度計(jì)算。在現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算規(guī)范中，通用的計(jì)算方法是軸心壓桿穩(wěn)定計(jì)算方法，其主要采用是折減系數(shù)方法和臨界壓力求解法。其中，臨界壓力由歐拉公式給出。(2)整體穩(wěn)定性分析。鋼結(jié)構(gòu)建筑是由多種構(gòu)件共同組成的一個(gè)整體，其整體穩(wěn)定性受各種構(gòu)件的制約較大，各構(gòu)件之間是否具有良好的穩(wěn)定性，是確保鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的前提基礎(chǔ)。所以，應(yīng)對(duì)其整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。(3)其他特點(diǎn)的穩(wěn)定計(jì)算。鋼結(jié)構(gòu)的各種組成構(gòu)件又能分為兩大類，為彈性構(gòu)件和柔性構(gòu)件，因而，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)重視這一特點(diǎn)。由于柔性構(gòu)件容易發(fā)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部也發(fā)生變化，最終對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，所以，必須重視柔性構(gòu)件的分析。
2.3鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法
(1)靜力法。靜力法的分析原理是結(jié)合已經(jīng)出現(xiàn)了微小變形后的一些結(jié)構(gòu)受力的條件，并根據(jù)這些條件來(lái)建立相對(duì)平衡的微分方程。通過(guò)建立的微分方程仔細(xì)的計(jì)算出構(gòu)件受力的臨界相關(guān)荷載。在實(shí)際中應(yīng)用靜力法構(gòu)件平衡微分方程時(shí)，應(yīng)遵循相關(guān)設(shè)定，具體表現(xiàn)為:直桿構(gòu)件應(yīng)該為截面，其壓力應(yīng)始終遵循之前的軸線進(jìn)行作用。(2)動(dòng)力法。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系處于平衡狀態(tài)下時(shí)，若是受到一定的干擾，那么整個(gè)結(jié)構(gòu)體系就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)應(yīng)采用動(dòng)力法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性與其所承受的荷載有著密切關(guān)聯(lián)，在鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形以及鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速時(shí)，這種聯(lián)系更加緊密。若是鋼結(jié)構(gòu)所承受的荷載值低于鋼結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性的極限荷載值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)加速度和之前的鋼結(jié)構(gòu)變形的具體方向相反的狀況。(3)能量法。若是在實(shí)際應(yīng)用中鋼結(jié)構(gòu)載著保守力并且已經(jīng)具備結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)受力條件，那么就能以此條件構(gòu)建總體勢(shì)能。如果要計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的總體勢(shì)能，則必須滿足一個(gè)前提條件，即鋼結(jié)構(gòu)處于相對(duì)平衡的狀態(tài)下。
1．前言
《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》公布以來(lái)已經(jīng)快三年。這幾年，這類工程發(fā)展，《規(guī)程》起了很大推動(dòng)作用，但也陸續(xù)聽到一些令人不安的情況。今冬雨水較大，降雪較多，有些地方雪特別大，結(jié)構(gòu)壓壞恐怕很難避免，但有的地方雪不大房子也有垮的，漏水的更多。最近某廠屋頂漏水解決不了，找到鋼結(jié)構(gòu)委員會(huì)來(lái)了，不是雨水，是冷凝水，以前還沒有碰到過(guò)。另外，也看到一些工程，有的框架梁太細(xì)，令人擔(dān)心，遇到大雪很可能出問(wèn)題。有的骨架立起來(lái)?yè)u搖幌幌，沒有支撐，說(shuō)裝上墻板就好了，好象有了墻板就可以不要支撐。現(xiàn)在排架多起來(lái)。用鋼筋砼柱、輕鋼梁，造價(jià)較低，但有的嚴(yán)重不合規(guī)定?，F(xiàn)在是市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，有些企業(yè)搞承包能省就省，盡量壓低造價(jià)，管它是否符合規(guī)定。有的連規(guī)定也不清楚。利用開年會(huì)的機(jī)會(huì)，結(jié)合了解到的一些情況，就門式剛架房屋設(shè)計(jì)施工中的問(wèn)題，作一個(gè)發(fā)言，拋磚引玉，希望和與會(huì)代表交流，取得一致看法。
2．設(shè)計(jì)方面
1）屋面活荷載取值
框架荷載取0.3kN/m2已經(jīng)沿用多年，不打算修改。但屋面結(jié)構(gòu)，包括屋面板和檁條，其活荷載要提高到0.5kN/m2?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》征求意見稿規(guī)定不上人屋面的活荷載為0.5kN/m2，但構(gòu)件的荷載面積大于60m2的可乘折減系數(shù)0.6。門式剛架一般符合此條件，所以可用0.3kN/m2，與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范保持一致。國(guó)外這類，要考慮0.15-0.5N/m2的附加荷載，而我們無(wú)此規(guī)定，遇到超載情況，就要出安全問(wèn)題?，F(xiàn)在有的框架梁太細(xì)，檁條太小，明顯有克扣荷載情況，今后應(yīng)特別注意，決不允許在有限的活荷載中“挖潛”。
2）屋脊垂度要控制
框架斜梁的豎向撓度限值一般情況規(guī)定為1/180，除驗(yàn)算坡面斜梁撓度外，是否要驗(yàn)算跨中下垂度？過(guò)去不明確，它可能講課時(shí)說(shuō)過(guò)不包括屋脊點(diǎn)垂度?，F(xiàn)在了解到，美國(guó)是計(jì)算的。他們作框架分析，一般是將構(gòu)件分段，用等截面程序計(jì)算，每段都要計(jì)算水平和豎向位移，不能大于允許值，等于要驗(yàn)算跨中垂度?？缰写苟确从澄菝尕Q向剛度，剛度太小豎向變形就大。要的度本來(lái)就小，脊點(diǎn)下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面豎向剛度過(guò)小，第一榀剛架與山墻間的屋面出現(xiàn)斜坡，使屋面變形。現(xiàn)在打算做個(gè)規(guī)定，剛架側(cè)移后，當(dāng)山尖下垂對(duì)坡度影響較大時(shí)（例如使坡度小于1/20），要驗(yàn)算山尖垂度，以便對(duì)屋面剛度進(jìn)行控制。
3）鋼柱換砼柱
少數(shù)單位設(shè)計(jì)的門式剛架，采用鋼筋混凝土柱和輕鋼斜梁組成，斜梁用豎放式端板與砼柱中的預(yù)埋螺栓相連，形成剛接，目的是想節(jié)省鋼材和降低造價(jià)。在廠房中，的確是有用砼柱和鋼桁架組成的框架，但此時(shí)梁柱只能鉸接，不能剛接。多高層建筑中，鋼梁與墻的連接也是如此。因?yàn)榛炷潦且环N脆性材料，雖然構(gòu)件可以通過(guò)配筋承受彎矩和剪力，但在連接部位，它的抗拉、抗沖切的性能很并，在外力作用下很容易松動(dòng)和破壞。還有的單位，在門式剛架設(shè)計(jì)好之后，又根據(jù)業(yè)主要求將鋼柱換成砼柱，而梁截面不變。應(yīng)當(dāng)指出，砼柱加鋼梁作成排架是可以的，但將剛架的鋼柱換成砼柱，而鋼梁不變，是不行的。由于連接不同，構(gòu)件內(nèi)力也不同，要的工程斜梁很細(xì)，可能與此有關(guān)。建筑結(jié)構(gòu)是一門科學(xué)，如果不按科學(xué)辦事，是要吃苦頭的。今后國(guó)家要執(zhí)行建筑法，實(shí)行強(qiáng)制性條款，違反其中一項(xiàng)，出了工程事故，是要受罰的。
4）檁條計(jì)算不安全
檁條計(jì)算問(wèn)題較大。檁要是冷彎薄壁構(gòu)件，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大，在受力時(shí)要屈曲，強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)采用有效寬度，對(duì)原有截面要減弱，不能象熱軋型鋼那樣全截面有效。有效寬度理論是在《冷彎薄壁型鋼構(gòu)件技術(shù)規(guī)程》中講的，有的設(shè)計(jì)人員恐怕還不了解，甚至有些設(shè)計(jì)軟件也未考慮。但是，設(shè)計(jì)光靠軟件不行，還要能判斷。軟件未考慮的，自己要考慮，否則就不需要高級(jí)工程師了。再有，設(shè)計(jì)人員往往忽略強(qiáng)度計(jì)算要用凈斷面，忽略釘孔減弱。這種減弱，一般達(dá)到6-15%，對(duì)小截面窄翼緣的梁影響較大。剛架整體分析采用的是全截面，如果強(qiáng)度計(jì)算不用凈截面，實(shí)際應(yīng)力將高于計(jì)算值。《規(guī)程》3.1.7條規(guī)定：“結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受拉強(qiáng)度應(yīng)按凈截面計(jì)算，受壓強(qiáng)度應(yīng)按有效截面計(jì)算，穩(wěn)定性應(yīng)按有效截面計(jì)算，變形和各種穩(wěn)定系數(shù)均可按毛截面計(jì)算”。曾有人問(wèn)，這條規(guī)定是什么意思？如果有人再提這樣的問(wèn)題，我想問(wèn)他，鋼結(jié)構(gòu)學(xué)過(guò)沒有？因?yàn)檫@是鋼結(jié)構(gòu)的基本概念問(wèn)題。如果這樣的問(wèn)題都簽不出，說(shuō)明他還不具備鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)資格的。有的單位看到國(guó)外資料中檁條很薄，也想用薄的。國(guó)外檁條普遍采用高強(qiáng)度低合金鋼，但我國(guó)低合金鋼Q345的沖壓性能不行，只有用Q235的。人家是按有效截面計(jì)算承載力的。如果用Q235的，又想用得薄，計(jì)算時(shí)還不考慮有效截面，荷載稍大時(shí)檁條就要垮。
