剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文精選(九篇)
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第1篇：剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文范文
關(guān)鍵詞：門式鋼架; 基礎(chǔ)；節(jié)點(diǎn); 支撐
中圖分類號(hào)：TU391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
引言
從傳統(tǒng)意義上來說，輕質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)都是一些小角鋼和圓鋼組成的鋼架或小型或小跨度屋架結(jié)構(gòu)，一般是用作倉(cāng)庫(kù)或小型的廠房。隨著新型鋼材的出現(xiàn)，相繼出現(xiàn)了冷彎薄壁型鋼和彩色壓型鋼板，這使得輕型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的變革。這種新型的鋼材不僅具有傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于輕的優(yōu)勢(shì)很是明顯，具體優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：造型新穎，即外觀造型輕巧美觀，對(duì)于建筑的表現(xiàn)力強(qiáng)，對(duì)于一些單多層工業(yè)、民用建筑和大中小跨度尤為適合，同時(shí)可以配合間距柱網(wǎng)，使得布置更加靈活；勞動(dòng)強(qiáng)度比較輕，即在施工時(shí)可以使用小型機(jī)吊裝，這樣降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了施工時(shí)間；構(gòu)件輕，即通過設(shè)計(jì)后，這種高強(qiáng)度鋼材承受相同重量時(shí)截面積小，用鋼量相對(duì)較低；恒荷載較輕，即由于鋼材較輕，所以恒載荷和地震作用減少明顯，同時(shí)對(duì)地基的要求也較低。
此外，輕型鋼結(jié)構(gòu)符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求，還可以代替磚石和木材結(jié)構(gòu)。但是輕型鋼材是一種技術(shù)新、科技含量高的材料，所以對(duì)于施工和設(shè)計(jì)人員的要求就相對(duì)較高，還要進(jìn)行一些專業(yè)的培訓(xùn)。這樣一來，在生產(chǎn)線的建立上就會(huì)投入很大。此外，這種剛才還需要防火和防腐的處理。
大概在20世紀(jì)初期才開始形成裝配式輕質(zhì)鋼房屋體系，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于車庫(kù)的建設(shè)。到了20年代，定型化生產(chǎn)的廠房開始出現(xiàn)在人民的視野。在二戰(zhàn)期間，輕質(zhì)鋼房屋的建設(shè)如噴井之勢(shì)飛速發(fā)展，那是多用于軍事飛機(jī)庫(kù)的建設(shè)。二戰(zhàn)結(jié)束后，面臨著重建的問題，輕質(zhì)鋼房屋需求量更大，這進(jìn)一步的刺激了輕質(zhì)鋼房屋的發(fā)展。到40年代時(shí)，門式鋼結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)，60年代得到了大批量的應(yīng)用。就目前來講，一些發(fā)達(dá)國(guó)家也是使用輕質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建設(shè)。美國(guó)在門式鋼架上的設(shè)計(jì)不僅在理論上，而且在制造工藝上都比較先進(jìn)。
2.門式鋼架房屋機(jī)構(gòu)存在的問題
2.1 屋面活荷載取值
根據(jù)2008年《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定：在使用壓型鋼板輕型房屋時(shí)，按照水平投影的面積來算，在屋內(nèi)的豎向均布活載的標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為0.5kN/m2。但是并不是所有都是這個(gè)要求，當(dāng)鋼架構(gòu)件的受荷水平投影的面積是60m2時(shí)，豎向均布活載的標(biāo)準(zhǔn)值為0.3kN/m2。對(duì)于載荷效應(yīng)來說，必須符合以下原則：a、將雪載荷、積灰載荷或屋面均布載荷同時(shí)考慮，得到最大值；b、雪載荷和屋面均布載荷不能同時(shí)考慮，把兩者比較選出最大值；c、當(dāng)使用多臺(tái)吊車時(shí)，應(yīng)當(dāng)符合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來執(zhí)行；d、不能把地震作用和風(fēng)載荷同時(shí)考慮；e、由施工或者檢修帶來的載荷不和屋面材料及檁條自重以外的其它荷載一塊考慮。在應(yīng)對(duì)各種載荷的計(jì)算時(shí)，應(yīng)該把各種載荷按照載荷的組合原則進(jìn)行計(jì)算，這樣能夠避免因重復(fù)計(jì)算帶來的浪費(fèi)問題。
2.2 斜梁設(shè)計(jì)時(shí),計(jì)算長(zhǎng)度取值的問題:
a、對(duì)于屋面坡度較小的情況，根據(jù)GB50018的規(guī)定，在鋼架平面內(nèi)計(jì)算其強(qiáng)度時(shí)，按照壓彎構(gòu)件計(jì)算。但是對(duì)斜梁軸力小的情況時(shí)，把鋼架的計(jì)算長(zhǎng)度近似為豎向支撐點(diǎn)間的距離。b、對(duì)于屋面坡度較大的情況，不論是在鋼架的平面內(nèi)還是在平面外，軸力的穩(wěn)定性都不能被忽略；c、從原則上來講，平面外計(jì)算長(zhǎng)度一般是側(cè)向支撐點(diǎn)間的距離。但是，鋼梁的上下翼的邊緣都會(huì)有約束，一般有以下約束：①屋面系桿的支撐系統(tǒng)對(duì)其的約束作用；②檁條和屋面板對(duì)上翼緣約束作用；③檁條和隅撐的共同作用對(duì)下翼邊緣的約束。在計(jì)算時(shí)，我們一般把隅撐的設(shè)置作為鋼梁平面外長(zhǎng)度，并不是將檁條的間距作為鋼梁平面外長(zhǎng)度。然而，隅撐的位置設(shè)置又得根據(jù)鋼梁平面外長(zhǎng)度作為量度。然而有些設(shè)計(jì)師將鋼梁的平面外長(zhǎng)度定位3m，但是在制造的過程中卻省去了隅撐位置，最終造成了整個(gè)設(shè)計(jì)具有安全隱患。
2.3 構(gòu)件的撓度問題
根據(jù)門式鋼架規(guī)程的規(guī)定，當(dāng)鋼架斜梁只用于支撐冷彎型鋼檁條和壓型鋼板屋面時(shí)，則鋼架構(gòu)件的豎向撓度限制是L/180；對(duì)于有吊頂?shù)臉?gòu)件，豎向撓度限制是L/240；對(duì)于有懸掛起重機(jī)的構(gòu)件，豎向撓度限制取L/400。對(duì)于具有一定載荷并且跨度較大的輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)，撓度值將控制著構(gòu)件的截面積的大小。很多的設(shè)計(jì)師在進(jìn)行這方面的設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)忽略撓度對(duì)結(jié)構(gòu)的控制，僅僅為了能夠滿足強(qiáng)度的設(shè)計(jì)做法是不對(duì)的。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，梁撓度的影響是非常大的，它不僅會(huì)影響到建筑物的正常使用，還會(huì)造成屋內(nèi)積水，甚至出現(xiàn)漏水的情況，這些都會(huì)加大屋面的載荷，給整個(gè)結(jié)構(gòu)帶來很大的安全隱患。我們可以加設(shè)搖擺柱的方法來應(yīng)對(duì)那些跨度大、撓度難控制的鋼架，這樣做可以使撓度起不到控制的作用，而且還能把因撓度控制造成的截面過大的問題降到最低。
2.4 鋼梁高厚比問題
門式鋼架一般都是全鋼結(jié)構(gòu)的，由于檐口位置和鋼柱的連接位置的彎矩較大，所以一般將鋼梁做成變截面型鋼梁。由于使用了這種變截面的鋼梁，所以在設(shè)計(jì)的過程中可能會(huì)造成高厚比招標(biāo)的問題，所以對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的就算需要最終檢查。根據(jù)2008年版CECS102:第6.1.1條規(guī)定，對(duì)于腹板高度的變化高于60mm/m時(shí)，將不考慮受剪板幅屈曲后強(qiáng)度對(duì)腹板高度比的控制，所以計(jì)算時(shí)不能將幅屈曲后強(qiáng)度考慮進(jìn)去。具體的解決辦法如下：a、可以在構(gòu)件的腹板設(shè)置一個(gè)橫向加勁肋，這樣做可以更加不考慮屈曲后強(qiáng)度，還可以提高其容許的高厚比；b、為了滿足高厚比，可以增加腹板的厚度，但是這樣可能會(huì)較大的使用鋼量；c、通過調(diào)節(jié)構(gòu)件端部的高度和調(diào)整梁的變截面長(zhǎng)度來使腹板的高度變化不超過60mm/m。
2.5 結(jié)構(gòu)形式及布置方面
對(duì)于門式鋼結(jié)構(gòu)房屋，冷彎薄壁型鋼檁條和壓型鋼板屋面板作為屋蓋和外墻最合適，而變截面實(shí)腹鋼架作為主鋼架最合適。同時(shí)我們還可以根據(jù)載荷、跨度和高度的不同，而采用等截面或變截面的焊接工字型或軋制H型的截面來設(shè)計(jì)門式鋼架的柱和梁。在設(shè)計(jì)吊車梁時(shí)，最好把等截面作為門式鋼架的柱。對(duì)于門式鋼架的柱腳，我們通常采用支撐設(shè)計(jì)來鉸接，一般用一對(duì)或兩對(duì)螺栓作為平板支座。這樣設(shè)計(jì)柱腳鉸接，不僅可以避免彎矩過大的問題，而且還可以減少基礎(chǔ)混凝土的造價(jià)問題。鋼接柱腳通常用于有吊車的廠房，這樣設(shè)計(jì)有利于吊車的平穩(wěn)運(yùn)作。采用一些隔熱卷材作保溫層和隔熱層，還可以用具有隔熱效果的板材做屋面來解決對(duì)房屋或廠房的隔熱要求。
2.6 屋蓋鉸接問題
在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)屋蓋廠房的設(shè)計(jì)中，有些設(shè)計(jì)人員會(huì)把鋼梁和砼柱相連接的位置用剛接的計(jì)算方法來計(jì)算，所以在施工之后，連接處的受力是不是真正的剛接，這會(huì)帶來很大的安全隱患。為了安全起見，我們把砼柱面和鋼梁的鏈接用鉸接的形式來計(jì)算。
2.7 抽柱問題
有時(shí)由于空間原因，在某些廠房的設(shè)計(jì)中往往采用抽柱的屋架形式，即通過一些托或支撐來架梁。有些設(shè)計(jì)人員在對(duì)抽柱進(jìn)行計(jì)算時(shí)，認(rèn)為抽柱榀屋架就是直接把標(biāo)準(zhǔn)榀屋架刪掉柱子，然后加上托梁和鉸接的接點(diǎn)這么簡(jiǎn)單。如此做法會(huì)出現(xiàn)梁截面嚴(yán)重不足的現(xiàn)象，這是由于彎矩是靠鋼梁在檐口的鋼柱約束傳遞的，而對(duì)于托梁，托梁和屋面梁是按鉸接的形式受力的，所以這樣會(huì)造成屋脊的彎矩最大，而截面卻最小的問題。此外，在對(duì)抽柱屋架進(jìn)行計(jì)算時(shí)，托梁對(duì)屋架的彈性約束是必須要考慮的，具體的說就是把托梁和屋面梁的連接作為彈性支座，然后計(jì)算其對(duì)鋼梁的約束作用，并非是簡(jiǎn)單的按照鉸接來進(jìn)行計(jì)算。對(duì)廠房的抽柱計(jì)算時(shí)，建議從整體上把握，利用整體建模計(jì)算，結(jié)構(gòu)的受力情況，最后選出最優(yōu)截面。
2.8 有吊車設(shè)計(jì)圖紙的標(biāo)識(shí)問題
對(duì)于有吊車的廠房設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的圖紙中不僅要有構(gòu)架的設(shè)計(jì)，還要表明吊車的型號(hào)、臺(tái)數(shù)、吊重重量和跨度能數(shù)據(jù)。防止因?yàn)闃?biāo)注不明確帶來安全隱患的問題。
2.9 其他
除以上問題外，可能還會(huì)有焊縫質(zhì)量、涂裝、保溫隔熱防水的問題。其中，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)焊縫質(zhì)量做出了明確規(guī)定，值得注意的是要把評(píng)定等級(jí)，檢驗(yàn)等級(jí)和焊縫質(zhì)量等級(jí)區(qū)分開來。對(duì)于涂裝，對(duì)于鋼材都需要做一些防火或防銹涂層，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》( GBJ16—87)第 7.2.8 條做出了規(guī)定。對(duì)于保溫隔熱防水問題，室內(nèi)的溫度要求可能會(huì)比較高，所以要對(duì)冷橋接點(diǎn)做一些處理，例如選用一些高檔保溫材料能夠較好的減輕結(jié)露和冷凝的現(xiàn)象。
3. 結(jié)語
由于現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)廠房的日益增多和廣泛使用，對(duì)其安全問題提出了更高的要求。所以在門式鋼架設(shè)計(jì)中要避免以上問題的同時(shí)，做到規(guī)范、實(shí)用和美觀相結(jié)合。
參考文獻(xiàn)
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第2篇：剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文范文
關(guān)鍵詞：工業(yè)廠房；門式鋼架；輕鋼結(jié)構(gòu)；PHC管樁；預(yù)應(yīng)力；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
1 工程概況
某工業(yè)廠房位于湖南長(zhǎng)沙星沙經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)東二路，廠房長(zhǎng)度144 m，跨度為26+26 m，兩側(cè)檐口高分別為12 m和15 m，建筑面積8414 m2。兩臺(tái)15t中級(jí)工作制吊車，吊車軌頂標(biāo)高為7.93 m和11.3 m(詳見圖1)。柱腳采用剛接，采用門式剛架結(jié)構(gòu)，主剛架采用熱軋H型鋼， Q345級(jí)。屋面坡度采用1/10和0.85/10，基礎(chǔ)選取PHC預(yù)應(yīng)力管樁。計(jì)算軟件采用鋼結(jié)構(gòu)STS軟件和廣廈GSCAD。
圖1
2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
2.1 地質(zhì)條件及單樁承載力計(jì)算
本工程地質(zhì)條件及PHC管樁系數(shù)詳見表1。
表1
單樁承載力根據(jù)《建筑大家基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2002)第(8.5.5-1)公式:Ra=qpaAp+up∑qsiali和《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T15-22-98)第(5.2.8)公式:Uk=∑ξsiλiqsikuli進(jìn)行估算。
2.1.1樁側(cè)阻力特征值計(jì)算(選取PHC壁厚90 mm,樁徑400 mm預(yù)應(yīng)力管樁) 樁端端阻力特征值qpaAp=502kN；單樁豎向承載力特征值Ra=1297kN；總拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Uk=448kN；再根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T15-22-98)第(5.2.9)公式Rpl=σpcA=328kN
2.1.2分析
根據(jù)工程地質(zhì)條件及電算結(jié)果,由于業(yè)主工期要求快,故采用PHC預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)管樁,取單樁豎向承載力特征值R=1200kN,由于柱腳固接,吊車作用下,柱底彎矩較大,樁可能會(huì)現(xiàn)拉力,而形成抗撥樁,因此必須采用雙樁,而且需要驗(yàn)算樁抗撥力,由于Uk>Rpl,故應(yīng)按Rpl考慮樁的抗拔力。本工程邊柱最大軸壓力N=621kN, M=-444kN, V=-21kN。根據(jù)廣廈計(jì)算結(jié)果,樁距取3.5d:樁最小反力Nmin=-15kN
3上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本工程為兩跨26m,兩臺(tái)15t重級(jí)工作制吊車,柱距8m,共有18跨固接的門式剛架,為保證吊車正常運(yùn)轉(zhuǎn),廠房穩(wěn)定,滿足位移變形要求加強(qiáng)支撐設(shè)計(jì)和吊車制動(dòng)桁架來增加廠房的整體空間剛度,全長(zhǎng)144 m,墻體采用壓型鋼板。選用熱軋變截面H型鋼經(jīng)STS電算定下,用鋼量最低的剛架尺寸(詳見圖1)。
3.1柱間支撐設(shè)計(jì)
若支撐設(shè)置不當(dāng),吊車行走時(shí),就會(huì)造成剛架晃動(dòng),存在安全隱患,因此支撐的設(shè)置非常關(guān)鍵,又因選用用鋼量小的窄翼緣H型鋼,因此柱平面外計(jì)算長(zhǎng)度僅能取4m,在高4m處設(shè)置一道焊接鋼管側(cè)向水平支撐。交叉支撐采用角鋼,在廠房的頭、尾跨設(shè)置柱間支撐,中間跨每隔4跨設(shè)置一道。在設(shè)置柱間支撐的同一跨并設(shè)屋面支撐,為能更好傳遞風(fēng)荷載在屋面每隔4m設(shè)一道水平鋼管剛性系桿。
3.2抗震措施
