巖土工程師輔導(dǎo)：影響鋼構(gòu)用鋼量的主要因素(3)

　　影響廠房結(jié)構(gòu)用鋼的主要因素

　　影響鋼結(jié)構(gòu)用鋼的因素較多，對(duì)不同類型的結(jié)構(gòu)，影響用鋼的因素也有區(qū)別和側(cè)重。廠房結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，影響因素也容易敘述一些。歸納的因素，對(duì)于一般的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)有一定的普遍性。

　　1結(jié)構(gòu)的支撐體系

　　單層單跨廠房結(jié)構(gòu)(門式剛架)也可以看作是由四個(gè)桿件，即兩個(gè)柱，一個(gè)橫梁和大地組成的矩形結(jié)構(gòu)。沒(méi)有吊車的單跨廠房，通常用2～4粒螺栓將柱腳與基礎(chǔ)相連，此時(shí)可將柱腳與基礎(chǔ)(大地)的連接視為鉸接。廠房?jī)?nèi)不可能用斜拉桿，因此柱與屋面必須做成剛接，否則便成了可變體系。

　　沿廠房縱向，也要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在廠房縱向，各門式剛架之間通常在檐口處用剛性系桿鉸接相連。如果不用柱間支撐，在水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)在縱向是可變體系。因此通常做法是在廠房?jī)深^的第一柱間加上交叉的拉桿支撐，荷載通過(guò)剛性系桿傳至支撐再傳至基礎(chǔ)。當(dāng)廠房較長(zhǎng)時(shí)，在中間跨或相應(yīng)的跨處也宜布置柱間支撐以免傳力路線大長(zhǎng)而使結(jié)構(gòu)的縱向剛度不足。一般地，使用交叉拉桿支撐的間距又宜大于50m。

　　也許有人會(huì)提出沿廠房縱向亦可做成剛節(jié)點(diǎn)?？梢赃@樣做，但一般不這樣做，并不是由于剛節(jié)點(diǎn)施工麻煩，而主要是用鋼問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題可以從下面兩方面看：轉(zhuǎn)自環(huán)球網(wǎng)校edu24ol.com

　　如果要將結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方面(橫向和縱向)做成剛接，H形截面可能不再能使用。如前所述，H形截面在弱軸方向的強(qiáng)度和剛度都太小，比其強(qiáng)軸方向小十幾倍至幾十倍。因此要用到箱形截面或管形截面。

　　由于使用支撐，對(duì)柱在縱向強(qiáng)度和剛度沒(méi)有特別要求，采用H型鋼截面250×300×8×6，每米用鋼量為44.8kg。若取消支撐，采用箱形截面250×300×8×6，每米用鋼量為58.2kg，與H型鋼截面相比，每米用鋼量增加30%。

　　對(duì)于提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，控制結(jié)構(gòu)變形，使用支撐系統(tǒng)更有效，以下的簡(jiǎn)單例子可以說(shuō)明問(wèn)題：

　　一個(gè)Q235懸臂柱在柱頂作用力P=10KN(1.0T)

　　從強(qiáng)度考慮，彎矩為：

　　M=10×8=80KN (2-1)

　　所要求的最小截面模量W=KM/[σ]=1.4×80×106/215=521×103mm3

　　式中，K-荷載系數(shù)，

　　M-荷載引起的彎矩

　　σ-材料設(shè)計(jì)應(yīng)力

　　用H形截面300×200×8×6 W=531×103mm3

　　截面面積A=200×8×2+284×6=4904mm2

　　截面在受彎方向的慣性矩I=79.7×106mm4

　　用鋼=4904×10-6×8×7850=308kg

　　經(jīng)驗(yàn)算，上述截面的穩(wěn)定臨界彎矩大于荷載引起的彎矩，因此所選截面滿足穩(wěn)定要求。

　　現(xiàn)在將上述結(jié)構(gòu)改為一根鉸接柱加上纜風(fēng)拉桿的方案，由上圖可知：

　　拉桿力 NT=10kN/cos60o=20kN

　　所需最小面積A=KN/[σ]=1.4×20×103/215=130.2mm2 (2-2)

　　K-荷載系數(shù)，

　　N-荷載引起的桿件力，

　　σ-材料設(shè)計(jì)應(yīng)力

　　Q235直徑16的拉桿面積為201mm2

　　鉸接柱的力，NC=10kn/tg30o=17.32kn

　　試采用圓管截面 102(直徑)×2.5(壁厚)

　　面積=781mm2;回轉(zhuǎn)半徑I=35.2mm

　　長(zhǎng)細(xì)比λ=L/r=8000/35.2=227.3

　　式中L-柱高;r-截面回轉(zhuǎn)半徑

　　受壓穩(wěn)定系數(shù)φ=0.148

　　實(shí)際應(yīng)力σ=KN/A=1.4×17.32×103/781×0.148=210N/mm2 (2-3)

　　式中，K-荷載系數(shù)，轉(zhuǎn)自環(huán) 球 網(wǎng) 校edu24ol.com

　　N-荷載引起的桿件力，

　　A-桿件截面面積

　　實(shí)際應(yīng)力σ=210<設(shè)計(jì)應(yīng)力=215N/mm2

　　滿足要求：

　　實(shí)際用鋼=γΣ(A×L)=7850×(781×10-6×8+201×10-6×8/cos30o)