3．施工方面
1）柱子拔出
有的剛架在大風(fēng)時(shí)柱子被拔起，這是實(shí)際中常出現(xiàn)的事故。主要原因不是剛架計(jì)算失誤，而且設(shè)計(jì)柱間支撐時(shí)，未考慮支撐傳給柱腳的拉力。尤其是房屋縱向尺度較小時(shí)，只設(shè)置少量柱間支撐來(lái)抵抗縱向風(fēng)荷載，支撐傳給柱腳的拉力很大，而柱腳又沒有采取可靠的抗拔措施，很可能將柱子拔起。，因此，在風(fēng)荷載較大的地區(qū)剛架柱受拉時(shí)，在柱腳應(yīng)考慮抗拔構(gòu)造，例如錨栓端部設(shè)錨板等。
2）沒有柱間支撐
這種情況最近較多，需要大聲疾呼，這樣不行。蒙皮作用雖然各國(guó)都在研究，但沒有任何一本規(guī)范允許不設(shè)支撐。蒙皮作用的影響因素太多，并非在任何情況多能發(fā)揮作用。特別是柱間支撐，受力較大，絕不能省略。蒙皮作用最多只能視為一種剛度儲(chǔ)備。
3）端板合不上
端板連接是結(jié)構(gòu)的重要部位。由于加工要求不嚴(yán)，而腹板與端板間夾角又，有的工程兩塊端板完全對(duì)不上，合不起來(lái)。強(qiáng)行用螺栓拉在一起，仍留下很寬縫隙，嚴(yán)懲影響工程質(zhì)量。
4）錨栓不鉛直
框架柱柱腳底板水平度差，錨栓不鉛直，柱子安裝后不在一條直線上，東倒西歪，使房屋外觀很難著，這種情況不少。錨栓安裝應(yīng)堅(jiān)持先將底板用下部調(diào)整螺栓調(diào)平，再用用無(wú)收縮砂漿二次灌漿填實(shí)，國(guó)外此法施工。最近在上海討論輕鋼施工驗(yàn)收規(guī)程，不少專家強(qiáng)調(diào)了這種方法。
5）保溫材吸水超重
有些房屋雪不大就垮了，究其原因，是屋面防水施工太差，雪融化后水逐漸滲入，為保溫村所吸收。今年冬季落雪多次，遷延時(shí)間較長(zhǎng)。屋面的設(shè)計(jì)荷載很小時(shí)，當(dāng)吸水量達(dá)至一定程序，超過(guò)了結(jié)構(gòu)的承載能力，就要倒塌。
6）保溫材料胡亂安裝
保溫材料一般采用玻璃棉，其厚度根據(jù)熱功計(jì)算確定。正規(guī)做法是采用背面帶鋁箔隔汽層的玻璃棉，有的不用鋁箔，用牛皮紙，我不清楚牛皮紙是否可作隔汽層，如果可以，也比不用任何隔汽層好。防止冷凝水向室內(nèi)滴水，是房屋的使用要求之一。有人以為鋁箔只是為了美觀，或承受拉力，實(shí)際上它的主要作用是作隔汽層。承受懸掛時(shí)的拉力還可以用玻璃纖維布或鋼絲網(wǎng)?，F(xiàn)在看到有些工程，玻璃棉不用任何隔汽層。另外，當(dāng)采用內(nèi)層鋼板吊頂時(shí)，不是將保溫卷材壓在檁條上，而是為了施工方便，將保溫材剪斷，放在檁條之間的吊頂上，形成冷橋。某工程在這樣處理的同時(shí)，又將吊頂鋼板搭接方向弄反。加之，冬季混凝土地坪施工作業(yè)時(shí)，將周邊門窗關(guān)閉，由于室內(nèi)外溫差大，大量水汽在屋頂凝集，由吊頂鋼板搭接處流下，形成了“外面不下里面下”的狀況，使工程不能交工。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，當(dāng)保溫卷材有隔汽層并保持接縫處密封時(shí)，卷材是干燥的，無(wú)隔汽層時(shí)卷材是濕的。在水份的長(zhǎng)期浸泡下，隨著時(shí)間的推移，保溫棉將被逐漸壓實(shí)，最終失去應(yīng)有的保溫作用，因此安裝方法是否對(duì)頭，關(guān)系很大。
2深化設(shè)計(jì)內(nèi)容及方法
2.1空間坐標(biāo)及平面定位
由于本工程“扭轉(zhuǎn)上升并內(nèi)斂”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，塔樓框架鋼柱每一層坐標(biāo)都在變化，結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)坐標(biāo)的定位是關(guān)鍵，根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的結(jié)構(gòu)坐標(biāo)在CAD中放樣再局部修正并導(dǎo)入Tekla軟件中。在雨篷和裙房深化中，建筑外形呈空間扭曲造型，結(jié)構(gòu)定位相當(dāng)困難，只能根據(jù)建筑三維模型及幕墻預(yù)留空間找結(jié)構(gòu)坐標(biāo)，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置及優(yōu)化，并提交設(shè)計(jì)院審核。
2.2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化
1)柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)考慮到現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，增加橫向固定鋼板將14件直徑為30mm的錨栓固定，同時(shí)也起到加強(qiáng)錨栓和混凝土結(jié)合力的作用，使整體受力更加可靠。2)梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)梁柱連接采用強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件設(shè)計(jì)，環(huán)向牛腿板使整體強(qiáng)度更加可靠，與鋼柱和鋼梁全熔透焊接能有效傳遞彎矩、防止局部變形。梁與牛腿腹板高強(qiáng)螺栓連接按照抗剪等強(qiáng)配置，若螺栓過(guò)多無(wú)法排布可適當(dāng)折減保證抗剪承載力≥600kN(設(shè)計(jì)值)。3)鋼梁與混凝土剪力墻連接實(shí)際施工過(guò)程中混凝土澆筑及鋼結(jié)構(gòu)安裝累積誤差可能在10～20mm或更大。在鋼梁與剪力墻連接時(shí)深化設(shè)計(jì)要充分考慮，一方面將鋼梁端與剪力墻間隙設(shè)計(jì)到20mm，另一方面連接板在加工時(shí)再留20mm余量，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況切割，此方法可避免擴(kuò)孔，保證高強(qiáng)螺栓有效傳力。4)屈曲支撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)屈曲支撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)節(jié)點(diǎn)承載力應(yīng)大于屈曲支撐的極限承載力，以保證強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的要求。屈曲約束支撐與框架結(jié)構(gòu)鉸接，因此節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)減小轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，盡量減少二次彎矩。根據(jù)建筑外觀的要求，節(jié)點(diǎn)采用銷軸連接方式。5)橢圓Y形柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)橢圓Y形柱作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件，必須提供更直接、更有效的傳力方式。深化時(shí)對(duì)原設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)做了一些優(yōu)化:將變截面管的上端尺寸增大，這樣分叉的兩圓管柱間就有足夠的間隙，并取消原設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)焊縫，將現(xiàn)場(chǎng)焊縫移至上一層樓面以上。優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)可以避免焊縫集中、方便混凝土澆筑、傳力簡(jiǎn)潔、加工制作簡(jiǎn)單。
2.3參數(shù)化節(jié)點(diǎn)建模