工程地處設(shè)防烈度6度區(qū),房屋自重小,承載力不受地震作用效應(yīng)組合控制,可不進(jìn)行抗震計(jì)算。僅針對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)采取抗震構(gòu)造措施。構(gòu)件之間的連接均采用螺栓連接,斜梁下翼緣與剛架柱的連接均加腋,柱腳底板設(shè)抗剪鍵。增設(shè)吊車制動(dòng)桁架。
3.3隅撐的設(shè)計(jì)
隅撐可以用來提高屋面梁式柱的受壓翼緣穩(wěn)定能力,因此在檐口位置,剛架斜梁與柱內(nèi)翼緣交接點(diǎn)附近的檁條和墻梁處,各設(shè)置一對(duì)隅撐。在斜梁下翼緣受壓區(qū)隔一檁條設(shè)隅撐,并使其間距不大于相應(yīng)受壓翼緣寬度的16倍(詳見圖2)。
圖2
3.4高強(qiáng)螺栓連接設(shè)計(jì)
由于屋面荷載很輕,在設(shè)計(jì)荷載作用下,斜梁與柱的連接部位主要承受彎矩作用,剪力很小,高強(qiáng)螺栓以受拉為主。剪力由連接構(gòu)件間的摩擦力傳遞剪力。本工程建筑大量采用陽光板,開窗面積少,風(fēng)順力大減少,相應(yīng)剪力也小,選用摩擦型高強(qiáng)螺栓,因此表面可不作專門處理。不必進(jìn)行摩擦而抗滑移試驗(yàn),這有助于提高效益和降低成本。
3.5檁條設(shè)計(jì)
檁條的設(shè)計(jì)計(jì)算是最為困難的。首先,在目前設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程中尚無簡(jiǎn)單實(shí)用的計(jì)算公式供設(shè)計(jì)人員采用,其次,為節(jié)省鋼材,輕鋼結(jié)構(gòu)中的檁條除用于承擔(dān)梁的功能外往往兼作支撐體系中的壓桿,同時(shí)還通過隅撐對(duì)門式剛架的梁和柱提供側(cè)向支承。如果考慮門式剛架房屋中的蒙皮效應(yīng),則檁條的構(gòu)造和受力計(jì)算更為復(fù)雜。檁條通常由薄鋼板冷彎成型,計(jì)算中還需考慮屈曲后的有效截面等問題,因此,精確計(jì)算檁條的承載力非常困難。在豎向荷載作用下,檁條的自由翼緣受拉,受壓翼緣由于和屋面有可靠的連接面不存在穩(wěn)定問題。
由于Z型連續(xù)檁條是拱接而成的連續(xù)檁條,其內(nèi)力分布較均勻剛度大,能節(jié)省用鋼量,同時(shí)在制作、運(yùn)輸、安裝諸方面都很便利,因此本工程采用Q345Z型檁條,內(nèi)力計(jì)算按如下一種簡(jiǎn)單通用的模式考慮:按等截面連續(xù)梁計(jì)算模式,考慮活荷載按不利分布作用,光按50%活載均勻滿布得到一個(gè)效應(yīng)值S1,再用50%活荷載按最不利隔跨分布得到一個(gè)效應(yīng)S2。兩者相加即為最不利活荷載所產(chǎn)生的效應(yīng)S。另外再考慮在支座處因搭接嵌套松動(dòng)所產(chǎn)生的彎矩釋放10%。
在風(fēng)吸力作用下,檁條的自由翼緣受壓。因此,當(dāng)檁條下翼緣無面板側(cè)向支撐時(shí),必須對(duì)檁條的下翼緣進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。開平地區(qū)基本風(fēng)壓為0.6 kN/m2,按門式剛架技術(shù)規(guī)程附錄E公式計(jì)算結(jié)果得知,是風(fēng)吸力作用下穩(wěn)定計(jì)算起控制作用。選用Z220×75×20×2.0 Q345,檁距1.2m,可以滿足要求。
4采用預(yù)應(yīng)力門式鋼架的構(gòu)想
為了進(jìn)一步提高門式鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)的剛度和承載力，降低鋼耗，筆者認(rèn)為可在門式鋼架的不同部位，有針對(duì)性的施加預(yù)應(yīng)力。如通過強(qiáng)迫上升或下降中間柱的柱腳標(biāo)高，可調(diào)整跨中彎矩和中柱負(fù)彎矩的峰值。施加預(yù)應(yīng)力的方法，可通過預(yù)先計(jì)算好的提升量，用千斤頂升高中柱或邊柱，再塞墊板，進(jìn)行錨固。
在門式鋼架橫梁上的中下部位置，直接布置預(yù)應(yīng)力索，并在跨中四分之一的位置，以一對(duì)栓鉤拉住鋼索，擰緊栓鉤螺母，下拉鋼索，索內(nèi)產(chǎn)生拉力（預(yù)應(yīng)力），栓鉤處產(chǎn)生上壓力，是附加的卸載力，栓鉤處可視作鋼架橫梁的中間彈性支點(diǎn)。這種橫向張索法用于鋼架立柱，立柱則視為增加了中間支座，改變立柱邊界條件，提高臨界荷載力。
對(duì)于屋面檁條，可在檁條中間二分之一處，先將檁條與蒙皮固定，再在檁條與檁條連接處，強(qiáng)力釘入碶塊，拉伸蒙皮，引入預(yù)應(yīng)力，再栓接固定檁條 ，最后將蒙皮與檁條固定成整體。
5結(jié)語
門式輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)材高效,耗鋼少,自重輕,制造安裝運(yùn)輸簡(jiǎn)便,工期短,可拆遷,定型批量生產(chǎn)易于實(shí)現(xiàn)商品化等。近年來發(fā)展迅速,應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。本工程采用剛接柱腳和Q345鋼使用鋼量減少了許多,經(jīng)對(duì)比驗(yàn)算采用Q345鋼的用鋼量比采用Q235鋼的用鋼量下降16%左右,采用較平緩坡度(1/10)的門式剛度也可節(jié)約鋼材。
在本工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，未能充分引入預(yù)應(yīng)力技術(shù)，但筆者認(rèn)為在門式鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度和承載力，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，若能在檁條中張拉板材可以防止風(fēng)吸力下的局部失穩(wěn)和提高彈性受力幅值，將可大大減少檁條的用鋼量，這也是完全可行的。為此，在謀求改進(jìn)方面希望本文能起到拋磚引玉的作用，期待著與專家同行的合作，請(qǐng)大家共同關(guān)注與探討并指正。
參考文獻(xiàn)
1、鄭明星,陳京芳;輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問題的探討[J];鋼結(jié)構(gòu);2005年04期。
第3篇：剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文范文
關(guān)鍵詞：輕型門式剛架；支撐系統(tǒng)；常見
中圖分類號(hào)：C35文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
引言：
輕型門式剛架房屋結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用大約始于20世紀(jì)80年代初期，以其質(zhì)量輕、柱網(wǎng)布置比較靈活、工業(yè)化程度高、施工周期短、綜合經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，近年來得到迅速的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于輕型的廠房、倉(cāng)庫(kù)、體育館、展覽廳及活動(dòng)房屋、加層建筑等工程。但因忽視支撐設(shè)置以及安裝質(zhì)量不規(guī)范等因素，導(dǎo)致質(zhì)量事故甚至失穩(wěn)破壞的案例時(shí)有發(fā)生，因此，本文針對(duì)輕型門式鋼架支撐系統(tǒng)的種類、布置和作用，以及該體系常見問題作一系統(tǒng)歸納與分析。
1、輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
1.1、質(zhì)量輕
輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般都采用輕型材料，屋檁和墻檁一般采用冷彎C形鋼或Z形鋼，屋面板和墻面板多采用壓型金屬板，因而結(jié)構(gòu)自重較輕。即使是在工業(yè)廠房中，因?yàn)椤堕T式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012年版)》(CECS102:2002)中規(guī)定輕型門式剛架結(jié)構(gòu)中僅可設(shè)置起重量不大于20t的A1－A5工作級(jí)別的橋式吊車或3t的懸掛式起重機(jī)，結(jié)構(gòu)所承受的總荷載相對(duì)也較小。根據(jù)國(guó)內(nèi)工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)，單層輕型門式剛架房屋承重結(jié)構(gòu)的用鋼量一般為10～30kg/m2，自重約為同等條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1/20～1/30。由于荷載較小，基礎(chǔ)所用材料也較少，地基處理難度相應(yīng)降低，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)也較小。
1.2、工業(yè)化程度高，施工周期短
輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件和配件均為工廠制作，質(zhì)量更能夠保證。將構(gòu)件運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)后，構(gòu)件間的連接多采用高強(qiáng)度螺栓連接，安裝迅速。
1.3、結(jié)構(gòu)布置靈活，不受模數(shù)限制
傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于受屋面板等尺寸限制，柱距多為6m，當(dāng)采用12m或其他柱距時(shí)，需設(shè)置托架等，較為麻煩。而輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的維護(hù)體系采用壓型金屬板，故柱網(wǎng)布置靈活，一般僅需考慮使用要求和用鋼量。
1.4、綜合經(jīng)濟(jì)效益高
輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期短，原材料種類單一，構(gòu)件采用自動(dòng)化設(shè)備成批量生產(chǎn)，單位價(jià)格相對(duì)較低，且門式剛架結(jié)構(gòu)施工周期短，資金周轉(zhuǎn)率高，發(fā)揮投資效益快。
2、輕型門式鋼支撐系統(tǒng)概述
2.1、支撐布置及作用
橫向水平支撐一般設(shè)置在房屋兩端或橫向溫度伸縮縫區(qū)段兩端的第一柱間的屋蓋系統(tǒng)上，有時(shí)也可設(shè)在第二個(gè)柱間；一般由十字交叉斜腹桿（拉桿）和豎腹桿（壓桿）組成；橫向支撐的間距不宜大于60m。所以，當(dāng)溫度區(qū)段較長(zhǎng)時(shí)，在區(qū)段中間尚應(yīng)增設(shè)橫向水平支撐作用以承受地震荷載或由山墻傳來的縱向風(fēng)荷載，保證屋蓋系統(tǒng)的整體性，提高空間剛度，是構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)之一。
2.2、柱間支撐
2.2.1、布置
設(shè)置部位同橫向水平支撐，一般與橫向水平支撐對(duì)應(yīng)地布置在同一柱間距內(nèi)；可分為柔性（圓鋼）和剛性（型鋼）兩種，當(dāng)設(shè)有起重量不小于5t的橋式吊車時(shí)，應(yīng)采用剛性柱間支撐；當(dāng)鋼柱高度相對(duì)于柱距較大或設(shè)有吊車時(shí)，柱間支撐應(yīng)分層設(shè)置。
2.2.2、作用
它的主要作用是與橫向水平支撐共同形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系，提高廠房縱向剛度和穩(wěn)定性，可承受和傳遞廠房縱向的各種荷載與作用。
2.3、剛性系桿
布置剛性系桿一般設(shè)置在剛架轉(zhuǎn)折處(邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂)，應(yīng)沿房屋全長(zhǎng)設(shè)置；當(dāng)端部橫向水平支撐設(shè)在端部第二個(gè)開間時(shí)，在第一個(gè)開間的相應(yīng)位置也應(yīng)設(shè)置剛性系桿。剛性系桿一般采用鋼管或型鋼。
作用主要有兩個(gè)方面：①承受山墻傳遞到屋面上的水平荷載（風(fēng)載或地震荷載）；②形成一個(gè)穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)體系的重要支撐之一。
3、輕型門式剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需注意的問題
由于輕鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)與普通鋼結(jié)構(gòu)有較大區(qū)別，設(shè)計(jì)中應(yīng)采取一些有針對(duì)性的措施，以保證結(jié)構(gòu)的受力性能。已有許多專家、學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)此問題進(jìn)行過分析研究，因此，本文僅對(duì)一些設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)。
3.1、應(yīng)合理設(shè)置支撐體系
單榀門式剛架在剛架平面內(nèi)剛度較大，能有效抵抗水平荷載，但是在剛架平面內(nèi)剛度則較差，需通過設(shè)置支撐來保證縱向水平荷載的傳遞。支撐設(shè)置時(shí)需注意將屋面橫向水平支撐和柱間支撐布置在同一跨間，以構(gòu)成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系，既可承受和傳遞房屋縱向的各種荷載和作用，又便于結(jié)構(gòu)的施工和安裝。在房屋的各溫度區(qū)段內(nèi)，均需設(shè)置能獨(dú)立構(gòu)成空間穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的支撐體系。屋面橫向水平支撐一般布置在溫度區(qū)段端部第一開間，也可以布置在第二開間，但此時(shí)需在第一開間相應(yīng)于屋面橫向水平支撐豎腹桿位置布置剛性系桿。屋面橫向水平支撐的豎腹桿需按剛性壓桿設(shè)計(jì)，才能組成幾何不變體系。屋面橫向水平支撐的節(jié)點(diǎn)應(yīng)與抗風(fēng)柱布置相協(xié)調(diào)，將節(jié)點(diǎn)布置在抗風(fēng)柱處，以直接傳遞抗風(fēng)柱柱頂反力，避免剛架斜梁受扭。在剛架轉(zhuǎn)折處，如邊柱柱頂、屋脊處、多跨房屋中間柱柱頂?shù)任恢?，需沿房屋縱向全長(zhǎng)設(shè)置剛性系桿，既可承受和傳遞縱向水平荷載，還能在安裝過程中增加剛架的側(cè)向剛度，保證結(jié)構(gòu)安全。支撐的常見布置見圖1。
圖1支撐布置
3.2、柱腳
柱腳部分未采用混凝土包裹防護(hù)，容易鋼材銹蝕而產(chǎn)生安全隱患；柱腳錨栓未采用雙螺帽；柱腳與基礎(chǔ)頂面二次灌漿未采用灌漿料填實(shí)。
3.3、 梁柱節(jié)點(diǎn)常見問題有：①摩擦面涂漆；②頂緊接觸面積偏小（小于75%）；③邊緣最大間隙過大（大于0.8mm）；④高強(qiáng)螺栓絲扣未外露；⑤端板厚度偏?。ㄐ∮?6mm）。上述存在問題可能會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)不能有效形成剛性連接而產(chǎn)生安全隱患。
3.4、屋面
為鋼結(jié)構(gòu)斜梁、立柱為混凝土排架結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)體系與門式剛架不同；由于主鋼架斜梁與混凝土柱很難形成剛接，立柱存在水平推力，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不安全。
3.5、隅撐缺失
主剛架斜梁下翼緣和剛架柱內(nèi)側(cè)翼緣未設(shè)置與檁條或墻梁相連接的隅撐，可能會(huì)導(dǎo)致鋼梁平面外失穩(wěn)。鋼梁變截面處鋼梁在翼緣轉(zhuǎn)折處（變截面處）未設(shè)置橫向加勁肋；由于該處應(yīng)力復(fù)雜，設(shè)置橫向加勁肋主要對(duì)腹板予以加強(qiáng)。
3.6、錨栓不鉛直
錨栓不鉛直會(huì)嚴(yán)重影響房屋的外觀。由于框架柱柱腳的水平度差錨栓又不夠鉛直經(jīng)常使柱子安裝后東倒西歪不在一條直線上。影響外觀的同時(shí)還容易造成安全隱患使房屋經(jīng)不住長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。最近國(guó)對(duì)輕鋼施工的驗(yàn)收規(guī)程進(jìn)行了討論許多專家都強(qiáng)調(diào)了一種比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?。就是在安裝錨栓時(shí)堅(jiān)持先將底板用下部調(diào)整螺栓調(diào)平再用無收縮砂漿二次灌漿填實(shí)。這種方法的應(yīng)用將明顯減少錨栓不鉛直對(duì)房屋構(gòu)架的影響。25門式剛架的安裝。有些剛架在大風(fēng)時(shí)柱子被拔起因此在風(fēng)荷載較大的地區(qū)剛柱受拉時(shí)在柱腳更應(yīng)考慮抗拔構(gòu)造例如錨栓端部設(shè)錨板等。另外預(yù)埋地腳螺栓與混凝土短柱邊距離過近在剛架吊裝時(shí)經(jīng)常不可避免的會(huì)人為產(chǎn)生一些側(cè)向外力而將柱頂部混凝土拉碎或拉崩。在預(yù)埋螺栓時(shí)鋼柱側(cè)邊螺栓不能過于靠邊應(yīng)與柱邊留有足夠的距離。同時(shí)混凝土短柱要保證達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可組織剛架的吊裝工作。另外施工時(shí)遺忘抗剪槽的留置和抗剪件的設(shè)置柱腳螺栓按承受拉力設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)不考慮螺栓承受水平力。若未設(shè)置抗剪件所有由側(cè)向風(fēng)荷載水平地震荷載吊車水平荷載等產(chǎn)生的柱底剪力幾乎都由柱腳螺栓承擔(dān)從而破壞柱腳螺栓。有些工程地腳螺栓位置不準(zhǔn)確為了方便剛架吊裝就位在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)地板進(jìn)行二次打孔汪意切割造成柱腳底板開孔過大使得柱腳固定不牢螺栓最小邊距不能滿足規(guī)范要求。