　　= 63.6kg

　　式中，γ-材料凈重，

　　A-桿件截面面積，

　　L-桿件長(zhǎng)度

　　Σ-求和號(hào)，指對(duì)結(jié)構(gòu)中所有桿件的計(jì)算求和。

　　鉸接柱加上拉桿支撐的用鋼，僅為懸臂柱用鋼的20.6%。

　　以上假定柱頂力是作用在某一個(gè)固定的方向。如果力可以作用在任一個(gè)方向，例如風(fēng)荷載，則懸臂柱要設(shè)計(jì)成為管形或箱形截面。箱形截面較圓形截面有效一些。采用正方箱形截面如下：

　　截面慣性矩：I=73.6×106mm4

　　截面彎曲橫量：W=545×103mm3

　　(>521×103mm3，強(qiáng)度計(jì)算所需截面模量)

　　面積A=6336mm2

　　用鋼=388kg

　　對(duì)于鉸接柱要在四個(gè)方向拉上纜風(fēng)拉桿，此時(shí)，

　　用鋼=A(781×10-6×8+4×201×10-6×8/cos30o)×7850=107.3kg

　　為懸臂柱用鋼的27%。

　　d.從結(jié)構(gòu)變形(剛度)上考慮問(wèn)題：

　　(1)對(duì)于’c’中的方管懸臂柱在柱頂作用10KN(1噸)水平力時(shí)，柱頂位移δ為：

　　δ=PL3/3EI=10×83×1012 /3×2.05×105×73.6×106=113.1mm(≈L/70)(2-4)

　　式中，P-力，

　　L-柱高

　　E-彈性模量來(lái)

　　I-截面慣性矩

　　(2)對(duì)鉸接柱加纜風(fēng)的結(jié)構(gòu)，在同樣荷載作用下，柱頂位移δ為：

　　δ=ΣNNL/EA=[20×2×8/201×cos30o+17.32×1.732×8/781]×106/2.05×105=10.5mm (2-5)

　　式中， N-荷載引起的桿件力，

　　N-單位力在位移方向上引起的桿件力，

　　L-桿件長(zhǎng)度

　　E-彈性模量

　　A-桿件截面面積

　　Σ-求和號(hào)，指對(duì)結(jié)構(gòu)中所有桿件的計(jì)算求和鉸接柱加纜風(fēng)的結(jié)構(gòu)的位移值是懸臂柱結(jié)構(gòu)的10分之一。懸臂柱的柱頂位移過(guò)大，是柱高的70分之一。若將柱頂位移控制在柱高的100分之一，即80mm，則柱截面還要加大。需要的截面為310×6mm，面積為7296mm2，8m長(zhǎng)的重量為458kg。鉸接柱加上四條纜風(fēng)拉桿的重量?jī)H為其的23.4%。如果將懸臂柱的柱頂位移也控制在10.5mm左右，則方管截面要做到540×8mm。

　　從以上的計(jì)算比較可見(jiàn)，使用支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用鋼比不使用支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用鋼要小得多，從而可節(jié)約建筑造價(jià)。但其缺點(diǎn)是支撐系統(tǒng)要占據(jù)一定空間位置，這一點(diǎn)，常與建筑美觀和使用方便產(chǎn)生矛盾。

　　一個(gè)實(shí)際工程例子非常有效地說(shuō)明了使用支撐系統(tǒng)節(jié)約用鋼的事實(shí)。馬來(lái)西亞一家設(shè)計(jì)事務(wù)所設(shè)計(jì)了一幢三層辦公樓，最初設(shè)計(jì)采用框架結(jié)構(gòu)抵抗水平力(風(fēng)力和地震力)，平均每平方米的用鋼達(dá)到65kg/m2。后改用支撐系統(tǒng)傳遞水平力，平均每平方米的用鋼降到45kg/m2。高層結(jié)構(gòu)的水平力是設(shè)計(jì)中要予以考慮的主要問(wèn)題之一，支撐系統(tǒng)也被廣泛地使用在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。下面例舉了國(guó)內(nèi)外高層結(jié)構(gòu)的一些例子。圖2-6上圖是美國(guó)休斯敦的聯(lián)合銀行大廈的立面和結(jié)構(gòu)體系圖。圖2-6下圖是該大廈支撐體系的大樣圖。圖2-7是中國(guó)香港中銀大廈和廣州某大樓的結(jié)構(gòu)體系圖。這些圖說(shuō)明了支撐體系在高層中的運(yùn)用。

　　因此，當(dāng)銷售人員與業(yè)主討論結(jié)構(gòu)布局等問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該說(shuō)明支撐體系的優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)性。有一點(diǎn)應(yīng)予注意，對(duì)于雙跨和多跨廠房結(jié)構(gòu)，邊跨必須布置縱向柱間支撐的要求，已在前面提到，中間跨在原則上亦應(yīng)布置縱向柱間支撐，只有當(dāng)兩跨跨度之和較小(例如小于40M)，且無(wú)吊車荷載，而邊跨剛度相對(duì)較大時(shí)，經(jīng)計(jì)算后可以略去中間跨的柱間支撐。

　　有時(shí)由于使用上的要求，例如門和通道等，十字形斜撐不能使用。國(guó)內(nèi)外工程師們創(chuàng)造使用了不同形式的支撐。這些支撐的共同特點(diǎn)是支撐桿件直接與柱腳或基礎(chǔ)相連，以將上部結(jié)構(gòu)承受的水平力直接傳入基礎(chǔ)。

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