對(duì)于高層鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，一般標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置和荷載相對(duì)變化不會(huì)太大，再加上結(jié)構(gòu)對(duì)稱性等原因，在同一層不同位置或不同層同一位置構(gòu)件截面及連接形式會(huì)相似甚至相同，可直接利用Tekla自帶節(jié)點(diǎn)庫(kù)，這會(huì)給建模工作帶來(lái)很多方便。寧波中銀大廈從下到上旋轉(zhuǎn)內(nèi)收，和以往高層有很大不同，特別是在梁柱連接上沒有一個(gè)完全相同的節(jié)點(diǎn)。塔樓中間為混凝土核心筒，由一圈鋼管混凝土柱和環(huán)向梁組成，徑向梁一端連接鋼柱，另一端與核心筒連接。節(jié)點(diǎn)主要有徑向梁、環(huán)梁與鋼柱的剛接節(jié)點(diǎn)、徑向梁與核心筒埋件的鉸接節(jié)點(diǎn)、主次梁鉸接節(jié)點(diǎn)、主梁開孔節(jié)點(diǎn)。雖然節(jié)點(diǎn)類型不多，但是截面種類繁多，若每個(gè)節(jié)點(diǎn)一一放樣則工作量較大。對(duì)于鋼柱現(xiàn)場(chǎng)拼接節(jié)點(diǎn)、主梁開孔節(jié)點(diǎn)、鋼梁吊耳碼板等標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)可以做成自定義節(jié)點(diǎn)。對(duì)于主次梁鉸接、鋼管柱與鋼梁剛接等節(jié)點(diǎn)形式類似，只是具體節(jié)點(diǎn)板厚、螺栓數(shù)量不同，因此節(jié)點(diǎn)可以做成帶參數(shù)的自定義節(jié)點(diǎn)。例如鋼管柱與鋼梁剛接節(jié)點(diǎn)，可以按照節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果把每種截面對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)板厚度與螺栓大小、間距、數(shù)量、等級(jí)等信息做成文件或表格，再利用自定義節(jié)點(diǎn)中的函數(shù)把節(jié)點(diǎn)需要的信息從文件讀取進(jìn)去，從而生成正確的節(jié)點(diǎn)。也可以把節(jié)點(diǎn)計(jì)算的過(guò)程寫成文件，通過(guò)自定義節(jié)點(diǎn)提供的原始數(shù)據(jù)直接算出結(jié)果返回給節(jié)點(diǎn)。這樣大大節(jié)約了節(jié)點(diǎn)建模時(shí)間，且能保證準(zhǔn)確率。
2.4圖紙?jiān)O(shè)計(jì)
深化設(shè)計(jì)圖紙包括設(shè)計(jì)說(shuō)明、布置圖、構(gòu)件圖、零件圖及各類清單。鋼柱及鋼梁構(gòu)件圖表達(dá)的內(nèi)容較多，包括每個(gè)零件裝配定位信息、焊縫形式及等級(jí)、零件尺寸、零件材料表等，每一項(xiàng)內(nèi)容都需要技術(shù)人員精心、細(xì)心地編制，都需要有豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，技術(shù)人員設(shè)計(jì)出來(lái)的圖紙必須滿足工廠制作和現(xiàn)場(chǎng)安裝的需要，確保圖紙的準(zhǔn)確性、完整性、適用性、可行性。
2.5材料排版
利用Tekla自身優(yōu)勢(shì)進(jìn)行材料排版，為材料采購(gòu)和工廠數(shù)控下料提供了有力的技術(shù)支持，有效控制了材料損耗。
2.6數(shù)字化信息技術(shù)
在進(jìn)行三維建模同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)焊縫、工廠焊縫建入模型中，每一條焊縫有一個(gè)獨(dú)立的編號(hào)，可直接生成焊接地圖及焊縫報(bào)表，Tekla提供先進(jìn)的數(shù)字化制造平臺(tái)為高效率工廠制作提供了技術(shù)支持，同時(shí)為焊接質(zhì)量控制和檢測(cè)提供了簡(jiǎn)單直觀的數(shù)據(jù)資料。
提起鋼結(jié)構(gòu)用鋼大家并不陌生,像Q235和Q345這樣的鋼材是最常用的,也是生活中接觸最多的。的確,從材性、材質(zhì)方面看,現(xiàn)在市場(chǎng)充分供應(yīng)的Q235及Q345號(hào)鋼的各類鋼材,可以保證建筑鋼結(jié)構(gòu)的基本需求。鋼結(jié)構(gòu)是以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu),是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。它的基本特點(diǎn)是強(qiáng)度高、自重輕、剛度大、材料勻質(zhì)性和各向同性好。
因此,用什么類型的鋼材對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響很大。下面就從鋼結(jié)構(gòu)用鋼的鋼種鋼號(hào)及版帶鋼中的鋼結(jié)構(gòu)用鋼這兩方面對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的選用做一介紹。
一、鋼結(jié)構(gòu)用鋼的鋼種鋼號(hào)
1.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼
普通碳素結(jié)構(gòu)鋼,按用途可以分為:一般用途普通的普通碳素和專用普通碳素鋼。
按含碳量及屈服強(qiáng)度高低分為5種牌號(hào):Q195,Q215,Q235,Q255,Q275.QISH其中鋼結(jié)構(gòu)主要用Q235號(hào)鋼。Q215和Q255也可作結(jié)構(gòu)用,但是產(chǎn)量和用量相對(duì)較少。
使用該標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)要注意一下幾點(diǎn):
(1)該標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)主要用作工程用和一般結(jié)構(gòu)用鋼。
(2)該標(biāo)準(zhǔn)鋼在在使用品種方面主要有鋼板,鋼帶和型鋼。
(3)該標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)可用作焊接和栓接結(jié)構(gòu)用鋼。但焊接結(jié)構(gòu)不宜選用A級(jí)鋼,除非有含碳量<0.0022的保證,以保證良好的可焊性。
(4)該標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)一般在熱軋狀態(tài)下交貨和使用。
2.焊接結(jié)構(gòu)耐候鋼
在鋼中加入少量合金元素,其耐候性較焊接結(jié)構(gòu)耐候鋼更好。其牌號(hào)為Q295GNH,Q295NHL,Q345GNHL。
3.低合金鋼
低合金鋼,按用途可以分為:低合金結(jié)構(gòu)鋼:耐腐蝕用鋼:低溫鋼:鋼筋鋼:耐磨鋼:特殊用途的專用鋼。按屈服強(qiáng)度高低分為5種牌號(hào),每牌號(hào)鋼中分別包含了若干鋼種,其中鋼結(jié)構(gòu)用為Q345,Q390,Q420三個(gè)牌號(hào)。
二、板帶鋼中的鋼結(jié)構(gòu)用鋼
結(jié)構(gòu)用的板帶鋼主要有:熱軋鋼板和鋼帶,冷軋鋼板和鋼帶,花紋鋼板以及高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼板。
三、鋼材選用的標(biāo)準(zhǔn)
1.用于承重的冷彎薄壁型鋼、輕型熱軋型鋼和鋼板,應(yīng)采用先行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T700規(guī)定的Q235鋼和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T1591規(guī)定的Q345鋼。
2.門式剛架、吊車梁、和焊接的檁條、墻梁等構(gòu)件宜采用Q235B或Q345A及以上等級(jí)的鋼。非焊接的檁條和墻梁等構(gòu)件可采用Q235A鋼。當(dāng)有根據(jù)時(shí),門式剛架、檁條和墻梁可采用其他牌號(hào)的鋼制作。
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003中3.3.1規(guī)定,承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼,其質(zhì)量應(yīng)分別符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T700和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T1591的規(guī)定。當(dāng)采用其他牌號(hào)的鋼材時(shí),尚應(yīng)符合相應(yīng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求。
這些都是鋼結(jié)構(gòu)的一些用鋼,當(dāng)然還有其他的。以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu),是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。鋼材的特點(diǎn)是強(qiáng)度高、自重輕、剛度大,故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特別適宜;材料勻質(zhì)性和各向同性好,屬理想彈性體,最符合一般工程力學(xué)的基本假定;材料塑性、韌性好,可有較大變形,能很好地承受動(dòng)力荷載;建筑工期短;其工業(yè)化程度高,可進(jìn)行機(jī)械化程度高的專業(yè)化生產(chǎn);加工精度高、效率高、密閉性好,故可用于建造氣罐、油罐和變壓器等。其缺點(diǎn)是耐火性和耐腐性較差。主要用于重型車間的承重骨架、受動(dòng)力荷載作用的廠房結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)、高聳電視塔和桅桿結(jié)構(gòu)、橋梁和庫(kù)等大跨結(jié)構(gòu)、高層和超高層建筑等。鋼結(jié)構(gòu)今后應(yīng)研究高強(qiáng)度鋼材,大大提高其屈服點(diǎn)強(qiáng)度;此外要軋制新品種的型鋼,例如H型鋼(又稱寬翼緣型鋼)和T形鋼以及壓型鋼板等以適應(yīng)大跨度結(jié)構(gòu)和超高層建筑的需要。由于鋼結(jié)構(gòu)的這些特點(diǎn),它將會(huì)在建筑方面占有很重要的地位。
參考文獻(xiàn):
[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部和中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.