3.7、模條計(jì)算不安全
《冷彎薄壁型鋼構(gòu)件技術(shù)規(guī)程》中提到有些設(shè)計(jì)軟件并沒有考慮到與檀條相關(guān)的有效寬度理論。因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不能單純依賴軟件軟件沒有考慮到的內(nèi)容要自己考慮。如檀條特有構(gòu)件應(yīng)采用有效寬度理論計(jì)算強(qiáng)度,這就需要自己熟悉理解規(guī)范結(jié)合規(guī)范和軟件做出正確判斷后在計(jì)算。《規(guī)程》封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。而實(shí)際設(shè)計(jì)中常常會(huì)忽略掉應(yīng)用凈截面計(jì)算強(qiáng)度如果不用凈截面進(jìn)行計(jì)算,實(shí)際應(yīng)力將高于計(jì)算值。也容易忽略針孔減弱。而當(dāng)這種減弱達(dá)到6%一巧%時(shí)就會(huì)對(duì)對(duì)小截面窄翼緣的梁產(chǎn)生較大影響。14鋼柱換鹼柱。為了節(jié)省鋼材降低造價(jià)肩少數(shù)單位在設(shè)計(jì)門式剛架時(shí)將鋼筋混凝土柱和輕鋼斜梁組成斜梁用豎放式端板與鹼柱中的預(yù)埋螺栓相連形成剛接。但廠房中符合設(shè)計(jì)的框架的梁柱不能用剛接只能用鉸接。因混凝土是一種脆性的材料抗拉、抗沖切的陛能很差在外力作用下容易出現(xiàn)松動(dòng)和破壞。在實(shí)際施工中采用鹼柱加鋼梁作成排架是可以的但由于連接不同構(gòu)件內(nèi)力不同可能造成工程斜梁過細(xì)安全隱患增加可見將剛架的鋼柱換成鹼柱而鋼梁不變是不可以的。
3.8、注意風(fēng)吸力的影響
輕型門式剛架結(jié)構(gòu)由于采用了輕型屋面材料，自重較輕，當(dāng)屋面坡度在一定范圍時(shí)，風(fēng)荷載的作用方向會(huì)向上，即為風(fēng)吸力。在普通鋼結(jié)構(gòu)中，風(fēng)吸力會(huì)抵消部分重力荷載，起有利作用，因而不考慮。但對(duì)于輕型門式剛架結(jié)構(gòu)來說，風(fēng)吸力的大小可能超過屋面結(jié)構(gòu)自重，疊加后產(chǎn)生向上作用的荷載，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件中產(chǎn)生反向內(nèi)力，如不考慮風(fēng)吸力，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全。2.4不得隨意改變結(jié)構(gòu)材料和體系部分設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)門式剛架結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)業(yè)主要求或其他考慮，將剛架柱改為鋼筋混凝土柱，剛架斜梁仍為鋼梁，仍按照門式剛架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣做可能會(huì)產(chǎn)生工程事故。因?yàn)殚T式剛架結(jié)構(gòu)中剛架斜梁與剛架柱必須做成剛接，而鋼結(jié)構(gòu)斜梁與鋼筋混凝土柱較難實(shí)現(xiàn)剛接，做出來更接近與排架結(jié)構(gòu)，與剛架結(jié)構(gòu)是完全不同的兩種結(jié)構(gòu)體系，這樣設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)可能會(huì)嚴(yán)重不安全。
4、結(jié)論
①應(yīng)充分重視支撐系統(tǒng)的設(shè)置，合理完善的支撐系統(tǒng)是形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系的重要保證。②應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)精心施工，以消除因細(xì)節(jié)重視不夠而導(dǎo)致工程質(zhì)量事故的發(fā)生。
參考文獻(xiàn)：
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[2]楊晉,王超.淺析門式鋼架結(jié)構(gòu)在池窯拉絲廠中的應(yīng)用[J].玻璃纖維,2014,03:43-46.
第4篇：剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文范文
【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；廠房設(shè)計(jì)；技術(shù)問題
1 引言
本文主要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行設(shè)計(jì)分析和研究，以期從中能夠找到可靠有效合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以此和廣大同行分享。
2 鋼結(jié)構(gòu)廠房空間結(jié)構(gòu)解析
為了使本論文的鋼結(jié)構(gòu)廠房分析設(shè)計(jì)更具有針對(duì)性和信服力，這里以實(shí)際的煉鋼廠房鋼結(jié)構(gòu)廠房為具體研究對(duì)象進(jìn)行分析討論。由于鋼鐵工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，煉鋼廠就成了一個(gè)重要的生產(chǎn)場(chǎng)所，屬于抗震規(guī)范中的乙類設(shè)防建筑。由于工藝布置的特殊性和生產(chǎn)設(shè)備的需要，煉鋼廠主廠房往往具有質(zhì)量、剛度分布嚴(yán)重不均勻的特點(diǎn)。又基于建設(shè)周期及抗震性能等的綜合考慮，這類廠房大都采用全鋼結(jié)構(gòu)建造。本文中以某設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為50噸的轉(zhuǎn)爐煉鋼廠為研究對(duì)象。
由于工藝要求的復(fù)雜性，該廠房由爐渣跨、加料跨、爐子跨、鋼水接收跨、連鑄澆鑄跨、連鑄出坯跨共六跨組成，核心設(shè)備布置在爐子跨中部的塔樓內(nèi)。該轉(zhuǎn)爐煉鋼廠房主要由塔樓、散狀料上料系統(tǒng)、柱子系統(tǒng)、屋蓋系統(tǒng)和吊車梁系統(tǒng)幾大部分組成，各部分的結(jié)構(gòu)大都是由型鋼和鋼板焊接或螺栓連接而成。
2.1 塔樓部分
塔樓是整個(gè)廠房的核心部分，高50米左右，其周圍單層廠房高低不平，依靠屋面系統(tǒng)與其相連。塔樓中設(shè)有若干平臺(tái)，煉鋼的主要設(shè)備就分布在塔樓的各層平臺(tái)上。設(shè)備按用途不同，重量由不足一噸到幾百噸不等并且位置不均衡，其中的相當(dāng)部分還會(huì)引起動(dòng)載荷。塔樓中不但布置了吊車，還與前部的通廊相連接。因而塔樓部分是三維空間結(jié)構(gòu)中質(zhì)量、剛度最大的部分，結(jié)構(gòu)也就最復(fù)雜，其構(gòu)件眾多且外形尺寸相差很大。
2.2 散狀料上料系統(tǒng)
散狀料上料系統(tǒng)屬于轉(zhuǎn)爐上料系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)，包括通廊、轉(zhuǎn)運(yùn)站、地下料倉(cāng)等部分，其作用是通過通廊中的皮帶輸送，使散狀礦石進(jìn)入轉(zhuǎn)爐。因?yàn)檫@一系統(tǒng)位于第4及第5跨間的屋面上，與屋面大梁鉸接，并且與塔樓相連，受地震影響較大，所以按實(shí)際結(jié)構(gòu)建立模型。
2.3 屋面系統(tǒng)
屋面系統(tǒng)是廠房中構(gòu)造最復(fù)雜的部分，包括屋架、托架、柃條、屋面支撐及天窗等部分，正是通過它將各跨單個(gè)的柱和塔樓部分聯(lián)系在一起。由于煉鋼廠生產(chǎn)工藝的原，屋面灰載荷是一個(gè)不可忽略的因素。另外，上料系統(tǒng)中的通廊和轉(zhuǎn)運(yùn)站部分也放置在屋面上。為了在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求的同時(shí)減輕自重，屋面系統(tǒng)大量采用了空間桁架結(jié)構(gòu)，因而不同位置的構(gòu)件尺寸相差很大。
2.4 柱子系統(tǒng)
柱子系統(tǒng)是整個(gè)廠房的豎向承重部件，大量的采用了格構(gòu)式柱和牛腿等構(gòu)造來滿足設(shè)計(jì)要求。
2.5 吊車梁系統(tǒng)
工業(yè)建筑的特點(diǎn)之一就是廠房?jī)?nèi)布置有大量的吊車，這座轉(zhuǎn)爐廠房也不例外，廠房?jī)?nèi)除布置有單層吊車外，還布置有雙層吊車甚至三層吊車，而且吊車的噸位由幾噸到上百噸不等。吊車梁系統(tǒng)主要由吊車梁、走道板、水平桁架和豎直桁架構(gòu)成，它們構(gòu)成了一個(gè)空間整體。
總的說來，該鋼結(jié)構(gòu)廠房屬于質(zhì)量、剛度分布嚴(yán)重不均勻的不規(guī)則建筑，而且規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件多，所涉及的型鋼型號(hào)多，尺寸差別懸殊。此外，由于工藝布置的特殊性，使得塔樓與其余廠房難以脫開，或者難以完全脫開；由于受場(chǎng)地限制，該廠房并沒有設(shè)置伸縮縫、沉降縫或者抗震縫。這就給抗震安全性提出了更高的要求。為達(dá)到真實(shí)地反映廠房空間地震效應(yīng)的目的，因此完整的建立了廠房的空間模型，只在局部作了簡(jiǎn)化，從而在模型中最大限度的把握了原結(jié)構(gòu)三維空間的真實(shí)性。
3 鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題分析
3.1 結(jié)構(gòu)布置中應(yīng)注意的問題
鋼剛架的跨度和柱距主要根據(jù)工藝和建筑要求確定。結(jié)構(gòu)布置要考慮的主要問題是溫度區(qū)間的確定和支撐體系的布置。
考慮到溫度效應(yīng)，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的縱向溫度區(qū)段長(zhǎng)度不應(yīng)大于300m，橫向溫度區(qū)段不應(yīng)大于150m。當(dāng)建筑尺寸超過時(shí)，應(yīng)設(shè)置溫度伸縮縫。溫度伸縮縫可通過設(shè)置雙柱，或設(shè)置次結(jié)構(gòu)及擦條的可調(diào)節(jié)構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)。
支撐布置的目的是使每個(gè)溫度區(qū)段或分期建設(shè)的區(qū)段建筑能構(gòu)成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)骨架。布置的主要原則如下：
3.1.1 柱間支撐和屋面支撐必須布置在同一開間內(nèi)形成抵抗縱向荷載的支撐析架。支撐析架的直桿和單斜桿應(yīng)采用剛性系桿，交叉斜桿可采用柔性構(gòu)件。剛性系桿是指圓管、H型截面、Z或C型冷彎薄壁截面等，柔性構(gòu)件是指圓鋼、拉索等只受拉截面。柔性拉桿必須施加預(yù)緊力以抵消其自重作用引起的下垂；
3.1.2 支撐的間距一般為30m-40m，不應(yīng)大于60m；
3.1.3 支撐可布置在溫度區(qū)間的第一個(gè)或第二個(gè)開間，當(dāng)布置在第二個(gè)開間時(shí)，第一開間的相應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置剛性系桿；
3.1.4 45°的支撐斜桿能最有效地傳遞水平荷載，當(dāng)柱子較高導(dǎo)致單層支撐構(gòu)件角度過大時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置雙層柱間支撐；
3.1.5 剛架柱頂、屋脊等轉(zhuǎn)折處應(yīng)設(shè)置剛性系桿。結(jié)構(gòu)縱向于支撐析架節(jié)點(diǎn)處應(yīng)設(shè)置通長(zhǎng)的剛性系桿；
3.1.6 輕鋼結(jié)構(gòu)的剛性系桿可由相應(yīng)位置處的擦條兼作，剛度或承載力不足時(shí)設(shè)置附加系桿。
除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須正確設(shè)置支撐體系以確保其整體穩(wěn)定性之外，還必須注意結(jié)構(gòu)安裝過程中的整體穩(wěn)定性。安裝時(shí)應(yīng)該首先構(gòu)建穩(wěn)定的區(qū)格單元，然后逐榻將平面剛架連接于穩(wěn)定單元上直至完成全部結(jié)構(gòu)。在穩(wěn)定的區(qū)格單元形成前，必須施加臨時(shí)支撐固定已安裝的剛架部分。
3.2 鋼結(jié)構(gòu)廠房的加固技術(shù)應(yīng)用
對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的廠房，其鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)必須要再設(shè)計(jì)中加以重視，否則就容易成為豆腐渣工程。從設(shè)計(jì)的角度講，可以從以下幾個(gè)方面實(shí)施鋼結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)應(yīng)用：
3.2.1 減輕荷載：改用輕質(zhì)材料或其它減少荷載的方法。如工業(yè)廠房的屋架可在下弦增設(shè)臨時(shí)支柱，或組成撐桿式結(jié)構(gòu)的方法來卸荷；托架的卸荷可以采用上述方法，也可以利用吊車梁作為支點(diǎn)使托架卸荷；柱子一般采用設(shè)置臨時(shí)支柱卸去屋架和吊車梁的荷載；平臺(tái)結(jié)構(gòu)因其高度不高，一般采用臨時(shí)支柱進(jìn)行卸荷。
3.2.2 改變結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算圖形：采取措施使結(jié)構(gòu)發(fā)生符合設(shè)計(jì)意圖的內(nèi)力重分布，以調(diào)整原有結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力，改善被加固構(gòu)件的受力情況。如增加支撐或輔助構(gòu)件以增加結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度，使結(jié)構(gòu)可以按空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，挖掘結(jié)構(gòu)潛力，也可以改善結(jié)構(gòu)的抗振性能；變更荷載的分布情況，或變更構(gòu)件的支座情況，或施加預(yù)應(yīng)力等來改變構(gòu)件的彎矩圖形；增設(shè)撐桿、加設(shè)拉桿或?qū)㈧o定結(jié)構(gòu)變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)來改變精架的內(nèi)力；將被加固構(gòu)件與其它結(jié)構(gòu)共同工作形成混合結(jié)構(gòu)，以改善受力情況。
3.2.3 原結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面和連接進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。此方法在鋼結(jié)構(gòu)加固中是常用的方法，因其涉及面窄，施工較為簡(jiǎn)便，尤其是在一定的前提條件下，可在負(fù)荷狀態(tài)下加固，這對(duì)廠房?jī)?nèi)的生產(chǎn)影響較小。采用此方法時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
（1）注意加固時(shí)凈空的限制，要使桿件不與其它桿件或零件相碰；
（2）能適應(yīng)原有構(gòu)件的幾何尺寸或己發(fā)生的變形清況，以利于施工；
（3）應(yīng)盡量減少加固施工的工作量；
（4）盡可能使補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件的重心位置不變，減少偏心所產(chǎn)生的彎矩；
（5）當(dāng)采用焊接補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，應(yīng)采用合理的焊接順序，減小焊接變形和焊接應(yīng)力；
（6）補(bǔ)強(qiáng)后構(gòu)件應(yīng)便于維護(hù)和油漆。
4 結(jié)語
由于鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工程建設(shè)中，從廠房到住宅到商場(chǎng)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)前建筑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)：
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[2]李春祥,黃金枝,金兢.高層鋼結(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗震控制若干問題探討[J].振動(dòng)與沖擊,2000, 19(2): 57-58.
第5篇：剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文范文
【關(guān)鍵詞】雙排樁；土彈簧；計(jì)算模型；冠梁
中圖分類號(hào)：U231文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
一、引言
雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是深基坑工程中一種新型的支護(hù)形式，在大多工程中取得了良好的效果。這種支護(hù)形式是由前、后兩排鋼筋混凝土樁及冠梁，通過樁頂?shù)倪B梁形成的門架式空間超靜定結(jié)構(gòu)，屬于懸臂式空間組合支護(hù)結(jié)構(gòu)。整體剛度大，加上前后排樁形成與側(cè)壓力反向作用的力偶的原因，使雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移明顯減小，同時(shí)樁身內(nèi)力也有所下降。當(dāng)場(chǎng)地土軟弱，開挖深度大或周邊環(huán)境限制時(shí)，與單排樁相比，有較好的側(cè)抗彎剛度，和限制側(cè)向變形的能力。因此，在城市密集建筑區(qū)更具優(yōu)勢(shì)，當(dāng)基坑空間大，不適合采用支內(nèi)撐而對(duì)變形有嚴(yán)格要求的深基坑工程，采用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
在計(jì)算雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，首先必須確定土壓力在前后排樁的分布及樁端的嵌固情況，由此可引出多種計(jì)算模型。這些計(jì)算模型主要分為3 類，一類是基于經(jīng)典土壓力理論確定的計(jì)算模型也叫分配系數(shù)模型；一類是基于winkle 假定的計(jì)算模型就是前后排樁共同作用模型也是2012規(guī)程計(jì)算雙排樁所選用的模型；另一類是基于土拱理論和土抗力法建立的計(jì)算模型這三類計(jì)算模型都在不同程度上討論了土壓力作用在前后樁體上的分布規(guī)律，但一般都不考慮由于滑移面的存在而引起的樁間土作用在前后樁體上土壓力的差異，同時(shí)關(guān)于土壓力的空間效應(yīng)、冠梁的變形協(xié)調(diào)作用和排距對(duì)土壓力分布的影響以及這些因素如何在計(jì)算模型中得到體現(xiàn)還有待進(jìn)一步深入研究。
本文就分配系數(shù)模型和基坑2012規(guī)程的模型，分析了雙排樁的受力和變形特性并做了理論和計(jì)算的比較。提出了兩種模型各自的利弊，并進(jìn)行了論證。
二、分配系數(shù)模型
基于何頤華等（1996年）的前后排樁所受土壓力分配的基礎(chǔ)上提出：由于考慮了樁間土對(duì)土壓力的傳遞作用，前后排樁土壓力是不同的，前排樁和后排樁樁背所受土壓力根據(jù)后排樁兩側(cè)滑裂土體重量之比來分配主動(dòng)土壓力，土抗力的作用范圍為前排樁所受土坑力在基坑開挖面以下，后排樁所受土抗力在滑裂面與后排樁交界面以下，樁底采用嵌固假設(shè)。
圖1-1 分配系數(shù)模型
這類模型的雙排樁只進(jìn)行主動(dòng)土壓力計(jì)算，由于考慮樁間土對(duì)土壓力的傳遞作用，一般情況，前排樁和后排樁土壓力是不同的。前樁上土壓力按開挖面確定，后樁土壓力按等效開挖面確定。
計(jì)算假定：
將冠梁看作是一個(gè)底部嵌固，頂部為直角剛接點(diǎn)的剛架結(jié)構(gòu)；
由于連梁與樁長(zhǎng)相比很小，且實(shí)際工程用的連梁剛度較大所以可將連梁看作是只能平移而不產(chǎn)生轉(zhuǎn)角；
由于連梁為剛體，不產(chǎn)生壓縮或拉伸變形，因此前后樁頂?shù)奈灰葡嗤?/p>
這種計(jì)算模型相對(duì)計(jì)算簡(jiǎn)單，概念比較明確，被較多的設(shè)計(jì)者所采用，但因前后排樁的土壓力尤其是被動(dòng)土壓力分配過于懸殊，對(duì)樁長(zhǎng)和最大彎矩的確定均產(chǎn)生較大的影響。
A、等效開挖面深度
程序中等效開挖面深度H1 分兩種情況
L0 >L
（1-1）
H1 ―― 后排樁的等效開挖面深度（m）；
H ―― 基坑的開挖深度（m）；
L ―― 前后排樁的排距（m）；
L0 ―― 滑動(dòng)面延伸至地表處到基坑邊緣的水平距離（m）；
；
φ ―― 土層的內(nèi)摩擦角度，取值為開挖面以上的加權(quán)平均值（m）。
⑵ L0≤ L
等效開挖面深度取為零，即H1＝0。
B、 前、后排樁土壓力
雙排樁計(jì)算時(shí)按前后排樁各自的等效開挖面計(jì)算各自土壓力的數(shù)值σa，再分別乘以前樁、后樁的分擔(dān)系數(shù)，得到作用在前、后樁上的土壓力。按雙排樁的布置形式分為以下兩種：
⑴ 前后排樁樁間距相同對(duì)齊排列
圖1-2 雙排樁的矩形分布
土壓力通過樁間土傳遞，由于前后排相對(duì)，在土方開挖后，主動(dòng)土壓力可假定僅作用在后排樁上，樁間土壓力取為Δσa，模型分析表明，開挖后Δσa減少，并小于后排樁土體一側(cè)的土壓力，前后排樁土壓力分別為：
前排樁： （1-2）
后排樁： （1-3）
⑵當(dāng)前后排樁梅花形或間距不等排列時(shí)，
圖1-3雙排樁土的梅花形或間距不等分布
其土壓力的分配按下式確定：
前排樁： （1-4）
后排樁： （1-5）
其中分擔(dān)系數(shù)α：當(dāng)時(shí)，；其中，,
分擔(dān)系數(shù)α是按后排樁靠基坑側(cè)滑動(dòng)土體占整個(gè)滑動(dòng)土體的重量比例來確定的。
當(dāng)時(shí)，。
分配系數(shù)模型的特點(diǎn)：
不考慮土層在水平方向的變化，按前樁處的土參數(shù)計(jì)算土壓力；
前后排樁的分擔(dān)系數(shù)交互時(shí)各自獨(dú)立，且隨開挖工況改變；
前后樁底標(biāo)高不一致時(shí)，超出的部分承擔(dān)全部的土壓力；
梅花形或間距不等布置時(shí)前、后排樁的土壓力分擔(dān)寬度僅為樁間距的1/2；
前排樁的抗力彈簧范圍為開挖面起之下，后排樁的抗力彈簧范圍為H1起面之下；
后排樁等效開挖面以上樁前土體不考慮被動(dòng)土壓力；
三、2012規(guī)程模型
基于鄭剛提出的模型，雙排樁抗傾覆能力之所以強(qiáng)主要是因?yàn)樗喈?dāng)于一個(gè)插入土體的剛架，樁土之間的相互作用不容忽略。這也是《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程JGJ 120-2012》計(jì)算雙排樁時(shí)所采用的模型。
將樁間土簡(jiǎn)化為土彈簧將后排樁所受的土壓力傳遞，對(duì)前后排樁進(jìn)行位移協(xié)調(diào)。土彈簧剛度對(duì)整個(gè)模型起著至關(guān)重要的作用。由于樁間土體寬度一般很小，可以把前后排樁及樁間土體看作一個(gè)整體，則作用在這個(gè)整體上的外力包括后排樁受到的主動(dòng)土壓力和坑底以下前排樁受到的被動(dòng)土壓力，這兩種土壓力在前后排樁之間分配應(yīng)該取決于雙排樁結(jié)構(gòu)自身變形和樁間土體的性質(zhì)。
土壓力的分配就靠這種彈簧與前后排樁的位移協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)，樁間土剛度的大小就是樁間土的水平向地基反力系數(shù)K，認(rèn)為當(dāng)樁長(zhǎng)大于4d且每一排內(nèi)樁距不大時(shí)，認(rèn)為樁間土是豎向壓縮薄層，K可以有簡(jiǎn)化式來確定：K=Ea/H。Ea為樁間土的平均壓縮模量，H為樁間土層厚度。樁側(cè)摩阻力采用樁土界面?zhèn)鬟f函數(shù)法加以考慮，把樁劃分成許多彈性單元，第一單元與土體之間用非線性彈簧聯(lián)系，以模擬樁土之間的荷載傳遞關(guān)系。
考慮到雙排樁產(chǎn)生位移時(shí)可能對(duì)坑底以上樁間土產(chǎn)生夾帶作用，因此忽略其對(duì)前排樁可能提供的側(cè)摩阻力，前排樁側(cè)阻彈簧僅在坑底以下布置。前排樁樁端以下土體對(duì)前排樁樁端的豎向位移的約束用文克爾地基模型考慮，后排樁樁后土壓力采用朗肯主動(dòng)土壓力，利用彈性法有限元理論可以計(jì)算出樁身的彎矩和變形。
圖2-1共同作用模型
前、后排樁的樁間土體對(duì)樁側(cè)的壓力可按下列公式計(jì)算：
（2-1）
式中 ：
pc ―― 前、后排樁間土體對(duì)樁側(cè)的壓力；可按作用在前、后排樁上的壓力相等考慮；
kc ―― 樁間土的水平剛度系數(shù)，按式2-2計(jì)算；
Δvc ―― 前、后排樁水平位移的差值：當(dāng)其相對(duì)位移減小時(shí)為正值；當(dāng)其相對(duì)位移增加時(shí)，取Δvc＝0。
pco ―― 前、后排樁間土體對(duì)樁側(cè)的初始?jí)毫?kPa)，按式2-3計(jì)算
樁間土的水平剛度系數(shù)kc可按下列公式計(jì)算：
（2-2）
式中：
Es ―― 計(jì)算深度處，前、后排樁間土體的壓縮模量；當(dāng)為成層土?xí)r，應(yīng)按計(jì)算點(diǎn)的深度分別取相應(yīng)土層的壓縮模量。
sy ―― 雙排樁的間距(m)；
d ―― 樁的直徑(m)。
由上式可知，剛度系數(shù)是隨著樁間距的增大而減小的，因此，樁間距增大時(shí)，樁間土的約束剛度減小使得整個(gè)模型的側(cè)向剛度減小，得出位移和彎矩偏大。由于共同作用模型是將樁間土簡(jiǎn)化為土彈簧將后排樁所受的土壓力進(jìn)行傳遞，并對(duì)前后排樁進(jìn)行位移協(xié)調(diào)。因此，土彈簧的剛度系數(shù)對(duì)整個(gè)模型起著至關(guān)重要的作用，而土彈簧的剛度系數(shù)根據(jù)計(jì)算公式來看，在土質(zhì)條件一定的情況下，土彈簧剛度只和前后排樁間距有關(guān)。
前、后排樁間土體對(duì)樁側(cè)的初始?jí)毫砂聪铝泄接?jì)算：
（2-3）
（2-4）
式中：
pak ―― 支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)，第i層土中計(jì)算點(diǎn)的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。
h ―― 基坑深度(m)；
φm ―― 基坑底面以上各土層按土層厚度加權(quán)的等效內(nèi)摩擦角平均值(°)；
α ―― 計(jì)算系數(shù)，當(dāng)計(jì)算的α大于1時(shí)，取α＝1
四、雙排樁冠梁的協(xié)調(diào)分析
雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)空間形狀如圖3-1所示。以冠梁為研究對(duì)象，雙排樁對(duì)冠梁有水平作用力、垂直作用力和扭矩。前后排樁對(duì)冠梁的垂直作用力形成力偶，與作用在冠梁上的扭矩相平衡，總體上雙排樁對(duì)冠梁的合扭矩是比較小的。在此假定下，冠梁只發(fā)生平移，不發(fā)生轉(zhuǎn)
動(dòng)。
圖2-1共同作用模型
以矩形排列雙排樁為例：
在此將冠梁的作用分解為兩個(gè)部分，一是協(xié)調(diào)前后排樁樁頂?shù)奈灰?，假定為?lián)系前后排樁樁頂?shù)膭傂粤?；二是空間變形協(xié)調(diào)作用假定為在雙排樁剛架結(jié)構(gòu)頂端的水平支撐彈簧。
（1）冠梁的空間協(xié)調(diào)作用在雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中的作用是明顯的，對(duì)于整個(gè)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到重要的作用，計(jì)算模型中考慮冠梁的空間協(xié)調(diào)作用是必要的。
（2）前后排樁之間的樁間土由于滑移面的存在，作用在前后樁體上的土壓力存在差異。
（3）排距的變化直接影響到作用在前后排樁上的土壓力，從而也影響了前后排樁的側(cè)向位移；隨著排距的增大，后排樁的擋土作用減弱。當(dāng)排距超出滑移面影響范圍以外，冠梁縱向起到拉桿作用，也就意味著此時(shí)的后排樁為樁頂受力的水平承載樁。
五、算例分析
[ 基本信息 ]
圖3-1 等效開挖面模型的內(nèi)力圖
圖3-2 共同作用模型的內(nèi)力
按水平剛架計(jì)算，前排樁和后排樁的樁頂彎矩不是0，有一定的彎矩，仍然是懸臂樁，與單排樁內(nèi)力分布完全不同。
由于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)性主要是體現(xiàn)在前后排樁和樁間土作為一個(gè)整體具有很大的側(cè)向抗彎剛度，因此，簡(jiǎn)化的計(jì)算模型必須要考慮樁土之間的相互作用。共同作用模型較好的考慮了樁間土的作用，從圖中可以看出，它體現(xiàn)了前后排樁的變形協(xié)調(diào)。
而假設(shè)分配系數(shù)的簡(jiǎn)化方法難以反映雙排樁結(jié)構(gòu)自身變形和樁間土體性質(zhì)的影響，使得前后排樁的土壓力分配懸殊，由結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算剛架的方法，將前后排樁內(nèi)力求出，得到前后排樁最大內(nèi)力值差距較大。
六、結(jié)語
（1）雙排樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在前后排樁和樁間土作為一個(gè)整體具有很大的側(cè)向抗彎剛度，所以，無論是什么樣的簡(jiǎn)化模型都要考慮樁土之間的相互作用。
（2）冠梁的空間協(xié)調(diào)作用在雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中的作用是明顯的，對(duì)于整個(gè)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到重要的作用，計(jì)算模型中考慮冠梁的空間協(xié)調(diào)作用是必要的。
（3）前后排樁之間的樁間土由于滑移面的存在，作用在前后樁體上的土壓力存在差異。目前規(guī)范的計(jì)算模型為雙排樁前、后兩排等距布置，沒有前后排樁不等距布置的情況，而分配系數(shù)模型可以實(shí)在前、后排不等距的雙排樁支護(hù)體系的簡(jiǎn)化計(jì)算。所以，當(dāng)使用等效開挖面模型分析計(jì)算雙排樁時(shí)，要通過計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)確確定其前后排樁的分擔(dān)系數(shù)。
【參考文獻(xiàn)】
(1) 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程，JGJ 120-99，1999，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999年5月第一版，1999年5月第一次印刷。
(2) 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程，JGJ 120-2012，2012，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012年9月第一版，2012年9月第一次印刷。
(3) 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，GB 50010-2010，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011年5月第一版，2011年5月第一次印刷。
(4) 陳仲頤、周景星、王洪瑾著，土力學(xué)，清華大學(xué)出版社，1994年4月第1版，2000年8月第4次印刷。
第6篇：剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文范文
關(guān)鍵詞 鋼結(jié)構(gòu)；抗震；性能；節(jié)點(diǎn)；設(shè)計(jì)；