一、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及特點(diǎn)
鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的另外一個(gè)特點(diǎn)是截面多樣性：一方面，鋼材的各向勻質(zhì)性使得它可以被加工成各種形狀，這與木材的各向非勻質(zhì)性區(qū)別顯著：同為線性結(jié)構(gòu)構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)的截面多樣性是木結(jié)構(gòu)所無(wú)法比擬的，這也是有工字鋼而沒有“工字木”的原因，桿件結(jié)構(gòu)中連接構(gòu)件幾乎全部是鋼也說(shuō)明了這一點(diǎn)；另一方面，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面形狀也對(duì)連接設(shè)計(jì)也產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。在受力范圍允許的情況下，不同型鋼的選擇可以導(dǎo)致不同形式的連接。
二、連接設(shè)計(jì)受到的約束
鋼材種類繁多，耐受力也不盡相同，連接設(shè)計(jì)通常受到以下因素的制約：
1．構(gòu)件的來(lái)源：理論上鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件或是連接構(gòu)件具有任意加工性，但在各具體項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件與連接構(gòu)件總會(huì)受到現(xiàn)實(shí)條件的制約。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師通常選擇容易獲得，方便安裝的型鋼，并設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單有效的連接方式與連接構(gòu)件。
2．連接手段的限制：鋼結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)之一是采用工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)裝配。這是區(qū)別于傳統(tǒng)砌筑方式而產(chǎn)生大量節(jié)點(diǎn)的原因。各種型鋼之間的連接，主要有三種手段：鉚接、焊接和栓接。鋼結(jié)構(gòu)建筑的早期多采用鉚接，施工簡(jiǎn)單但需要在構(gòu)件上挖出洞口而降低了斷面性能，容易在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生集中應(yīng)力，近來(lái)較少采用。采用焊接的節(jié)點(diǎn)，外觀簡(jiǎn)潔而荷載傳遞效率連續(xù)，但施工作業(yè)要求較高。后期出現(xiàn)的高強(qiáng)度螺栓連接，同樣可以達(dá)到類似焊接的強(qiáng)度要求，在現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中大量采用。
3．連接構(gòu)件具有層級(jí)性：鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系之間存在復(fù)雜而邏輯的層級(jí)關(guān)系，在連接層面，這種層級(jí)關(guān)系反映為構(gòu)件尺寸與安裝先后的差異。連接的目的是實(shí)現(xiàn)層級(jí)轉(zhuǎn)換，也是實(shí)現(xiàn)力由三維向二維轉(zhuǎn)化、最終傳遞到一維構(gòu)件的關(guān)鍵。復(fù)雜的連接通常由立體連接構(gòu)件、平面連接構(gòu)件組合完成。
4．連接構(gòu)件所處的平面：兩個(gè)線性結(jié)構(gòu)構(gòu)件總是處在一個(gè)平面內(nèi)，該平面為構(gòu)件應(yīng)力的發(fā)生平面，連接構(gòu)件為了有效抵抗這個(gè)平面內(nèi)的應(yīng)力、彎矩或剪力，常常設(shè)計(jì)在此平面內(nèi)，如鋼管與拉索的焊片總處在這兩者構(gòu)成的平面中；在多個(gè)構(gòu)件的連接情況下，組合的平面構(gòu)件可以與立體的受力情況相對(duì)應(yīng)。
三、連接對(duì)象的原型與連接的分類
鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)建包括桿件與索兩種基本類型，由此產(chǎn)生的連接方式可分作索與索的連接，桿件與桿件的連接，索與桿件的連接。無(wú)論平面結(jié)構(gòu)或是空間結(jié)構(gòu)，由于構(gòu)件單體的線性特質(zhì)，結(jié)構(gòu)體系的復(fù)雜與否并不會(huì)導(dǎo)致更多類型的連接，而復(fù)雜的連接可看作由這三種基本類型組合而成。
1．索與索的連接
索在結(jié)構(gòu)體系中只承受拉力，內(nèi)力沿索的軸線不變，索的截面不會(huì)因長(zhǎng)度變化而變化。其連接特點(diǎn)如下：
a.位于端部的連接必須通過(guò)索套來(lái)實(shí)現(xiàn)。（圖1）
b.位于索中部的連接可由各類夾具來(lái)完成。
c.多根索的連接需要設(shè)計(jì)新的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)索與索結(jié)合方式的不同而各有差異：如常見的單層或雙層索結(jié)構(gòu)，根據(jù)布置方式的不同又可以出現(xiàn)平行或輻射等形式。索網(wǎng)的輕質(zhì)有效，迎合了人們對(duì)輕巧與透明的普遍追求。皮亞諾設(shè)計(jì)的位于意大利的BancaPopolarediLodi總部室外廣場(chǎng)的玻璃頂（圖2），受力結(jié)構(gòu)由上下兩組索網(wǎng)相互拉接而成，玻璃夾在結(jié)構(gòu)中間，并由水平向的聯(lián)系索加強(qiáng)穩(wěn)定，固定于四周混凝土墻體之上，所有節(jié)點(diǎn)均為索－索連接，輕盈而透明的屋頂表現(xiàn)了索在特定場(chǎng)合的優(yōu)勢(shì)。
2．桿件與桿件的連接
桿件較索更早出現(xiàn)，應(yīng)用也更廣泛，由于桿件既可受拉也可受壓，這使得桿件之間的連接設(shè)計(jì)也較索更為復(fù)雜多變。決定桿件連接設(shè)計(jì)的因素主要有以下兩個(gè)方面：a．桿件之間的交角，b．桿件各自的截面形式。前者由結(jié)構(gòu)體系決定，后者可以在連接設(shè)計(jì)階段選擇不同型鋼或進(jìn)行組合，以方便連接構(gòu)件的設(shè)計(jì)。
在交角非垂直的情況下應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇構(gòu)件截面，降低節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)難度。在柏林某信息中心（圖3）的梁柱連接中，圓鋼管柱被突兀地截?cái)?，然后與多塊鋼板焊接于工字鋼梁，交接顯得十分機(jī)械而僵硬。與之形成對(duì)比，赫佐格設(shè)計(jì)的漢諾威展覽大廳（圖4）屋頂處梁柱連接設(shè)計(jì)中，一方面，選擇拉索避免了桿件間的非垂直交接；另一方面，方形鋼管柱在連接處的分解與圓形變化，使其與圓形鋼管梁之間的連接過(guò)渡的自然合理。
在貝聿銘設(shè)計(jì)的美秀博物館（圖5）屋頂構(gòu)架中，多根桿件的立體交接沒有采用常規(guī)球形節(jié)點(diǎn)做法，而是設(shè)計(jì)了一個(gè)多方向板式鑄鋼節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，橫向鋼管貫穿其間且保持截面不變，其余構(gòu)件在節(jié)點(diǎn)處轉(zhuǎn)化為鋼板與節(jié)點(diǎn)構(gòu)件用螺栓連接，從而保證了結(jié)構(gòu)面與屋頂面平行，取得簡(jiǎn)潔平整的效果。如若用普通球形節(jié)點(diǎn)，那么龐大的節(jié)點(diǎn)勢(shì)必使屋頂構(gòu)架顯得沉重，也無(wú)法反映傳統(tǒng)木構(gòu)建筑中榫卯連接的簡(jiǎn)潔，更難以取得這樣的藝術(shù)效果。
3．索與桿件的連接
雖然索最符合鋼材的材料性能，但由于它是只具備單向抗拉性能的柔性構(gòu)件，所以索與桿件結(jié)合組成的結(jié)構(gòu)體系可以取得輕盈與穩(wěn)定的雙重優(yōu)勢(shì)，如近年來(lái)在大跨領(lǐng)域十分流行的張拉弦結(jié)構(gòu)。即使在較小跨度建筑中，索與桿件組合的方式也相當(dāng)普遍。
連接設(shè)計(jì)根據(jù)索的連續(xù)與否，須采用不同的連接件以對(duì)應(yīng)：位于索端部的連接，需要通過(guò)索套、螺栓、焊片一系列構(gòu)件與桿件固定，此種連接程序構(gòu)造簡(jiǎn)單合理，應(yīng)用也十分普遍，同時(shí)可以選擇索套夾焊片或是焊片夾索套兩種不同的方式。如意大利熱那亞舊海港的重新開發(fā)項(xiàng)目中（圖6），索膜與桿件的連接在分別涂以灰色和白色的不同的層級(jí)中采用了上述兩種方式。但也可以通過(guò)索套的特殊設(shè)計(jì)與桿件直接結(jié)合，需要注意的是焊片的省略意味著索套必須承擔(dān)轉(zhuǎn)化索與桿件所成角度的功能，如吉芭歐文化中心（圖7）拉索與基座的連接：尺度夸張有力且旋轉(zhuǎn)了一定角度的索套整合了焊片的功能，使得這一節(jié)點(diǎn)在此類連接中獨(dú)樹一幟。位于索中部的連接，可以采用索夾，索卡（少數(shù)情況下也可采用焊接的辦法）來(lái)固定索與桿件的位置。漢諾威貿(mào)易交易大廳（圖8）魚腹梁中，上弦桿與下弦索的連接設(shè)計(jì)采用了索卡固定。
四、連接設(shè)計(jì)的方法
在相當(dāng)一部分的鋼結(jié)構(gòu)建筑中，結(jié)構(gòu)對(duì)于構(gòu)件形式與尺寸的要求并不十分苛刻，這就給構(gòu)件與連接設(shè)計(jì)帶來(lái)相當(dāng)大的設(shè)計(jì)余地。建筑師對(duì)于構(gòu)件形式與尺寸的選擇與連接設(shè)計(jì)或者說(shuō)連接形式息息相關(guān)。對(duì)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)師而言，實(shí)際情況常常是有限的型鋼選擇與為數(shù)不多的成型連接構(gòu)件，所以設(shè)計(jì)方法就顯得尤為重要，即使這些方法或手段常常帶有純粹表現(xiàn)的色彩。
1.分解分解的對(duì)象是結(jié)構(gòu)概念中抽象的單一構(gòu)件，在實(shí)際連接中常表現(xiàn)為構(gòu)件數(shù)量的分解或截面形式的分解。這一手法在包括了鋼結(jié)構(gòu)的桿件體系的連接設(shè)計(jì)中頗為常見，如懸掛結(jié)構(gòu)中的受壓桿常分解成幾根桿的組合；柱子常分解為束柱等等。這些分解有的是出于結(jié)構(gòu)受力的需要，有的僅僅是為了在構(gòu)件中制造間隙，方便連接。復(fù)雜節(jié)點(diǎn)采用分解設(shè)計(jì)有利于提煉出連接的基本形式，從而達(dá)到簡(jiǎn)化連接概念，整合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的目的。
位于美國(guó)休斯敦名為CyTwombly畫廊（圖9，圖10）的鋼結(jié)構(gòu)屋頂連接設(shè)計(jì)中，大量運(yùn)用了分解的概念，巧妙地將多層的屋頂結(jié)構(gòu)與遮陽(yáng)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。首先是由工字鋼組成的網(wǎng)格狀遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)，天窗結(jié)構(gòu)懸掛在遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)之下。由于受拉構(gòu)件更符合鋼材力學(xué)性質(zhì)而尺寸較小，因此懸掛的拉桿沒有分解，而鋼梁受力較為復(fù)雜（受彎、剪），故尺寸較大且由一根分解作兩根。整個(gè)屋頂設(shè)計(jì)邏輯清晰，與屋頂功能上的分層概念相得益彰。