中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和建筑技術(shù)的逐漸進(jìn)步,鋼結(jié)構(gòu)也越來越廣泛的應(yīng)用于建筑當(dāng)中,其中在建筑結(jié)構(gòu)中,鋼結(jié)構(gòu)具有良好抗震性,并且工業(yè)化生產(chǎn)程度較高,鋼結(jié)構(gòu)施工周期較短,并且具體節(jié)能環(huán)保、延展性好等優(yōu)點(diǎn),特別對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑具有的延展性可以對(duì)地震波產(chǎn)生衰減作用,減少地震對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的破壞。針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的如此突出的優(yōu)點(diǎn),美國(guó)等等國(guó)家的鋼結(jié)構(gòu)建筑已占到所在國(guó)內(nèi)建筑總量的一半以上。日本是地震多發(fā)的國(guó)家,鋼結(jié)構(gòu)建筑在日本建筑當(dāng)中的占有率更是達(dá)到了65％左右。根據(jù)日本阪神地震后資料的顯示,在地震中鋼結(jié)構(gòu)建筑的受損程度和受損概率要遠(yuǎn)低于混凝土結(jié)構(gòu)。2008年四川汶川地震中,作為鋼結(jié)構(gòu)建筑的綿陽體育館也沒有受到損壞,成為安置地震災(zāi)民的主要地點(diǎn)。
一、鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能
不同的結(jié)構(gòu)形式,抗震性能明顯不同?；炷两Y(jié)構(gòu)的房屋受壓較好,但不抗拉力,兩種力的差距達(dá)10倍。當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí),房屋在地震波循環(huán)荷載情況下,極易發(fā)生整體垮塌。
而鋼結(jié)構(gòu)具有良好的延展性,可以將地震波的能耗抵消掉。鋼材基本上屬各向同性材料,扛拉、抗壓、扛剪強(qiáng)度均很高,而且具有良好的延展性,特別是鋼結(jié)構(gòu)憑著自己特有的高延展性減輕了地震反應(yīng)。鋼結(jié)構(gòu)還可以看作比較理想的彈塑性結(jié)構(gòu),可以通過結(jié)構(gòu)的塑性變形吸收和消耗地震輸入能量,從而具有較高的抵抗強(qiáng)烈地震的能力。鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)自重輕,這也大大減輕了地震作用的影響。鋼結(jié)構(gòu)除了抗震性能高,施工周期短、工業(yè)化程度高、環(huán)保性能好的特點(diǎn)也顯著優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)。
二、鋼結(jié)構(gòu)破壞部位
鋼結(jié)構(gòu)的震害主要有節(jié)結(jié)構(gòu)的整體倒塌、構(gòu)件的破壞和點(diǎn)連接的破壞等三種形式。
2.1 節(jié)點(diǎn)連接的破壞
2.1.1 框架梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的破壞原因
對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞原因的分析:(1)裂縫主要出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)下翼緣,是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)梁上翼緣有樓板加強(qiáng),并且上翼緣焊縫無腹板妨礙施焊;(2)梁端焊縫通過孔邊緣會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中,引發(fā)裂縫;(3)梁翼緣端部全熔透坡口焊的襯板邊緣形成人工縫,縫隙在豎向力作用下擴(kuò)大;(4)焊縫存在缺陷,特別是下翼緣梁端現(xiàn)場(chǎng)焊縫的中部,因?yàn)楦拱宸恋K焊接和檢查,出現(xiàn)不連續(xù);(5)焊縫金屬的沖擊韌性低。
2.1.2 支撐連接的破壞
采用螺栓連接的支撐破壞形式,包括支撐桿件螺孔間剪切滑移的破壞、節(jié)點(diǎn)板端部剪切滑移的破壞、以及支撐截面削弱處斷裂。支撐是框架一支撐結(jié)構(gòu)當(dāng)中最重要的抗側(cè)力部分,一旦發(fā)生地震的時(shí)候,它將首先承受水平地震作用,如某層的支撐發(fā)生破壞,將使這個(gè)樓層成為薄弱層,造成嚴(yán)重后果。
2.2 構(gòu)件的破壞
2.2.1 支撐桿件的整體失穩(wěn)、局部失穩(wěn)和斷裂破壞
當(dāng)支撐構(gòu)件的組成板件寬厚比較大時(shí),往往伴隨著整體失穩(wěn)出現(xiàn)板件的局部失穩(wěn)現(xiàn)象,進(jìn)而引發(fā)低周疲勞和斷裂破壞,這在以往的震害中并不少見。試驗(yàn)研究表明,要防止板件在往復(fù)塑性應(yīng)變作用下發(fā)生局部失穩(wěn),進(jìn)而引發(fā)低周疲勞破壞,必須對(duì)支撐板件的寬厚比進(jìn)行限制,且應(yīng)比塑性設(shè)計(jì)的還要嚴(yán)格。
2.2.2 鋼柱脆性斷裂
在1995年阪神地震當(dāng)中,位于蘆屋市海濱城高層住宅小區(qū),小區(qū)當(dāng)中的2l棟巨型鋼框架結(jié)構(gòu)的住宅樓共有57根鋼柱發(fā)生了斷裂現(xiàn)象,所有箱形截面柱的斷裂都發(fā)生在14層以下的樓層里,并且都是脆性受拉斷裂,斷口呈水平的形狀。
我們分析認(rèn)為:①有的鋼柱斷裂發(fā)生在拼接焊縫附近,這里可能正是焊接缺陷構(gòu)成的薄弱部位;②鋼柱暴露于室外,當(dāng)時(shí)正值日本的嚴(yán)冬,鋼材溫度低于0攝氏度;③箱形截面柱的壁厚達(dá)50mm,厚板焊接時(shí)過熱,使焊縫附近鋼材延展性降低;④豎向地震及傾覆力矩在柱中產(chǎn)生較大的拉力。
2.3 結(jié)構(gòu)的倒塌破壞
1985年墨西哥發(fā)生的大地震中,墨西哥市的某個(gè)綜合大樓的3個(gè)22層的鋼結(jié)構(gòu)塔樓之一發(fā)生倒塌,其余2棟鋼結(jié)構(gòu)塔樓也發(fā)生了嚴(yán)重破壞,其中1棟已經(jīng)接近倒塌。這3棟塔樓的結(jié)構(gòu)體系都是框架-支撐結(jié)構(gòu)。有關(guān)分析證明,塔樓發(fā)生倒塌或者嚴(yán)重破壞的主要原因,是因?yàn)榭v橫向垂直支撐偏位設(shè)置,從而導(dǎo)致剛度中心和質(zhì)量重心相距太大,所以在地震中產(chǎn)生了較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),致使鋼柱的承載力小于作用力大于,引發(fā)了3棟相同的塔樓發(fā)生了嚴(yán)重破壞甚至倒塌。由此可見,規(guī)則對(duì)稱的結(jié)構(gòu)體系對(duì)抗震是十分有利的。
三、鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的建議
彈性結(jié)構(gòu)在地震作用下的阻尼力c通?？偸呛苄。梢院雎?。彈性結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的最大地震力Fmax，可以采用絕對(duì)最大加速度表示：
Fmax=kymax=一m(+ag)max (1)
如果只是用Fmax做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則結(jié)構(gòu)在地震作用下應(yīng)當(dāng)保持彈性，不會(huì)破壞。
為了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方便，引進(jìn)了加速度的動(dòng)力放大系數(shù)βmax譜，反應(yīng)譜的形狀和分段記號(hào)見圖1。我國(guó)采用的是平均譜，βmax取為2．25。采用彈性譜確定地震力，則
FE=ZβW (2)
式中：Z為地震系數(shù)，是地震最大加速度與重力加速度的比值；W為結(jié)構(gòu)的重量；β是動(dòng)力放大系數(shù)，按β譜取值。
圖1 β譜
我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》自GBJ11―89以來，采用了以概率可靠度為基礎(chǔ)的三水準(zhǔn)(小震不壞、中震可修、大震不倒)、兩階段(小震下的截面抗震驗(yàn)算和大震下的結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算)的抗震設(shè)計(jì)思想。目前國(guó)際上對(duì)“不倒”有比較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移角在1/50～1/30，就能夠保證其“不倒”。
在三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)的描述中，“抗震設(shè)防烈度”的概念非常重要，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)要設(shè)防的最重要目標(biāo)是：在遭遇本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的地震作用下，可能損壞，經(jīng)一般修理仍可使用。
抗震設(shè)計(jì)不能按彈性反應(yīng)要求來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要理由有三點(diǎn)：①按式(2)來計(jì)算地震作用，在遭受設(shè)防烈度的地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)仍然處于彈性階段，因此肯定是安全的。但按式(2)計(jì)算的地震作用到底有多大?舉個(gè)例子：按8度設(shè)防烈度，Z=0．2，β=2．25，則FE=0．2×2．25W=0．45W，相當(dāng)于豎向荷載的45％的水平力作用在結(jié)構(gòu)上，這個(gè)結(jié)構(gòu)將非常強(qiáng)大才能抵抗這個(gè)水平力，因此采用完全彈性的計(jì)算地震力，從經(jīng)濟(jì)上考慮，無法承受；②歷次地震表明，讓結(jié)構(gòu)經(jīng)受一定程度的塑性變形，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全并沒有什么大的影響；從彈性反應(yīng)譜知道，結(jié)構(gòu)的地震作用受到結(jié)構(gòu)固有周期的影響。如果結(jié)構(gòu)的剛度小，周期長(zhǎng)，則地震作用越小。如果在地震過程中，結(jié)構(gòu)的剛度也能減小(通過塑性變形)，特別是在最大地震加速度到來之前發(fā)生塑性變形，剛度下降，則這個(gè)結(jié)構(gòu)遭受的地震作用將顯著地降低。所以，結(jié)構(gòu)工程專家們的一致意見是，結(jié)構(gòu)應(yīng)恰當(dāng)設(shè)計(jì)，使其既滿足規(guī)范地震力要求，又符合構(gòu)造要求(如對(duì)材料的要求、長(zhǎng)細(xì)比、寬厚比、軸壓比等)，抗震安全才達(dá)到可接受水平。
規(guī)范要求：水平地震影響系數(shù)最大值amax見表1；鋼結(jié)構(gòu)的彈性位移角限值為1/300；彈塑性位移角限值為1/50。
表1規(guī)范規(guī)定的amax值
在我國(guó)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)時(shí)，采用上述抗震設(shè)計(jì)法的指導(dǎo)思想就是，即便發(fā)生大震，鋼骨架(特別是梁)將產(chǎn)生適當(dāng)?shù)乃苄宰冃蝸砦盏卣鹉芰浚苊饨ㄖ锶w倒塌破壞。為了使鋼框架實(shí)現(xiàn)梁鉸倒塌機(jī)制，確保建筑物的性能，需要使用抗震性能好的鋼材。
結(jié)束語
由于本人的能力和精力所限，本文還存在許多不足，鋼結(jié)構(gòu)抗震問題一直是設(shè)計(jì)行業(yè)的一大難點(diǎn)，規(guī)范中也不過是寥寥幾頁就帶過了。論文對(duì)于某些問題的論述應(yīng)該收集更多的數(shù)據(jù)，增加定量分析將更具有說服力；由于時(shí)間關(guān)系沒能作具體的個(gè)案研究也是本文一大卻憾。以上不足之處將是今后努力的方向，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)長(zhǎng)期的課題，以后將在工作之余繼續(xù)努力深入實(shí)踐，將這一課題的研究不斷的完善，使研究成果具有更大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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第7篇：剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文范文
論文摘要：《工程力學(xué)》是工程管理專業(yè)的一門主要的技術(shù)基礎(chǔ)課，在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中起著承上啟下的重要作用，但是由于教學(xué)對(duì)象的特殊性，使得工程力學(xué)在工程管理專業(yè)的教學(xué)過程中遇到了很多問題：學(xué)生們對(duì)于課程的不重視、學(xué)生們覺得學(xué)習(xí)起來特別難、力學(xué)課堂容易沉悶、在較少課時(shí)內(nèi)需要完成三大力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容……這些問題使得工程力學(xué)課程在工程管理專業(yè)學(xué)生的授課過程中往往不容易取得良好的教學(xué)效果，所以本篇文章就針對(duì)教學(xué)過程中容易存在的問題進(jìn)行進(jìn)一步的探討，提出相應(yīng)的改革措施，以供大家參考。
《工程力學(xué)》是工程管理專業(yè)的一門主要的技術(shù)基礎(chǔ)課，在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中起著承上啟下的重要作用，其任務(wù)是使學(xué)生具備解決工程實(shí)際問題所需的基礎(chǔ)知識(shí)。本課程涉及到的重要內(nèi)容是研究物體的受力分析、平衡規(guī)律和各類構(gòu)件承載力（強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性方面）的分析方法、計(jì)算理論；研究桿系結(jié)構(gòu)的組成與受力特點(diǎn)，及求解桿系結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的方法，其教學(xué)內(nèi)容里包含了很多力學(xué)理論推導(dǎo)和計(jì)算過程，這些知識(shí)在傳授給工程管理專業(yè)學(xué)生的過程中，他們通常覺得接受起來比較有難度，所以根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工程管理專業(yè)《工程力學(xué)》課程進(jìn)行一定的教學(xué)改革探討是非常有必要的。
1工程管理專業(yè)對(duì)《工程力學(xué)》課程的特殊要求
工程管理專業(yè)的力學(xué)課程與工民建專業(yè)的力學(xué)課程有很大的不同。工民建專業(yè)的力學(xué)課程將《理論力學(xué)》、《材料力學(xué)》、《結(jié)構(gòu)力學(xué)》分為三大課程分別講授，將每種力學(xué)理論的推導(dǎo)原理和計(jì)算過程都講解的非常詳細(xì)，對(duì)學(xué)生掌握程度的要求也比較高，因?yàn)楣っ窠ǖ膶W(xué)生未來很多要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，力學(xué)知識(shí)對(duì)于結(jié)構(gòu)安全性的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。而工程管理專業(yè)和工民建專業(yè)的學(xué)生未來從事工作的性質(zhì)有很大不同，他們未來的工作可能從事項(xiàng)目的管理工作，或者監(jiān)理的工作，也可能從事工程造價(jià)的工作，而力學(xué)知識(shí)在這些工作中的應(yīng)用不會(huì)像在專業(yè)設(shè)計(jì)工作中那么多。所以，工程管理專業(yè)的學(xué)生對(duì)于工程力學(xué)知識(shí)的要求也必然和工民建的學(xué)生有所不同，如果按照同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行教學(xué)，勢(shì)必會(huì)影響針對(duì)工程管理學(xué)生的教學(xué)效果。目前，大多數(shù)工程管理專業(yè)的力學(xué)課程僅設(shè)置一門《工程力學(xué)》（授課學(xué)時(shí)為64-80），并在這一門課程中貫穿了理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)這三大力學(xué)的理論計(jì)算知識(shí)，如何在這么短的時(shí)間內(nèi)將三大力學(xué)的理論計(jì)算知識(shí)有效的傳遞給學(xué)生，是一個(gè)值得思考的問題。
另外，在從事工程管理專業(yè)《工程力學(xué)》課程教學(xué)工作的過程中，我發(fā)現(xiàn)學(xué)生們對(duì)于本門課程的重視程度不足，這就直接影響了學(xué)生們對(duì)于本課程的接受程度。工程管理專業(yè)的學(xué)生常常會(huì)覺得力學(xué)課程在未來的工作中應(yīng)用不多，沒必要學(xué)，所以在學(xué)習(xí)的過程中往往不愿意動(dòng)腦筋去領(lǐng)會(huì)復(fù)雜的力學(xué)理論原理，僅僅是為了應(yīng)付考試而對(duì)步驟進(jìn)行簡(jiǎn)單的死記硬背，這就使得本門課程的教學(xué)效果大打折扣，如何選擇更有用的教學(xué)內(nèi)容調(diào)動(dòng)學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性也是一個(gè)很重要的問題。
2工程管理專業(yè)《工程力學(xué)》課程的改革建議
2.1教學(xué)目標(biāo)的調(diào)整課程教學(xué)的目標(biāo)決定課程的教學(xué)方向，如果力學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)定得過于側(cè)重力學(xué)理論原理的講解，則對(duì)于工程管理專業(yè)學(xué)生的針對(duì)性不足，畢竟他們將來主要從事生產(chǎn)第一線的施工、安裝、管理、設(shè)備維護(hù)等技術(shù)工作，對(duì)于他們而言，真正涉及到力學(xué)計(jì)算的地方可能不多。所以我們?cè)诖_定教學(xué)目標(biāo)的時(shí)候要“弱化理論分析”，轉(zhuǎn)而側(cè)重講述力學(xué)知識(shí)的應(yīng)用，讓工程管理專業(yè)的學(xué)生能很快地理解掌握力學(xué)知識(shí)在建筑結(jié)構(gòu)方面是如何應(yīng)用的，這能夠增加力學(xué)課程對(duì)于工程管理專業(yè)學(xué)生的針對(duì)性。另一方面，由于力學(xué)課程的特殊性，除了教學(xué)方向上制定的目標(biāo)外，還應(yīng)該更加側(cè)重對(duì)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，通過力學(xué)體系、授課案例的合理設(shè)置，增強(qiáng)學(xué)生的邏輯分析能力和嚴(yán)密的思維，有助于將來更好的從事工程管理工作。 轉(zhuǎn)貼于
2.2教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整
2.2.1圍繞主線精選教學(xué)內(nèi)容以研究結(jié)構(gòu)體系的力平衡和變形協(xié)調(diào)以及二者之間的物理關(guān)系為主線，貫穿全書，建立對(duì)工程力學(xué)的整體認(rèn)識(shí)。在理論力學(xué)部分通過重點(diǎn)講解平面力系給出力學(xué)平衡的知識(shí)，并進(jìn)一步引申到空間力系，讓學(xué)生對(duì)于力學(xué)平衡有整體系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)；在材料力學(xué)部分通過重點(diǎn)講解結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和應(yīng)力給出內(nèi)力和變形的知識(shí)，并且進(jìn)一步灌輸內(nèi)力和變形在強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性中的應(yīng)用；在結(jié)構(gòu)力學(xué)部分通過重點(diǎn)講解力法和位移法的內(nèi)容深入理解力平衡和變形協(xié)調(diào)的物理關(guān)系在結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)用。按此教學(xué)線路去均衡的安排教學(xué)時(shí)數(shù)，適當(dāng)刪減不必要的理論內(nèi)容，側(cè)重內(nèi)容的應(yīng)用性[1]。
2.2.2教學(xué)內(nèi)容結(jié)合工程結(jié)構(gòu)分析從工程的角度講，力學(xué)知識(shí)如果完全脫離了工程結(jié)構(gòu)和施工去講解，則失去了它的實(shí)用價(jià)值，工程管理的學(xué)生日后經(jīng)常要和房屋的搭建以及相關(guān)的施工器械打交道，教學(xué)的內(nèi)容多結(jié)合結(jié)構(gòu)骨架和施工機(jī)械會(huì)起到非常良好的效果。比如談到鉸接和剛接的問題時(shí)，可以聯(lián)系到工廠的承重體系，并且涉及到承重體系基礎(chǔ)的問題，通過分析不同廠房承重體系基礎(chǔ)形式的不同，讓大家了解鉸接和剛接的區(qū)別，進(jìn)一步了解排架和剛架承重體系的區(qū)別。這樣，學(xué)生就不會(huì)認(rèn)為學(xué)習(xí)力學(xué)是沒有的，就會(huì)感覺到力學(xué)和大家從事的行業(yè)有著緊密的關(guān)系[2]。
2.2.3教學(xué)內(nèi)容結(jié)合施工分析在教學(xué)內(nèi)容中結(jié)合學(xué)生在工地上的上所見所聞，專業(yè)思想教育和職業(yè)道德進(jìn)行滲透，以培養(yǎng)高素質(zhì)的工程技術(shù)人員。比如受力分析中的彎矩問題可以聯(lián)系到塔架結(jié)構(gòu)或者吊車的平衡分析，當(dāng)學(xué)生初到工地看到塔吊的時(shí)候，肯定也會(huì)疑問為什么高處的吊車臂除了吊需要的結(jié)構(gòu)材料以外，還有一些吊塊懸于空中，那么可以通過力學(xué)知識(shí)給大家提供解釋，告訴大家吊車可以通過該變平衡重的重量來控制吊車的載重，以免吊車翻轉(zhuǎn)。如果把這樣的問題放到講解彎矩內(nèi)容的過程中，會(huì)增加學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。
2.3工程管理專業(yè)《工程力學(xué)》課程教學(xué)方法的改進(jìn)工程管理學(xué)生《工程力學(xué)》的教學(xué)不能單一的側(cè)重理論講解過程，而應(yīng)采取靈活的教學(xué)方法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。
2.3.1精講多練由于工程力學(xué)要在比較少的學(xué)時(shí)里給大家交代三大力學(xué)的內(nèi)容，所以要非常精的選擇教學(xué)內(nèi)容、案例和作業(yè)，并且課上多練習(xí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)糾正學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在的問題。比如，我在多年的授課過程中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，就是老師講的再多學(xué)生不練習(xí)也仍舊不會(huì)，尤其是力學(xué)這門課程，學(xué)生們普遍認(rèn)為是非常難學(xué)的課程，這樣就更需要加大練習(xí)的力度。在課堂時(shí)間的安排上要更多的安排學(xué)生練習(xí)的時(shí)間，讓學(xué)生當(dāng)堂到黑板上做題，老師會(huì)在這個(gè)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)方面存在的問題，有針對(duì)性地解決學(xué)生學(xué)習(xí)中的不足之處，教學(xué)效果會(huì)更好。
2.3.2啟發(fā)思考力學(xué)課程很重要的一方面目標(biāo)就是要培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，所以教師要經(jīng)常通過提問讓大家思考，并鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，養(yǎng)成善于思考的習(xí)慣。教師可以通過給學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H工程等例子，逐步引導(dǎo)大家思考，引出重要的概念和理論；通過比較不同的例子，讓大家思考理論之間的關(guān)聯(lián)性；通過總結(jié)讓大家更清晰的看到問題的本質(zhì)。比如，在講授如何繪制梁的內(nèi)力圖時(shí)，可以拿出一個(gè)作用有分布荷載和彎矩作用的簡(jiǎn)支梁，讓大家分別用列方程法、簡(jiǎn)易規(guī)律法和疊加法繪制彎矩圖，這樣在解答這道題的過程中，不僅復(fù)習(xí)了求解支座反力的知識(shí)，而且將繪制彎矩圖的幾種方法對(duì)比的應(yīng)用到一個(gè)案例，讓大家不僅對(duì)這部分知識(shí)記憶深刻，而且理解認(rèn)識(shí)也會(huì)更深一層?？傊ㄟ^一系列的啟發(fā)教學(xué)，培養(yǎng)大家的思考能力、聯(lián)想能力、歸納能力，甚至發(fā)散思維等等[3]。
2.3.3課堂討論課堂討論往往是英語等課程常用的教學(xué)手段，在力學(xué)課程當(dāng)中很少有應(yīng)用，可是通常的力學(xué)課特別容易讓人感覺沉悶，所以可以考慮把這種靈活的教學(xué)手法應(yīng)用到力學(xué)的教學(xué)中。拿出一個(gè)案例讓大家討論可以用什么樣的力學(xué)理論去解答，或者拿出一個(gè)案例讓大家討論可以用幾種力學(xué)方法解答，這些討論案例的設(shè)置不僅會(huì)增加學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，而且會(huì)讓學(xué)生們對(duì)于所學(xué)的內(nèi)容印象非常深刻。
工程力學(xué)課程是后續(xù)課程的重要基礎(chǔ)課程之一，為將來的結(jié)構(gòu)課程和施工課程的學(xué)習(xí)打下了重要知識(shí)基礎(chǔ)，教學(xué)中進(jìn)行了上述教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、方法的改革研究和實(shí)踐操作，必定能大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生們對(duì)于工程結(jié)構(gòu)和施工具有一定的初步了解，激發(fā)他們對(duì)工程方面知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，并能把力學(xué)知識(shí)用到實(shí)處，培養(yǎng)出新時(shí)代的復(fù)合型人才。
參考文獻(xiàn)
[1]王秀華.“工程力學(xué)”課程教學(xué)的探討[J]考試周刊，2007，(50)
第8篇：剛架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文范文
關(guān)鍵詞：鋼框架震害節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)襯板
1．前言
1994年1月17日發(fā)生在美國(guó)加州圣費(fèi)南多谷地的北嶺地震（NorthridgeEarthquake）和正好一年后1995年1月17日發(fā)生在日本兵庫(kù)縣南部地區(qū)的阪神地震(Hyogoken-NanbuEarthquake)是兩次陸域型強(qiáng)震，都導(dǎo)致了焊接鋼框架梁-柱附性連接節(jié)點(diǎn)的廣泛破壞。震后兩國(guó)進(jìn)行了大量的調(diào)查和研究，揭示了破壞的原因，在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的技術(shù)措施。兩國(guó)在此期間都發(fā)表了不少論文，所作的討論開拓了人們的眼界，提供了對(duì)鋼框架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的更多了解，對(duì)今后鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有深遠(yuǎn)的影響。我們受中國(guó)建筑科學(xué)研究院抗震所委托，對(duì)有關(guān)資料進(jìn)行了搜集、整理和歸納，現(xiàn)將其主要內(nèi)容在此作一介紹。
2．美日兩國(guó)鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞情況
兩國(guó)鋼框架破壞情況的報(bào)導(dǎo)，主要集中在梁柱混合連接節(jié)點(diǎn)上，因此本文也以梁柱混合連接為主要對(duì)象。混合連接是一種現(xiàn)場(chǎng)連接，其中梁翼緣與柱用全熔透坡口對(duì)接焊縫連接，梁腹板通過連接板與柱用高強(qiáng)度螺栓連接。美國(guó)慣常采用焊接工字形柱，日本則廣泛采用箱形柱，僅在一個(gè)方向組成剛架時(shí)采用工字形柱。在梁翼緣連接處，工字形柱腹板上要設(shè)置加勁肋(美國(guó)稱為連續(xù)板)，在箱形柱中則要設(shè)置隔板。
美、日兩國(guó)梁杠混合連接節(jié)點(diǎn)的典型構(gòu)造。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上，兩國(guó)都采用彎矩由翼緣連接承受和剪力由腹板連接承受的設(shè)計(jì)方法，美國(guó)還規(guī)定，當(dāng)梁翼緣承受的彎矩小于截面總彎矩的70％或梁腹板承受的彎矩大于截面總彎矩的30％時(shí)，要將梁腹板與連接板的角部用角焊縫焊接。日本則規(guī)定腹板螺栓連接應(yīng)按保有耐力即框架達(dá)到塑性階段時(shí)的承載力設(shè)計(jì)，螺栓應(yīng)設(shè)置2-3列，也是為了考慮腹板可能承受的的彎矩。梁翼緣處的柱加勁肋，美國(guó)過去根據(jù)傳力的需要由計(jì)算確定，其截面較小。日本根據(jù)構(gòu)造要求采用，其截面較大。
2.1美國(guó)北嶺地震后對(duì)剛框架節(jié)點(diǎn)破壞的調(diào)查
從70年代以來，美國(guó)采用高強(qiáng)螺栓聯(lián)接鋼框架已很普遍，北嶺地震后出現(xiàn)破壞的有100多幢[3](有的報(bào)導(dǎo)說90多幢[7]、150多幢[1]或200多幢[5])。為了弄清破壞的原因，北嶺地震后不久，在美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理局(FEMA)資肋下，有加州結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)(SEAOC)、應(yīng)用技術(shù)研究會(huì)(ATC)和加州一些大學(xué)的地震工程研究單位(CU)等組成了被稱為SAC和聯(lián)合動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)此開展了深入調(diào)查和研究，以便弄清破壞原因和提出改進(jìn)措施。