2.轉(zhuǎn)化截面形式的考量與尺寸的轉(zhuǎn)化也是連接設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題。轉(zhuǎn)化的目的是為了縮小構(gòu)件截面，方便連接設(shè)計(jì)。構(gòu)件截面一般可分為兩大類：管狀類截面（如圓鋼管）及非管狀類截面（如工字鋼）。前者之間的連接往往需要縮小截面，如網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)處的縮小了的實(shí)心鋼管。后者之間的連接通常對(duì)構(gòu)件做簡(jiǎn)化處理，如去掉寬翼，只保留型鋼的高度部分，而且常與分解設(shè)計(jì)相結(jié)合。除了改變構(gòu)件截面形狀外，沿垂直于構(gòu)件軸線的面將構(gòu)件切斷后，再設(shè)計(jì)新的節(jié)點(diǎn)去連接也是經(jīng)常使用的方法。如前面討論過(guò)的美秀博物館（圖2）屋頂構(gòu)架節(jié)點(diǎn)中，鋼管截面的轉(zhuǎn)化不僅帶來(lái)連接的便利，也使得節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的靈活性得以體現(xiàn)，在表達(dá)傳力的同時(shí)，利用雕塑似的造型設(shè)計(jì)將力的流動(dòng)視覺化、藝術(shù)化。
3.整合整合設(shè)計(jì)立足于減少構(gòu)件種類及數(shù)量，簡(jiǎn)化連接方式，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)形式方面的整體性，使得這類設(shè)計(jì)作品往往具有優(yōu)雅的形象。這種方法有兩個(gè)前提：1）各節(jié)點(diǎn)受力方式相同。2）結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面形狀類似、尺度近似。受力方式相同保證了選擇相似截面的科學(xué)性，截面形式相似、尺度近似則保證了視覺的整體性。
福斯特設(shè)計(jì)的由鋼和玻璃組成的英國(guó)劍橋法律系樓（圖11）的外表皮，模糊了窗、墻、屋頂之間的概念，構(gòu)件間的連接采用整合設(shè)計(jì)正好表達(dá)了這一思想。編織狀的表皮是由許多高度極小的拱型空腹梁交織而成的結(jié)構(gòu)，所有構(gòu)件皆為圓形鋼管焊接，整個(gè)結(jié)構(gòu)顯得勻質(zhì)而典雅。無(wú)獨(dú)有偶，OMA設(shè)計(jì)的西雅圖中央圖書館（圖12）的表皮設(shè)計(jì)運(yùn)用了同樣原理。為了達(dá)到整合的效果，整個(gè)建筑的所有表面完全由相交成菱形的工字鋼組成，工字鋼截面形狀、尺度大小完全一致，聯(lián)結(jié)方式也統(tǒng)一采用鉚接，經(jīng)過(guò)受力分析計(jì)算，在受力較大、需要加大截面高度的地方采用了兩根或三根工字鋼疊加完成，手法理性而又浪漫，成就了圖書館安靜祥和的氣氛。
結(jié)語(yǔ)
盡管類型可以分析歸納，方法可以分類總結(jié)，但這并不意味著設(shè)計(jì)成了教條，也不意味著獲得優(yōu)秀設(shè)計(jì)有了方程式。由于對(duì)鋼材性能的挖掘與對(duì)形式極致的追求，導(dǎo)致連接設(shè)計(jì)包含了大量的技術(shù)性因素，即使這樣，連接構(gòu)件的設(shè)計(jì)也不應(yīng)成為工程師或構(gòu)件商的責(zé)任，因?yàn)榧夹g(shù)的扎實(shí)儲(chǔ)備始終是建筑師獲得優(yōu)秀連接設(shè)計(jì)的無(wú)法超越的漸進(jìn)步驟。雖然符合鋼材性質(zhì)的連接方式（鉚接、焊接、拴接）必須要遵循這些定律并在鋼材的允許范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是優(yōu)秀的設(shè)計(jì)仍然能夠找到優(yōu)美的連接的形式而不會(huì)因?yàn)槭艿郊s束而產(chǎn)生刻板的機(jī)械產(chǎn)品。即使美觀在各個(gè)時(shí)代的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)存在差異，但一種內(nèi)在的、符合材料邏輯的吸引力必然會(huì)突破風(fēng)格或理論的限定而達(dá)到美的真諦。
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1 引言
鋼結(jié)構(gòu)由于其高強(qiáng)度和良好的抗震性在建筑中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)不僅能夠節(jié)省空間，而且還能降低工程成本，但是穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)突出問(wèn)題。鋼結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定問(wèn)題是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中以待解決的主要問(wèn)題，一旦出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故，不但對(duì)經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損失，而且會(huì)造成人員的傷亡，是目前亟待解決的首要問(wèn)題。
2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則
根據(jù)穩(wěn)定問(wèn)題在實(shí)際設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)提出了以下三項(xiàng)原則并具體闡明了這些原則，以更好地保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中構(gòu)件不會(huì)喪失穩(wěn)定。
（1）結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求
目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來(lái)設(shè)計(jì)的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來(lái)解決，亦即設(shè)計(jì)必要的支撐構(gòu)件。這就是說(shuō)，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。
（2）結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖相一致
目前設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。在采用這種方法時(shí)，計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，自應(yīng)通過(guò)框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算。然而，實(shí)際框架多種多樣，而設(shè)計(jì)中為了簡(jiǎn)化計(jì)算工作，需要設(shè)定一些典型條件。在實(shí)際工程中，框架計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖不一致的情況還可舉出以下兩種，即附有搖擺拄的框架和橫梁受有較大壓力的框架。這種情況若按規(guī)范的系數(shù)計(jì)算，都會(huì)導(dǎo)致不安全的后果。所以所用的計(jì)算方法與前提假設(shè)和具體計(jì)算對(duì)象應(yīng)該相一致。
（3）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合，使二者有一致性。
結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大家都注意的問(wèn)題。對(duì)要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對(duì)桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少桿件偏心這些都是設(shè)計(jì)者處理構(gòu)造細(xì)部時(shí)經(jīng)?？紤]到的。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時(shí)，構(gòu)造上時(shí)常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。例如，簡(jiǎn)支梁就抗彎強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，對(duì)不動(dòng)鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時(shí)允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。然而在處理梁整體穩(wěn)定時(shí)上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時(shí)允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。
3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)
（1）失穩(wěn)和整體剛度： 現(xiàn)行規(guī)范通用的軸心壓桿的穩(wěn)定計(jì)算法是臨界壓力求解法和折減系數(shù)法。
（2）穩(wěn)定性整體分析：桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。穩(wěn)定分析必須從整體著眼。
（3）穩(wěn)定計(jì)算的其它特點(diǎn)：在彈性穩(wěn)定計(jì)算中，除了需要考慮結(jié)構(gòu)的整體性外，還有一些其他特點(diǎn)需要引起重視。首先要做的就是二階分析，這種分析對(duì)柔性構(gòu)件尤為重要，這是因?yàn)槿嵝詷?gòu)件的大變形量對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生了不能忽視的影響；其次，普遍用于應(yīng)力問(wèn)題的迭加原理，在彈性穩(wěn)定計(jì)算中不能應(yīng)用。這是因?yàn)榈釉淼膽?yīng)用應(yīng)以滿足材料變形服從虎克定律，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，結(jié)構(gòu)的變形很小等兩個(gè)條件為前提。
而彈性穩(wěn)定計(jì)算一般均不能滿足結(jié)構(gòu)變形很小的條件，非彈性穩(wěn)定計(jì)算則兩個(gè)前提都不符合。
了解了在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該明確的一些基本概念，有助于我們?cè)谠O(shè)計(jì)中更好地處理穩(wěn)定方面的問(wèn)題，隨著新型鋼結(jié)構(gòu)體系的不斷發(fā)展，我們對(duì)穩(wěn)定問(wèn)題的研究要求也必須不斷地提高，之所以在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問(wèn)題，另一個(gè)重要原因就是我們對(duì)新型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定知之甚少，這也是目前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究中存在的問(wèn)題。