美國(guó)的鋼框架梁-柱連接，在50年代多采用鉚釘連接，60年代逐步改用高強(qiáng)度螺栓連接。為了評(píng)估栓焊混合連接的有效性，曾進(jìn)行過一系列試驗(yàn)，這種由翼緣焊縫抗彎和腹板螺栓連接抗剪的節(jié)點(diǎn)，美國(guó)以前規(guī)定其塑性轉(zhuǎn)角應(yīng)達(dá)到O．015rad(≈1／65)，但大量試驗(yàn)表明，塑性轉(zhuǎn)角的試驗(yàn)結(jié)果很離散，且出現(xiàn)了早期破壞，總的說來性能很不穩(wěn)定。北嶺地震前，德州大學(xué)教授Engelhardt就曾對(duì)這種連接在大震時(shí)的性能產(chǎn)生疑問，指出在大震時(shí)要密切注意，對(duì)它的的設(shè)計(jì)方法和連接構(gòu)造要進(jìn)行改進(jìn)[7]。
北嶺地震證實(shí)了這一疑慮，為此SAC通過柏克萊加州大學(xué)地震工程研究中心(EERC)等4個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地，進(jìn)行了以了解震前節(jié)點(diǎn)的變形響應(yīng)和修復(fù)性能為目的的足尺試驗(yàn)和改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。對(duì)北嶺地震前通常做法的節(jié)點(diǎn)及破壞后重新修復(fù)節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)表明全部試驗(yàn)都觀察到了與現(xiàn)場(chǎng)裂縫類似的早期裂縫，試驗(yàn)的特性曲線亦與以前的試驗(yàn)結(jié)果相同，梁的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力平均為0.05弧度，是SAC經(jīng)過研究后確定的目標(biāo)值0．03弧度的1／6，說明北嶺地震前鋼框架節(jié)點(diǎn)連接性能很差，這與地震中的連接破壞是吻合的。而且破壞前沒有看到或很少看到有延性表現(xiàn)，與設(shè)想能發(fā)展很大延性e6鋼框架設(shè)計(jì)意圖是違背的。焊接鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞，主要發(fā)生在梁的下翼緣，而且一般是由焊縫根部萌生的脆性破壞裂紋引起的。裂紋擴(kuò)展的途徑是多樣的，由焊根進(jìn)入母材或熱影響區(qū)。一旦翼緣壞了，由螺栓或焊縫連接的剪力連接板往往被拉開，沿連接線由下向上擴(kuò)展。最具潛在危險(xiǎn)的是由焊縫根部通過柱翼緣和腹板擴(kuò)展的斷裂裂縫。
從破壞的程度看，可見裂縫約占20-30％，大量的是用超聲波探傷等方法才能發(fā)現(xiàn)的不可見裂紋。裂紋在上翼緣和下翼緣之間出現(xiàn)的比例為1：5-1：20，在焊縫和母材上出現(xiàn)的比例約為1：10到1：100。一般認(rèn)為，混凝土樓板的組合作用減小了上翼緣的破壞，也有人認(rèn)為上翼緣焊縫根部不象下翼緣那樣位于梁的最外側(cè)，因此焊根中引起的應(yīng)力較低，減少了上翼緣破壞的概率[1]。
美國(guó)斯坦福大學(xué)Krawinkler教授對(duì)北嶺地震中幾種主要連接破壞形式作了歸納，由下翼緣焊縫根部開始出現(xiàn)的這樣或那樣的破壞，最多的是沿焊縫金屬的邊緣破壞，另有沿柱翼緣表面附近裂開的剝離破壞，也有沿腹板板切角端部開始的梁翼緣斷裂破壞，或從柱翼緣穿透柱腹板的斷裂破壞。
北嶺地震雖然沒有使鋼框架房屋倒塌，也沒有因鋼框架節(jié)點(diǎn)破壞引起人身傷亡，但使業(yè)主和保險(xiǎn)公司支付了大量的修復(fù)費(fèi)用。僅就檢查費(fèi)用而言，不需挪動(dòng)石棉時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)800-1000美元，需挪動(dòng)石棉時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)1000-2000美元，對(duì)于有石膏抹灰和吊頂?shù)母呒?jí)住宅，每個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)2000-5000美元，修復(fù)費(fèi)用更高211。更重要的當(dāng)然是對(duì)過去長(zhǎng)期沿用的節(jié)點(diǎn)在抗震中的安全問題提出了疑問，必須認(rèn)真研究和解決。
2．2日本販神地震后對(duì)鋼框架節(jié)點(diǎn)破壞的調(diào)查
阪神地震后，日本建設(shè)省建筑研究所成立了地震對(duì)策本部，組織了各方面人士多次參加的建筑應(yīng)急危險(xiǎn)度和震害的調(diào)查，民間有關(guān)團(tuán)體也開展了各類領(lǐng)域的震害調(diào)查，但因鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)于其它結(jié)構(gòu)的震害較少，除新發(fā)現(xiàn)了鋼柱脆斷或柱腳拔起外，鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞主要表現(xiàn)在扇形切角(scallop)工藝孔部位，但因結(jié)構(gòu)體被內(nèi)外裝修所隱蔽，一般業(yè)主、設(shè)計(jì)或施工人員對(duì)此震害調(diào)查不太積極，對(duì)鋼框架系統(tǒng)震害的調(diào)查遇到一定困難。僅管如此，日本學(xué)者還是就腹板切角工藝孔方面的問題進(jìn)行了探索，如日本建筑學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)連接委員會(huì)和鋼材俱樂部等單位，專就工藝孔破壞狀態(tài)等問題作了系統(tǒng)深入的研究。
日本對(duì)于混合連接的研究，早在1978年以后的石油危機(jī)中，就曾利用建筑處于低潮機(jī)會(huì)結(jié)合自屏蔽電弧焊的出現(xiàn)和應(yīng)用，系統(tǒng)地開展過。進(jìn)入90年代后，隨著高層、超高層和大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的增多，梁柱截面增大，若采用過去的梁懸臂段形式，由于運(yùn)輸尺寸上的限制，懸臂長(zhǎng)度大致不能超過1m；另一方面，由于梁翼緣板厚增大，拼接螺栓增多，結(jié)果梁端至最近螺栓的距離只有500mm左右，截面受到很大削弱，對(duì)保證梁端塑性變形很不利。這樣，在大型鋼結(jié)構(gòu)工程中，現(xiàn)在較多采用梁與柱的混合連接。圖1是采用箱形柱時(shí)的混合連接示意圖梁翼緣與箱形柱隔板直接焊接[7]。
日本在美國(guó)北嶺地震前不久，曾對(duì)此種連接進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，梁端翼緣焊縫處的破壞幾乎都是在梁下翼緣從扇形切角工藝孔端開始的，沒有看到象在美國(guó)試驗(yàn)中和地震中出現(xiàn)的沿焊縫金屬及其邊緣破壞的情況，通過試驗(yàn)和版神地震觀察到的梁端工藝孔處的裂縫發(fā)展情況。
日本鋼材俱樂部研究了扇形切角工藝孔帶襯板及底部有焊縫的兩種節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。
美、日兩國(guó)鋼框架在地震中的梁柱節(jié)點(diǎn)破壞形式是有區(qū)別的，北嶺地震中的裂縫多向柱段范圍擴(kuò)展，而阪神地震中的裂縫則多向梁段范圍發(fā)展。對(duì)兩國(guó)節(jié)點(diǎn)破壞情況的這種差異與其與構(gòu)造差異的關(guān)系，還有待進(jìn)一步探討。
3．節(jié)點(diǎn)破壞原因與分析
北嶺地震后，美日兩國(guó)學(xué)者就節(jié)點(diǎn)破壞原因，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、有限元分析、斷裂力學(xué)分析等，還作了很多補(bǔ)充試驗(yàn)，結(jié)合震前研究，對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞原因提出了一些看法。首先認(rèn)為節(jié)點(diǎn)破壞與加勁板、補(bǔ)強(qiáng)板腹板附加焊縫等的變動(dòng)，并沒有什么直接關(guān)系，也并不是僅由設(shè)計(jì)或施工不良所能說明的，而是應(yīng)從節(jié)點(diǎn)本身存在根本性缺陷方面去找原因。有以下幾方面因素，被認(rèn)為是決定和和影響節(jié)點(diǎn)性能而導(dǎo)致了破壞。
3．1焊縫金屬?zèng)_擊韌性低[3]
美國(guó)北嶺地震前，焊縫多采用E70T-4或E70T-7自屏蔽藥芯焊條施焊，這種焊條提供的最小抗拉強(qiáng)度480MPa，恰帕沖擊韌性無規(guī)定，試驗(yàn)室試件和從實(shí)際破壞的結(jié)構(gòu)中取出的連接試件在室溫下的試驗(yàn)表明，其沖擊韌性往往只有10-15J，這樣低的沖擊韌性使得連接很易產(chǎn)生脆性破壞，成為引發(fā)節(jié)點(diǎn)破壞的重要因素。在北嶺地震后不久所作的大型驗(yàn)證性試驗(yàn)，對(duì)焊縫進(jìn)行十分仔細(xì)的操作，做到了確保焊接質(zhì)量，排除了焊接操作產(chǎn)生的影響。焊縫采用E70T-4型低韌性焊條，盡管焊接操作的質(zhì)量很高，連接還是出現(xiàn)了早期破壞，從而證明了焊接縫金屬?zèng)_擊韌性低,是焊接破壞的因素之一。
3．2焊縫存在的缺陷[3]
對(duì)破壞的連接所作調(diào)查表明，焊接質(zhì)量往往很差，很多缺陷可以看出明顯違背了規(guī)范規(guī)定的焊接質(zhì)量要求，不但焊接操作有問題，焊縫檢查也有問題。很多缺陷說明，裂縫萌生在下翼緣焊縫中腹板的焊條通過孔附近，該處的下翼緣焊縫是中斷的，使缺陷更為明顯。該部位進(jìn)行超聲波檢查也比較困難，因?yàn)榱焊拱宸恋K探頭的設(shè)置。因此，主要的連接焊縫中由于施焊困難和探傷困難出現(xiàn)了質(zhì)量極差的部位。上冀緣焊縫的施焊和探傷不存在梁腹板妨礙的問題，因此可以認(rèn)為是上翼緣焊縫破壞較少的原因之一。
3．3坡口焊縫處的襯板和引弧板造成人工縫[4]
實(shí)際工程中，往往焊接后將焊接襯板留在原處，這種做法已經(jīng)表明，對(duì)連接的破壞具有重要影響。在加州大學(xué)進(jìn)行的試驗(yàn)表明，襯板與柱翼緣之間形成一條未熔化的垂直界面，相當(dāng)于一條人工縫，在梁翼緣的拉力作用下會(huì)使該裂縫擴(kuò)大，引起脆性破壞。其它人員的研究也得出相同結(jié)果。
1995年加州大學(xué)Popov等所作的試驗(yàn)，再現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的脆性破壞，破裂的速度很高，事前并無延性表現(xiàn)，因此破壞是災(zāi)難性的。研究指出,受拉時(shí)切口部位應(yīng)力最大，破壞是三軸應(yīng)力引起的，表現(xiàn)為脆性破壞，外觀無屈服。他們還通過有限元模擬計(jì)算，得出最大應(yīng)力集中系數(shù)出現(xiàn)在梁緣焊接襯板連接處中部，破壞時(shí)裂縫將從應(yīng)力集中系數(shù)最大的地方開始,此一結(jié)論已為試驗(yàn)所證實(shí)。研究表明：大多數(shù)節(jié)點(diǎn)破壞都起源于下部襯板處。引弧板同樣也會(huì)引發(fā)裂縫。
3.4梁翼緣坡口焊縫出現(xiàn)的超應(yīng)力[3]
北嶺地震后對(duì)震前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的分析表明，當(dāng)梁發(fā)展到塑性彎矩時(shí),梁下翼緣坡口焊縫處會(huì)出現(xiàn)超高應(yīng)力。超應(yīng)力的出現(xiàn)因素有：當(dāng)螺栓連接的腹板不足以參加彎矩傳遞時(shí)，柱翼緣受彎導(dǎo)致梁翼緣中段存在著較大的集中應(yīng)力；在供焊條通過的焊接工藝孔處，存著附加集中應(yīng)力；據(jù)觀察，有一大部分剪力實(shí)際是由翼緣焊縫傳遞，而不是象通常設(shè)計(jì)假設(shè)的那樣由腹板的連接傳遞。梁翼緣坡口焊縫的應(yīng)力很高，很可能對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞起了不利影響。Popov[4]采用8節(jié)點(diǎn)塊體單元有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布的最高應(yīng)力點(diǎn)，是在梁的翼緣焊縫處和節(jié)點(diǎn)板域，節(jié)點(diǎn)板域的屈服從中心開始，然后向四周擴(kuò)散。嶺前進(jìn)行的大量試驗(yàn)表明,當(dāng)焊縫不出現(xiàn)裂紋時(shí)，節(jié)點(diǎn)受力情況也常常不能滿足坡口焊縫近處梁翼緣母材不出現(xiàn)超應(yīng)力的要求。日本利用震前帶有工藝孔的節(jié)點(diǎn)，在試驗(yàn)荷載下由應(yīng)變儀測(cè)得的工藝孔端點(diǎn)翼緣內(nèi)外的應(yīng)變分布，應(yīng)變集中傾向出現(xiàn)在翼緣外側(cè)端部，內(nèi)側(cè)則在工藝孔端部，最大應(yīng)變發(fā)生在工藝孔端點(diǎn)位置上.應(yīng)變集中的原因,不僅大于工藝孔造成的不連續(xù)性，還在于工藝孔部分梁腹板負(fù)擔(dān)的一部分剪力由翼緣去承擔(dān)了，使翼緣和柱隔板上產(chǎn)生了二階彎曲應(yīng)力。這些試驗(yàn)與分析均指出，今后對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的改進(jìn)，不僅應(yīng)改善焊縫，而且還應(yīng)降低梁翼緣坡口焊縫處的應(yīng)力水平。
3．5其它因素[3]
有很多其它因素也被認(rèn)為對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞產(chǎn)生潛在影響，包括：梁的屈服應(yīng)力比規(guī)定的最小值高出很多；柱翼緣板在厚度方向的抗拉強(qiáng)度和延性不確定；柱節(jié)點(diǎn)域過大的剪切屈服和變形產(chǎn)生不利影響；組合樓板產(chǎn)生負(fù)面影響。這些影響因素可能還需要一定時(shí)間進(jìn)行爭(zhēng)論,才能弄清楚。
4．改進(jìn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的途徑
4．1將塑性鉸的位置外移[2][3][4]
在北嶺地震之前，美國(guó)UBC和NEHRP兩本法規(guī)對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的規(guī)定，都是根據(jù)在柱面產(chǎn)生塑性鉸的假定提出的。由于在北嶺地震中發(fā)現(xiàn)梁在柱面并沒有產(chǎn)生塑性變性，卻出現(xiàn)了裂縫。切口處的破壞是由三軸應(yīng)力引起的，從而導(dǎo)致了脆性破壞。過去采用的焊接鋼框架節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造，不能提供可靠的非彈性變形。試驗(yàn)表明，其節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力不超過O．005rad，大大小于SAC建議的最小塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力0．03rad。另一方面，從受力情況看，塑性鉸出現(xiàn)在柱面附近的梁上，還可能在柱翼緣的材料中引起很大的厚度方向應(yīng)變，并對(duì)焊縫金屬及其周圍的熱影響區(qū)提出較高的塑性變形要求，這些情況也可能導(dǎo)致脆性破壞。因此，為了取得可靠的性能，最好還是將梁柱連接在構(gòu)造上使塑性鉸外移。將塑性位置從柱面外移有兩種方法，一種是將節(jié)點(diǎn)部位局部加強(qiáng)，一種是在離開柱面一定距離處將梁截面局部削弱。鋼梁中的塑性鉸典型長(zhǎng)度約為梁高的一半，當(dāng)對(duì)節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)時(shí)，可取塑性鉸位置為距加強(qiáng)部分的邊緣處梁高的1／3。節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)固然也可使塑性鉸外移，但應(yīng)十分注意不要因此出現(xiàn)弱柱，有背強(qiáng)柱弱梁的原則。