4 鋼結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件設(shè)計(jì)
（1）柱
鋼結(jié)構(gòu)住宅一般為大開間，框架柱在兩個(gè)方向都承受較大的彎矩，同時(shí)應(yīng)該考慮強(qiáng)柱弱梁的 要求。而目前廣泛使用的焊接H型鋼或I字熱軋鋼截面，強(qiáng)弱軸慣性矩之比3～10，勢(shì)必造成材料浪費(fèi)。因 此對(duì)于軸壓比較大，雙向彎矩接近，梁截面較高的框架柱采用雙軸等強(qiáng)的鋼管柱或方鋼管混凝土柱是適宜的。對(duì)于方鋼管混凝土柱，不僅截面受力合理，同時(shí)可以提高框架的側(cè)向剛度，防火性能好，而且結(jié) 構(gòu)破壞時(shí)柱體不會(huì)迅速屈曲破壞。因此，盡管平面受力結(jié)構(gòu)中，選用H型鋼或I字鋼在受力上還是合理的但總體上，箱形鋼管柱尤其是方鋼管混凝土柱應(yīng)得到廣泛應(yīng)用。方鋼管混凝土柱將是鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展 的 主要方向，但由于缺乏相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程，目前在住宅中應(yīng)用還很少。尤其鋼管砼梁、柱的連接較為復(fù)雜，不利于工廠制作和現(xiàn)場(chǎng)施工，應(yīng)加大力度開發(fā)研究。
（2）樓蓋
在多層輕鋼房屋中，樓蓋結(jié)構(gòu)的選擇至關(guān)重要，它除了將豎向荷載直接分配給墻柱外，更主要的作用是 保證與抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)調(diào)作用；另外從抗震角度來(lái)看，還應(yīng)采用相應(yīng)的技術(shù)和構(gòu)造措施減輕樓板自重。常用的樓蓋結(jié)構(gòu)有：壓型鋼板-現(xiàn)澆混凝土組合樓板，現(xiàn)澆鋼筋混凝土板以及鋼-混凝土疊合板， 而以第一種最為常用。目前，在多層輕鋼房屋整體分析時(shí)，還普遍不考慮樓蓋與鋼梁的組合作用，即使設(shè)置抗剪鍵，也偏保守地假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)承受全部荷載，這樣不僅增加材料用量和結(jié)構(gòu)自重，反而會(huì)造成強(qiáng) 梁弱柱的不利情況。有一6層算例，考慮樓蓋組合作用對(duì)梁剛度以及結(jié)構(gòu)整體剛度的影響。 算例表明，考慮組合作用后主梁的剛度大大增加，使得梁的撓度和地震作用下柱頂?shù)膫?cè)移大為減少，此考慮組合作用應(yīng)予關(guān)注。為使樓層高度減到最小，提供更大的空間，組合扁梁樓蓋也成為一種趨勢(shì)。
（3）支撐體系
支撐分軸交支撐和近年發(fā)展起來(lái)的偏交支撐兩種，前者耐震能力較差，后者在強(qiáng)震作用下具有良好的吸能 耗能性能，而且為門窗洞的布置提供了有利條件，目前國(guó)內(nèi)用的還很少，建議在高烈度區(qū)首選偏交支撐。常用的EBF偏交支撐形式此所示。剪切型耗能梁段，加勁肋按以下公式設(shè)計(jì)：a=29tw-d/5，（γp=±0.09rad）（1）a=38tw-d/5，（γp=±0.06rad）（2）a=56tw-d/5，（γp=±0.03rad）（3）式中，a―加勁肋間距，d―梁高，tw―腹板厚度，γp―塑性轉(zhuǎn)角；彎曲型耗能梁段還需在 梁段端點(diǎn)外1.5bf處加設(shè)加勁肋。
（4）節(jié)點(diǎn)抗震計(jì)
框架梁柱節(jié)點(diǎn)一般采用兩種連接方法，根據(jù)“常用設(shè)計(jì)法”，即翼緣連接承受全部彎矩，梁腹板只承受全部剪力的假定進(jìn)行設(shè)計(jì)。震害表明，這種設(shè)計(jì)不能有效滿足"強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件"的抗震要求，在高烈度區(qū)隱患很大。改進(jìn)框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，在梁端上下翼緣加焊楔形蓋板或者將梁端上下翼緣局部加寬蓋板面積或加大的翼緣截面面積主要由大震下的驗(yàn)算公式確定：式中：為基于極限強(qiáng)度最小值的節(jié)點(diǎn)連接最大受彎承載力，全部由局部加大后的翼緣連接承擔(dān)；為梁件的全塑性受彎承載力；為基于極限強(qiáng)度最小值的節(jié)點(diǎn)連接最大受剪承載力，僅由腹板的連接承擔(dān)；為梁的凈跨；為梁在重力荷載代表值作用下按簡(jiǎn)支梁分析的梁端截面剪力設(shè)計(jì)值。
5 結(jié)語(yǔ)
2鋼柱拼接節(jié)點(diǎn)
圓管柱的工地拼接，采用全熔透坡口對(duì)接焊縫，焊縫質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)。根據(jù)《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖》規(guī)定，下段圓管柱成品應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)拼接節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置內(nèi)襯墊管，并在鋼管的四個(gè)方向上設(shè)置安裝耳板。待上段鋼柱吊裝就位后，用安裝螺栓將耳板鏈接，使待拼接的上、下兩段圓管柱對(duì)接固定后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)。焊接部位上下各100mm范圍的區(qū)域內(nèi)，不得涂刷防腐油漆。
3梁、柱連接節(jié)點(diǎn)
梁、柱的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)與連接類別的受力特征假定相符，根據(jù)強(qiáng)柱弱梁的原理，通常采用柱貫通的形式。梁、柱的連接構(gòu)造主要有以下幾種形式：全焊接節(jié)點(diǎn)、栓焊混合節(jié)點(diǎn)及全螺栓連接節(jié)點(diǎn)。全焊接節(jié)點(diǎn)的缺點(diǎn)在于焊接工作量過(guò)大，并且在同一節(jié)點(diǎn)處焊縫數(shù)量過(guò)多的話，宜造成節(jié)點(diǎn)區(qū)焊接應(yīng)力過(guò)大，甚至變形，影響其他鋼構(gòu)件的連接。全螺栓連接節(jié)點(diǎn)，螺栓的數(shù)量可通過(guò)梁柱連接節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的內(nèi)力來(lái)計(jì)算螺栓的數(shù)量。采用此方法，首先應(yīng)先確定梁柱連接節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的內(nèi)力，包括彎矩、剪力、軸力，再根據(jù)內(nèi)力來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)區(qū)螺栓的數(shù)量。全螺栓連接往往需要大量的連接螺栓，因此大量的螺栓孔洞會(huì)對(duì)母材強(qiáng)度產(chǎn)生削弱。并且對(duì)螺栓孔位的精度要求較高，孔位稍有偏差既可能影響多個(gè)構(gòu)件的連接。本工程采用栓焊混合節(jié)點(diǎn)，梁翼緣與柱采用剖口全熔透焊，主要承擔(dān)節(jié)點(diǎn)彎矩；梁腹板與柱采用高強(qiáng)螺栓連接，主要承擔(dān)節(jié)點(diǎn)剪力及軸力。栓焊混合節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是既減少了工地焊接的工作量，又避免了由螺栓承擔(dān)彎矩的弊端，因此被廣泛采用。
4梁、梁連接節(jié)點(diǎn)
主、次梁的連接主要有兩種連接方式，即剛接和鉸接。當(dāng)采用鉸接連接時(shí)，次梁可視為簡(jiǎn)支梁，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮次梁腹板所承受的剪力，并根據(jù)螺栓等強(qiáng)連接的模型計(jì)算所需螺栓數(shù)量。常見的梁梁鉸接節(jié)點(diǎn)如下圖1、圖2所示。圖2所示的連接節(jié)點(diǎn)，螺栓孔對(duì)主梁易產(chǎn)生偏心距使主梁局部承受扭矩，且外伸的連接板在構(gòu)件的運(yùn)輸過(guò)程中易損壞、變形。因此建議將梁梁連接的鉸接節(jié)點(diǎn)采用圖1的節(jié)點(diǎn)形式。
一、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的原則
1、結(jié)構(gòu)整體布置必須必須兼顧整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求
我國(guó)目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多都是以平面體系設(shè)計(jì)為主,設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)體系是結(jié)構(gòu)各組成部分構(gòu)件構(gòu)成的。因此在大跨度結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性是保證整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵前提。在設(shè)計(jì)中需要注意結(jié)構(gòu)各組成部分構(gòu)件的整體布置,設(shè)計(jì)有針對(duì)性的支撐構(gòu)件,來(lái)保證平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)布置與平面穩(wěn)定計(jì)算之間的一致性。
2、結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖保持一致
目前設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí),一般以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算為準(zhǔn),而不作框架穩(wěn)定分折。在采用這種方法時(shí),必須通過(guò)框架整體穩(wěn)定分析計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù),才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)工程中,這種操作方法簡(jiǎn)便。GBJl7-88規(guī)范對(duì)單層或多層框架給出的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)采用了五條基本假定中包括:“框架中所有柱子是同時(shí)喪失穩(wěn)定的,即各柱同時(shí)達(dá)到其臨界荷載”。根據(jù)這條假定,當(dāng)設(shè)計(jì)單層或多層框架結(jié)構(gòu)時(shí),框架各柱的桿件穩(wěn)定和穩(wěn)定參數(shù)計(jì)算的常用方法是依據(jù)一定的簡(jiǎn)化假設(shè)或者典型情況得出的,保持結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算方法與前提假設(shè)和具體計(jì)算對(duì)象一致,設(shè)計(jì)者需確認(rèn)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時(shí)才能正確應(yīng)用。
3、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合
設(shè)計(jì)者處理構(gòu)造細(xì)部時(shí)要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接,應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度,對(duì)桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少桿件偏心。但是,當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時(shí),構(gòu)造上時(shí)常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。例如,簡(jiǎn)支梁就抗彎強(qiáng)度來(lái)說(shuō),對(duì)不動(dòng)鉸支座的要求僅僅是阻止位移,同時(shí)允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。然而在處理梁整體穩(wěn)定時(shí)上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn),同時(shí)允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)和梁端截面自由翹曲,以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。
二、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于找出結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力與外荷載間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。主要從下面幾個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì):
1、計(jì)算臨界荷載:臨界荷載是理想構(gòu)件平衡路徑分支點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的載荷。鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題中有一類分支點(diǎn)失穩(wěn)問(wèn)題,即完善平板中面受壓時(shí)的屈曲以及完善直桿軸心受壓時(shí)的屈曲。這一問(wèn)題是由建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件在彈縮性變形時(shí)喪失穩(wěn)定的能力造成的。因此在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中要求得鋼結(jié)構(gòu)的臨界荷載,避免分支點(diǎn)失穩(wěn)。根據(jù)臨界荷載的定義,通常按以下兩個(gè)基本原理求得臨界荷載:①建立構(gòu)件在微曲狀態(tài)下屈曲位移與荷載間的微分方程,求其在滿足邊界條件下的臨界載荷解。②在構(gòu)件微曲狀態(tài)下建立以屈曲位移和載荷的總勢(shì)能式:E=U+V(U為變形體應(yīng)變能;V為外力勢(shì)能,它等于外力功的負(fù)值),然后根據(jù)能量法原原理,由總勢(shì)能一次微分為零,即E0=0的條件可求得臨界荷載。
2、失穩(wěn)和整體剛度:現(xiàn)行規(guī)范通用的軸心壓桿的穩(wěn)定計(jì)算法是臨界壓力求解法,臨界壓力是由著名歐拉公式給出的:
,式中E為鋼材料特性,I為截面特性,L 為桿的長(zhǎng)度。它表明軸心受壓的桿件,壓力使桿件的彎曲度下降,而當(dāng)壓力達(dá)到臨界值NE時(shí),桿的彎曲度就會(huì)消失。
3、對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行整體分析:必須從整體著眼進(jìn)行穩(wěn)定分析,因?yàn)闂U件的穩(wěn)定性來(lái)自結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。
4、二階彈性分析:這種分析對(duì)柔性構(gòu)件尤為重要,這是因?yàn)槿嵝詷?gòu)件的大變形量對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生了不能忽視的影響?？砂凑找韵虏襟E完成:
(1)根據(jù)《規(guī)范》得,應(yīng)在每層柱頂附加考慮由下式計(jì)算的假想水平力Hni:
其中,Qi為第i樓層的總重力荷載設(shè)計(jì)值; ns為框架總層數(shù),當(dāng)0.2+1/ns>1時(shí),取此根號(hào)值為1.0;αy為鋼材強(qiáng)度影響系數(shù),Q235鋼為1.0,Q345鋼為1.1,Q390鋼為1.2。
(2)①對(duì)有側(cè)移的純框架結(jié)構(gòu),當(dāng)采用二階彈性分析時(shí),各桿桿端的彎矩MⅡ可按下式近似計(jì)算:其中MⅠb為假定框架無(wú)側(cè)移時(shí)按一階彈性分析求得的各桿端彎矩;MⅠs為各節(jié)點(diǎn)側(cè)移時(shí)按一階彈性分析求得的各桿端彎矩;
為考慮二階效應(yīng)第i層的側(cè)移彎矩增大系數(shù)。
②對(duì)于有側(cè)移的純框架,當(dāng)采用二階彈性分析方法計(jì)算內(nèi)力,且在每層柱頂附加假想水平力Hni時(shí), P―Δ效應(yīng)已在內(nèi)力分析中計(jì)入,柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取1.0,因此柱穩(wěn)定計(jì)算的計(jì)算長(zhǎng)度就可取其幾何長(zhǎng)度。
(3) 在解決了以上問(wèn)題的基礎(chǔ)上,根據(jù)壓彎構(gòu)件穩(wěn)定性驗(yàn)算公式進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)驗(yàn)算:
三、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)
1、目前梁-柱單元理論已成為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中的主要研究工具,但是梁-柱單元并不能確保真實(shí)反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),因此如何反映軸力和彎矩的耦合效應(yīng)是目前網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題。
2、目前結(jié)構(gòu)隨機(jī)影響分析所處理的問(wèn)題大部分局限于確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、隨機(jī)荷載輸入這樣一個(gè)格局范圍,而在實(shí)際工程中,由于如材料(彈性模量,屈服應(yīng)力,泊松比等)、桿件尺寸、截面積、殘余應(yīng)力、初始變形等不確定性會(huì)引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著差異。所以應(yīng)著眼于考慮隨機(jī)參數(shù)的結(jié)構(gòu)極值失穩(wěn)、跳躍型失穩(wěn)、干擾型屈曲等問(wèn)題的研究。
3、在統(tǒng)計(jì)與穩(wěn)定性有關(guān)的幾何量和物理量時(shí),一般只是根據(jù)有限樣本來(lái)選擇概率密度分布函數(shù),帶有很大程度上的統(tǒng)計(jì)信息局限性,造成對(duì)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)依據(jù)不夠準(zhǔn)確。因此在統(tǒng)計(jì)時(shí),要結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范確定統(tǒng)計(jì)信息的準(zhǔn)確性。
四、總結(jié)
在實(shí)際設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員應(yīng)把握鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的原則,明確知道結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能,完善設(shè)計(jì)方案,達(dá)到穩(wěn)定性要求。同時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的失穩(wěn)的問(wèn)題進(jìn)行研究,不斷完善鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論。
2混凝土水池設(shè)計(jì)
在分析完混凝土水池荷載情況之后，在水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這些荷載作用.下面我們以矩形鋼筋混凝土水池為例做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析.首先，完成長(zhǎng)高比池壁的計(jì)算假定.側(cè)向荷載作用下，水池不同長(zhǎng)高比受力情況有所差異，根據(jù)池壁單向與雙向受力情況做劃分。水池結(jié)構(gòu)的布置要符合設(shè)計(jì)原則，像矩形水池均為長(zhǎng)方形，布置時(shí)要考慮地形.基礎(chǔ)形式為擋土墻水池基礎(chǔ)多采用池壁下設(shè)置帶形基礎(chǔ)，地板采用鋪砌式結(jié)構(gòu)，地板做成整體式，水池基礎(chǔ)為水平框架式和雙向板式.伸縮縫的設(shè)置上要考慮建造位置，比如土基中矩形水池，伸縮縫間隔情況如下：普通≤20m，溫度區(qū)間段≤20m，巖基中間隔≤15m；比如建造在土基中的鋼筋混凝土矩形地下式水池，伸縮縫間隔情況如下：普通≤30m，巖基中間隔≤20m.水池池壁結(jié)構(gòu)形式的選擇情況如下：開敞式水池宜選擇變厚池壁，池底厚度為池壁的1.5倍；擋土墻式選擇等厚池壁；水平框架式池壁選擇變厚池壁.遵照以上設(shè)計(jì)原則，水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)保持合理性與穩(wěn)定性，利于施工.
3鋼筋混凝土水池施工要點(diǎn)
鋼筋混凝土水池施工中要注意施工縫、混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)等施工要點(diǎn).像施工縫，在底板澆筑完成后，池壁與底板的施工縫要在八字以上1.5m與2m處，底板和柱的施工縫在表面.池壁豎向澆筑要一次澆到施工縫處，并對(duì)柱身、柱帽等做兩次澆筑，以確保穩(wěn)定性.對(duì)施工縫還要做鑿毛處理，將不密實(shí)表面或者浮漿鑿掉，還要避免損及混凝土棱角，避免剔出粗集料.鋼筋綁扎時(shí)可使用板凳筋做法或者排架法.混凝土澆筑過(guò)程中要保持池壁模板的穩(wěn)定，避免變形或硬化失敗.至于施工縫要提前清理，保持合理濕潤(rùn)度，在澆筑前鋪與混凝土配比相同的水泥砂漿，澆筑部分分層完成，每層厚度≤4m，間隔時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，均勻攤鋪.在澆筑頂部時(shí)，要暫停1h，在混凝土下沉后做二次震動(dòng)，消除可能因沉降造成的裂縫，澆筑完成后及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù).養(yǎng)護(hù)根據(jù)季節(jié)不同有不同注意要點(diǎn)，比如夏季因高溫干燥或者多雨等混凝土強(qiáng)度會(huì)受影響出現(xiàn)收縮裂縫后，必須在初凝后聯(lián)系養(yǎng)護(hù)兩周才能拆模，養(yǎng)護(hù)期間還要及時(shí)灑水，保證濕潤(rùn)到位.完成養(yǎng)護(hù)拆模時(shí)表面還要添加超時(shí)的覆蓋層，及時(shí)回填土，保證混凝土水池的施工質(zhì)量.