也有一部分專業(yè)技術(shù)人員認(rèn)為，在構(gòu)造上采取某些措施仍可使塑性鉸出現(xiàn)在柱面附近，這些措施包括限制構(gòu)件的截面，控制梁柱鋼材的有關(guān)強(qiáng)度，使母材和焊縫金屬有足夠的沖擊韌性，在節(jié)點(diǎn)構(gòu)件上消除缺口效應(yīng)等。但是由于沒有足夠的研究來肯定這些建議，使得這種建議在美國(guó)遲遲未能落實(shí)。而將塑性鉸自柱面外移的建議，試驗(yàn)已表明是可行的和行之有效的。目前，美國(guó)對(duì)節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)及梁截面減弱，都已提出了若干構(gòu)造方案。實(shí)際上，將梁截面減弱使塑性鉸外移的方法，早在北嶺地震以前即有學(xué)者提出過，北嶺地震后又作了研究，在技術(shù)上己較成熟[4]，從近期在美國(guó)鹽湖城建造的25層辦公樓中采用的犬骨式(dog-bone)連接，就可以看到它的構(gòu)造細(xì)節(jié)。目前，美國(guó)雖未提出今后在抗震框架中推薦采用何種節(jié)點(diǎn)形式，但從實(shí)際情況看，上述犬骨式連接已成為主導(dǎo)形式[3]。因它制作方便、省工，由美國(guó)公司設(shè)計(jì)的我國(guó)天津國(guó)貿(mào)大廈鋼框架中也已采用了這種節(jié)點(diǎn)形式。
日本阪神地震后，沒有象美國(guó)采用將塑性鉸外移的方案。日本1996年發(fā)表的《鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)指針》和1997年發(fā)表的《鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)指針》JASS6等，僅提出了鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造改進(jìn)形式，對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造特別是扇形切角工藝孔作了不少規(guī)定，目的也是消除可能出現(xiàn)的裂縫，保證結(jié)構(gòu)的非彈性變形。也就是說，日本與美國(guó)分別采用了不同的避免脆性破壞的途徑。
4.2梁冀緣焊縫襯板缺口效應(yīng)的處理[11][6]
在北嶺地震前，美國(guó)鋼框架節(jié)點(diǎn)施工中，通常將襯板和引弧板焊接后留在原處，這種做法，如前所述存在缺口效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致開裂，現(xiàn)在則在焊后將下翼緣的襯板和引弧板割除，同時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行檢查[11]。正如前面曾指出的，在下翼緣的焊縫中部由于焊條通過切角困難，焊接和探傷操作都要被迫中斷，通常存在缺陷，割除襯板后可以目視觀察，從而減少在此部位不易查看到的裂紋。襯板和引弧板可用氣刨割除后再清根補(bǔ)焊，但費(fèi)用較高，操作不慎還可能傷及母材。研究表明，襯板也可不去除，而將襯板底面邊緣與柱焊接，缺點(diǎn)是無法象去除襯板后能對(duì)焊縫進(jìn)行仔細(xì)檢查。
由于上翼緣焊縫處襯板的缺口效應(yīng)不嚴(yán)重，而且它對(duì)焊接和超探也沒有妨礙，出于費(fèi)用考慮，割除上翼緣襯板可能不合算，如果將上翼緣襯板邊緣用焊縫封閉，試驗(yàn)表明并無利影響，因此美國(guó)現(xiàn)時(shí)做法是上翼緣襯板仍然保留并用焊縫封口。
坡口焊縫的引弧板，在上下翼緣處通常都切除，因?yàn)橐『蜏缁√幫ǔ６加泻芏嗳庇脷馇星谐筮€需打磨，才能消除潛在的裂縫源。
在消除襯板的缺口效應(yīng)方面，日本是非常重視的。在阪神地震后發(fā)表的技術(shù)規(guī)定中,對(duì)采用H型鋼梁、組合梁，以及采用組合梁時(shí)梁預(yù)先焊接或與襯板同時(shí)裝配，不論是否切角，均采用襯板，對(duì)其構(gòu)造包括引弧板，分別作了詳細(xì)規(guī)定。
4．3扇形切角構(gòu)造的改進(jìn)[8][9]
在日本阪神大地震中，由于扇形切角工藝孔的端部起點(diǎn)存在產(chǎn)生裂縫的危險(xiǎn)，是否設(shè)置形切角以及如何設(shè)置，已成為關(guān)系到抗震安全的一項(xiàng)重要問題。日本震后發(fā)表的技術(shù)規(guī)范中，對(duì)扇形切角的設(shè)置也提出一系列規(guī)定，包括不開扇形切角和開扇形切角兩大類，并規(guī)定扇形切角可采用不同形狀；對(duì)于柱貫通形和梁貫通形節(jié)點(diǎn)分別規(guī)定了不同的構(gòu)造形式。柱貫通型節(jié)點(diǎn)的扇形切角形式有兩種，其特點(diǎn)是將扇形切角端部與梁翼緣連接處圓弧半徑減小，以便減少應(yīng)力集中。日本早就研究不設(shè)扇形切角以提高梁變形能力的方案，在最近公布的技術(shù)規(guī)定中，根據(jù)目前的焊接技術(shù)水平已將此種方案付諸實(shí)施[8][9]。
4．4選用有較高沖擊韌性的焊縫[2][6]
如前所述，焊縫沖擊韌性不足會(huì)引起節(jié)點(diǎn)破壞。那么焊縫究竟要有多大的沖擊韌性才能防止裂紋出現(xiàn)呢?美國(guó)提出，焊縫的恰帕沖擊韌性(CVN)最小值取-29℃時(shí)27J(相當(dāng)于-200F時(shí)20ft-1bs)是合適的，可以發(fā)展成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。在最近美國(guó)的實(shí)際工程中，采用E71T-8型和E70TG-K2型焊條的普通手工焊電弧焊已表明焊縫最小沖擊韌性可滿足上述要求，而采用E7018型藥芯焊條的''''貼緊焊''''焊縫沖擊韌性值更高，但都必須按AWS規(guī)定的焊接和探傷方法操作。
4．5將梁腹板與柱焊接[3]
美國(guó)SAC在采用犬骨式連接時(shí)建議：將以往的腹板栓接改為焊接，用全熔透坡口焊縫將梁腹板直接焊在柱上或通過較厚連接板焊接。在北嶺地震前，就已有很多研究指出腹板焊接比栓接性能好，它能更好地傳力，從而減小梁冀緣和翼緣坡口焊縫的應(yīng)力。日本在阪神地震前的研究也已指出，梁端腹板用高強(qiáng)度螺栓連接時(shí)，與焊接相比抗彎能力變小，塑性變形能力有明顯差異，但在日本新規(guī)定中尚未看到與美國(guó)提出的相類似的要求。
5.美、日節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的比較、根據(jù)美、日鋼框架梁-柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及震后的改進(jìn)情況，可以看到下列差異：
1)美國(guó)認(rèn)為梁端不能產(chǎn)生塑性變形，采取了將塑性鉸外移的基本對(duì)策，提出將節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)或?qū)⒘壕植肯魅醯姆椒?，雖然目前尚無定論，但從實(shí)際發(fā)展情況看，因削弱梁截面的方法省工、效果好，已在某些工程中采用。但日本卻沒有采用將塑性鉸外移的方法，而是采取在原構(gòu)造的基礎(chǔ)上消除裂縫的病灶的方法。
2)兩國(guó)都注意到了梁翼緣坡口焊縫的焊接襯板邊緣存在的缺口效應(yīng)所帶來的嚴(yán)重后果，在北嶺地震和阪神地震后都采取了相應(yīng)對(duì)策。美國(guó)SAC建議，下翼緣焊縫的襯板宜割除，然后清根補(bǔ)焊；考慮上翼緣焊縫缺陷一般較少，受力條件較有利以及費(fèi)用等原因，可對(duì)襯邊緣用焊縫封閉。而日本則對(duì)H型鋼梁和焊接組合梁(包括梁先焊好和梁與襯板同時(shí)裝配兩種情況)以及節(jié)點(diǎn)為柱貫通型或梁貫通型時(shí)襯板的設(shè)置，作了詳細(xì)規(guī)定。
3)美國(guó)在梁腹板端部襯板通過處采用矩形切角(端部呈半圓形)，而不象日本采用圓弧形切角，由于腹板受彎矩較大時(shí)將連接板與腹板焊接，從有關(guān)震害情況報(bào)導(dǎo)看，沒有發(fā)現(xiàn)這種形式的切角引發(fā)多少裂縫。日本為消除梁端扇形切角端部的應(yīng)力集中，作出一系列規(guī)定，包括不作扇形切角、梁腹板用直線切剖不設(shè)扇形切角的方法以及允許采用不同形式的切角等，如在與梁翼緣連接處將曲率半徑變小和采用類似美國(guó)采用的切角形式。
4)美日兩國(guó)都規(guī)定，節(jié)點(diǎn)按翼緣連接受彎矩和腹板連接受剪力的要求設(shè)計(jì)。美國(guó)附加規(guī)定了當(dāng)梁翼緣的受彎承載力小于截面受彎承載力的70％或梁腹板受彎承載力大于截面受彎承載力的30％時(shí)，在柱連接板角部應(yīng)將梁腹板與連接板焊接。日本過去在梁端混合連接中，采用彎矩由翼緣連接承受，剪力由腹板連接承受的設(shè)計(jì)方法，螺栓一般配置一列。在94年的文獻(xiàn)[5]中指出，"現(xiàn)在該處的連接必需滿足保有耐力連接的條件，考慮腹板高強(qiáng)螺栓連接也要部分地承受彎矩，要求布置2列到3列，與以前的連接相比，抗彎承載力儲(chǔ)備提高了，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一個(gè)特點(diǎn)。"這些都是北嶺和阪神地震前的情況，震后基本上沒有改變。只是北嶺地震后，美國(guó)建議將梁腹板直接與柱焊接或與連接板焊接，以便減小梁翼緣焊縫處的焊縫應(yīng)力，日本則尚無此規(guī)定。
5)與梁翼緣對(duì)應(yīng)位置的柱加勁肋(美國(guó)叫做連續(xù)板)，日本一貫規(guī)定應(yīng)比對(duì)應(yīng)的梁翼緣厚度大一級(jí)，認(rèn)為這是關(guān)鍵部位，為此多用一點(diǎn)材料是很值得的。美國(guó)過去根據(jù)傳遞梁翼緣壓力的需要確定，考慮一部分內(nèi)力由柱腹板直接傳遞，加勁肋厚度顯著小于梁翼緣厚度。而且曾有一些設(shè)計(jì)規(guī)定，例如可取厚度等于梁翼緣厚度的一半。有的文獻(xiàn)認(rèn)為，太厚了可能產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，最好用試驗(yàn)確定。北嶺地震中，有些加勁肋屈曲了，有的學(xué)者己提出改為與梁翼緣等厚的建議。
6)美國(guó)強(qiáng)調(diào)焊縫沖擊韌性的重要性，規(guī)定了節(jié)點(diǎn)翼緣焊縫的沖擊韌性指標(biāo)，嚴(yán)格焊接工藝的探傷要求。日本一貫重視焊接質(zhì)量，還沒有看到在這方面有什么新的規(guī)定。
7)美國(guó)認(rèn)為，鋼材屈服點(diǎn)高出標(biāo)準(zhǔn)值較多是鋼框架震害的重要原因之一，這也許在美國(guó)特別突出。美國(guó)鋼材屈服點(diǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)值很多，過去就有報(bào)導(dǎo)，如低碳鋼A36的屈服強(qiáng)度可高達(dá)48ksi，抗拉強(qiáng)度可高達(dá)701Csi，它使連接實(shí)際要求的承載力大大提高，當(dāng)按設(shè)計(jì)不能滿足時(shí)，就要出現(xiàn)破壞。根據(jù)美國(guó)型鋼生產(chǎn)商研究會(huì)所作調(diào)查和建議，AISC于97年規(guī)定將框架連接計(jì)算中的強(qiáng)度增大系數(shù)由過去的1.2提高到1.5(對(duì)A36)和1.3(對(duì)A572)，其它鋼號(hào)仍保留1.2，強(qiáng)柱弱梁條件式中柱的抗彎承載力也作了相應(yīng)提高。
6．我國(guó)采取的對(duì)策
我國(guó)早期的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)基本上都是國(guó)外設(shè)計(jì)的，我國(guó)的設(shè)計(jì)施工規(guī)程是在學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上制訂的。由于日本設(shè)計(jì)的我國(guó)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑較多，我國(guó)的設(shè)計(jì)、制作和安裝人員對(duì)日本的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法比較熟悉，設(shè)計(jì)規(guī)定特別是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，大部分是參照日本規(guī)定適當(dāng)考慮我國(guó)特點(diǎn)制訂的，部分規(guī)定吸收了美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)北嶺地震和日本阪神地震后所發(fā)表的報(bào)導(dǎo)，對(duì)我們有很大啟示，在我國(guó)抗震規(guī)范中對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)擬提出如下建議：
1)將梁截面局部削弱，可以確保塑性鉸外移，這種構(gòu)造具有優(yōu)越的抗震性能。根據(jù)美國(guó)報(bào)導(dǎo)，梁翼緣削弱后可將受彎承載力降至0．8Mp，因鋼材用量要增多，結(jié)合我國(guó)情況作為主要形式推廣將難以接受，可將此方案列入了條文說明，必要時(shí)可參考采用。
2)參考日本新規(guī)定，將混合連接上端扇形切角的上部圓弧半徑改為10-15mm，與半徑35mm的切角相接；同時(shí)，規(guī)定圓弧起點(diǎn)與襯板外側(cè)焊縫間保持10-15mm的間隔，以減小焊接熱影響區(qū)的相互影響。至于日本采用的不開切角以及直通式不設(shè)切角的構(gòu)造，因?yàn)槲覀儧]有經(jīng)驗(yàn)，不敢貿(mào)然采用，有持今后對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證后再作取舍。
3)在消除襯板的缺口效應(yīng)方面，考慮割除襯板弄得不好會(huì)傷及母材，且費(fèi)用較高，故采用角焊縫封閉襯板邊緣的方法。上翼緣襯板影響較小，暫不作處理。下翼緣襯板邊緣建議用6mm角焊縫沿下翼緣全寬封閉。因仰焊施工不便，角焊縫最多只能做到6mm；為了更好地消除缺口效應(yīng)，應(yīng)要求焊沿翼緣全寬滿焊。
4)在翼緣焊接腹板栓接的混合連接中，按照彎矩僅由翼緣連接承受和剪力僅由腹板連接承受的原則設(shè)計(jì)時(shí)，在某些情況下是不安全的，因?yàn)楫?dāng)腹板的截面模量較大時(shí)，腹板要承受一部分彎矩?？拐鹨?guī)范修訂草案除規(guī)定腹板螺栓連接應(yīng)能承受梁端屈服時(shí)的剪力外，還規(guī)定當(dāng)梁翼緣截面模量小于梁截面模量70％時(shí)，腹板螺栓不得少于2列，每列的螺栓數(shù)不得少于采用一列時(shí)的數(shù)量。
5)我國(guó)在梁翼緣對(duì)應(yīng)位置設(shè)置的柱加勁肋，從一開始就注意到了日本的經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定了與梁翼緣等厚，北嶺地震表明這樣規(guī)定是適合的。
6)翼緣焊縫的沖擊韌性要滿足-30℃時(shí)27J的要求，這種試驗(yàn)我國(guó)過去沒有做過，對(duì)于我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)制作單位是否可以做到，需待調(diào)查后再確定是否列入。
這時(shí)要附帶說明，美國(guó)SAC的有關(guān)規(guī)定是適用于美國(guó)3、4類地區(qū)，大體相當(dāng)于7度強(qiáng)、8、9度地區(qū)，我國(guó)6度地區(qū)可適當(dāng)放寬。
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