4鋼筋混凝土水池施工實(shí)例分析
1.1結(jié)構(gòu)不合理、性能缺少驗(yàn)證。在高層建筑設(shè)計(jì)中同時(shí)要考慮多種因素，保證結(jié)構(gòu)承載力的前提下盡量減少造價(jià)成本，需要將建筑結(jié)構(gòu)從總體至細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化工作多數(shù)是將設(shè)計(jì)圖紙中的一些參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，適當(dāng)?shù)募庸虊w厚度，常出現(xiàn)缺少對(duì)地基承載力的實(shí)際考察情況。高層建筑的抗震能力規(guī)定在中等強(qiáng)度地震時(shí)建筑物不會(huì)產(chǎn)生高危裂縫，并可通過(guò)修補(bǔ)達(dá)到預(yù)期效果，在發(fā)生高強(qiáng)度的地震時(shí)建筑物保證結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)坍塌。地震發(fā)生的幾率很小，一旦發(fā)生具有極大的毀滅性，高層建筑抗震性能只停留在設(shè)計(jì)層面，從數(shù)據(jù)上分析已經(jīng)達(dá)到了國(guó)家要求，但各施工地點(diǎn)基層土壤礦物質(zhì)組成存在差異，松軟程度也就不同，缺少驗(yàn)證，真正發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)其穩(wěn)定性很難保證。
1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺少創(chuàng)新。高層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程中受多種因素限制，為同時(shí)滿足多種需求，工程設(shè)計(jì)師都施行保守方案，缺少創(chuàng)新精神。鋼筋混凝土材質(zhì)的墻體承載能力與結(jié)構(gòu)有很大聯(lián)系，在剪力墻設(shè)計(jì)方案中，應(yīng)充分借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，解決承載力不足的問(wèn)題，同時(shí)使高層建筑整體結(jié)構(gòu)更符合大眾審美，減少造價(jià)支出。概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化上的運(yùn)用還受很多施工技術(shù)以及設(shè)備使用方面的限制，阻礙建筑工程行業(yè)進(jìn)步。
1.3受力分布不均勻。高層建筑上下層的結(jié)構(gòu)是不同的，為保證自身重力不會(huì)對(duì)建筑物造成破壞，基層修筑中會(huì)應(yīng)用到大量的鋼筋混凝土材料，加固底層的同時(shí)削弱上層，可減輕對(duì)地基的壓力，同時(shí)建筑物承受風(fēng)力和地震破壞的能力更強(qiáng)。進(jìn)行概念設(shè)計(jì)過(guò)程中，沒有充分考慮轉(zhuǎn)換層占據(jù)的空間和對(duì)受力平衡的影響，承重柱滿足了承載上層壓力的要求，但墻體產(chǎn)生的剪力不能與內(nèi)部的應(yīng)力平衡，作用在水平方向時(shí)形成了破壞力。概念設(shè)計(jì)中缺少優(yōu)化環(huán)節(jié)導(dǎo)致這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，很難保障整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
1.4概念設(shè)計(jì)中常見問(wèn)題的解決方案。設(shè)計(jì)過(guò)程中不可脫離實(shí)際情況，在前期準(zhǔn)備工作中對(duì)建筑場(chǎng)地進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量，將地區(qū)可能出現(xiàn)的自然災(zāi)害進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。充分考慮建筑物的自重，滿足對(duì)抗震性能的要求，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用力學(xué)知識(shí)，節(jié)省建筑過(guò)程中的原材料使用。合理修筑剪力墻，結(jié)構(gòu)在成體建筑中起到承重作用，但不能破壞空間整體性，注重格局的設(shè)計(jì)，將各單元的樓梯間進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，根據(jù)不同區(qū)域的需求，可將方案進(jìn)行更改，保證整體結(jié)構(gòu)統(tǒng)一又各有特點(diǎn)。在樓體外觀的設(shè)計(jì)中加入符合當(dāng)?shù)厝宋奶厣脑?，使建筑物更具有中?guó)特色。應(yīng)用概念設(shè)計(jì)法時(shí)加強(qiáng)后期的優(yōu)化工作，注重從宏觀到細(xì)致的過(guò)渡，設(shè)計(jì)方案要具有靈動(dòng)性，應(yīng)對(duì)施工進(jìn)展過(guò)程中的突況工程師要及時(shí)進(jìn)行探討，對(duì)原有結(jié)構(gòu)做出更改，保障施工連續(xù)進(jìn)展。設(shè)計(jì)測(cè)量工作中會(huì)涉及到很多變量，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，確定合理的浮動(dòng)范圍，作為施工開展的有力依據(jù)。
2結(jié)構(gòu)選型的問(wèn)題
2.1結(jié)構(gòu)的超高。在抗震規(guī)范與高規(guī)中，對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制，尤其是新規(guī)范中針對(duì)以前的超高問(wèn)題，除了將原來(lái)的限制高度設(shè)定為A級(jí)高度的建筑外，增加了B級(jí)高度的建筑。因此，必須對(duì)結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意，一旦結(jié)構(gòu)為B級(jí)高度建筑甚至超過(guò)了B級(jí)高度，其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，出現(xiàn)過(guò)由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問(wèn)題，導(dǎo)致施工圖審查時(shí)未予通過(guò)，必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要開專家會(huì)議進(jìn)行論證等工作的情況，對(duì)工程工期、造價(jià)等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。
2.2控制柱的軸壓比與短柱問(wèn)題。在鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)中，往往為了控制柱軸壓比而使柱的截面很大，而柱的縱向鋼筋卻為構(gòu)造配筋。即使采用高強(qiáng)混凝土，柱斷面尺寸也不能明顯減小。限制柱的軸壓比是為了使柱子處于大偏壓狀態(tài)，防止受拉鋼筋未達(dá)屈服而混凝土被壓碎。柱的塑性變形能力小，則結(jié)構(gòu)延性就差，當(dāng)遭遇地震時(shí)，耗散和吸收地震能量少，結(jié)構(gòu)容易被破壞。但是在結(jié)構(gòu)中若能保證強(qiáng)柱弱梁設(shè)計(jì)，且梁具有良好延性，則柱子進(jìn)入屈服的可能性就大大減少，此時(shí)可放松軸壓比限值。
3結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析
3.1計(jì)算模型的選取。對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)，可采用樓板整體平面內(nèi)無(wú)限剛假定模型；對(duì)于多塔或錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，可采用樓板分塊平面內(nèi)無(wú)限剛模型；對(duì)于樓板局部開大洞、塔與塔之間上部相連的多塔結(jié)構(gòu)等可采用樓板分塊平面內(nèi)無(wú)限剛，并帶彈性連接板帶模型；而對(duì)于樓板開大洞有中庭等共享空間的特殊樓板結(jié)構(gòu)或要求分析精度高的高層結(jié)構(gòu)則可采用彈性樓板模型。在使用中可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)際情況靈活應(yīng)用，以最少的計(jì)算工作量達(dá)到預(yù)期的分析精度要求，既不能不分情況一概采用剛性樓板模型，造成小墻肢計(jì)算值偏小，不安全；也沒必要都采用彈性樓板模型，無(wú)謂地增大計(jì)算工作量。
3.2抗震等級(jí)的確定。對(duì)常規(guī)高層建筑，可按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002，J186-2002）第4.8節(jié)規(guī)定確定抗震等級(jí)，與主樓連為整體的裙樓的抗震等級(jí)不應(yīng)低于主樓的抗震等級(jí)；對(duì)于復(fù)雜高層建筑還應(yīng)符合第10章的規(guī)定；對(duì)于地下室部分，當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，地下一層的抗震等級(jí)應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同，地下一層以下的抗震等級(jí)可根據(jù)具體情況采用三級(jí)或更低等級(jí)。
3.3非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算與設(shè)計(jì)。在高層建筑中，往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內(nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。對(duì)這部分內(nèi)容尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于高層建筑地震作用和風(fēng)荷載較大，必須嚴(yán)格按照新規(guī)范中增加的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的處理措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2我國(guó)目前規(guī)范對(duì)鋼筋混凝土排架設(shè)計(jì)的不足
在鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方面，GB50191—2012構(gòu)筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和GB50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范指導(dǎo)規(guī)范不同地域、不同排架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。本文結(jié)合《構(gòu)筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的具體條文，闡述了目前規(guī)范中鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)的不足和缺陷。有關(guān)排架結(jié)構(gòu)上部屋架結(jié)構(gòu)計(jì)算的規(guī)定有:
1)《構(gòu)筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》6．2．19條規(guī)定，針對(duì)Ⅲ，Ⅳ類場(chǎng)地和8度、9度時(shí)，應(yīng)該考慮屋架下弦的拉壓效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并核算屋架承載力;
2)《構(gòu)筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》6．2．22條規(guī)定，針對(duì)Ⅲ，Ⅳ類場(chǎng)地和8度、9度時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算變形產(chǎn)生的附加內(nèi)力。上述兩點(diǎn)敘述，規(guī)范使用“應(yīng)”字，因此應(yīng)考慮建立合適的屋架和支撐的桿系模型，否則無(wú)法得出上述內(nèi)力值。在鋼結(jié)構(gòu)排架設(shè)計(jì)方面，鋼排架結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度快，造價(jià)低，但以后要經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)施工復(fù)雜，造價(jià)高，后期維護(hù)工作量低。在工程建設(shè)中，鋼架也就是在排架柱方向通過(guò)設(shè)置聯(lián)系梁或桁架的方式使排架柱方向形成可以抵抗縱向力下變形的鋼框架(局部開間或連續(xù)開間)，具體做法可采用實(shí)腹聯(lián)系梁或格構(gòu)桁架———根據(jù)可設(shè)置高度選用，采用門式柱間支撐，可以留出工藝空間，還能對(duì)柱平面外予以加強(qiáng)。但我國(guó)處于高度使用水泥的情況，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，從節(jié)能減排方面講，鋼排架結(jié)構(gòu)應(yīng)作為首選，但規(guī)范未給具體說(shuō)明。
