门式钢框架轻型化的技术措施_陈绍蕃.pdf

第2期建筑结构1 998年2月门式钢框架轻型化的技术措施陈绍蕃(西安建筑科技大学西安7 10 055 )〔 提要]论述 门式钢框架轻型化的技术措施,包括变化构件截面、减小腹板厚度、把 中柱设计为摇摆柱、利用底 板式简单柱脚 的转动约束和屋面板 的蒙皮效应 等给出了相应的计算方法和计算原则〔关键词〕 门式钢框架楔形构件柱脚约束摇摆柱屈曲后强度蒙皮效应T hisartielede alswithteehniealmeas ur e sfo rredu eingtheweightofsteelportal franie ssueha smakingus e(,ftaper edmembers,r edu eingt}lethlek了 ,e ssofwebplate s,employingleaningo olumnsinmultiplespanframes,takingadv antageoftherestr ain tpr ovided bysimpleeolumnba seandofthediaphr agmeff eerofro ofshe eting. Cale ulatio nmetho d、orprinoiple sarepr e senteda e eor dingly.Ke ywo rds:sre ell叩rtal f阳me;taper edmember;eo lumnbasere straint;le aningeo lumn;脚st一bueklingstrer 、gth;diaphragmeffeet门式钢框架是一种有效利用材料 的结构形式。

由于构件尺寸小,房屋高度相应降低,减小了建 筑体积和卫借框架构件可以在工地 批量生产,工地安装用高强螺栓连接,简便而迅速,施工期短同时,门式钢框架造型简洁美观,在房屋建筑 中适应性强单跨者小至gm大至3 6m以上的 跨度均可适用,多跨者 可以覆盖大面积的厂房、仓库和各类公共建筑基 于这些优点,我国在7 0年代 曾经加以提 倡,但 由于使用钢材受到限制 等原因,并未 大量推广改革开放以后,深圳等地 引进国外设计 的门式钢框架 结构,发现 其 十分 轻巧,比按 我 们的做法用钢量少得多这就对我们提出了门式钢框架轻型化的要求一、减轻荷载和使用高强钢材减轻门式钢框 架重量 的 有效途径很多,使用轻质屋面板以减轻荷载重量和使用高强钢材以减小构件所需截面,都是有 效措 施,这是不言而喻 的目前带彩色涂层的压 型钢板和 夹 芯金 属板已经广泛应用,新的低合金高强度结构钢Q34 5比 以往的1 6Mn钢性能改善,川于门式框 架应无问题因此,本文着孟探 讨减少钢材消耗量的其他措施二、塑性设计和变化截面框架是超静定结构利用钢材的塑性性能,以出现若卜个塑性铰直至形成机构作为承 载能力的极限状态,可以充分挖掘 材料潜力,从而比弹性设计减小截面 尺寸。

但当采用薄腹板 时,塑性铰弯矩 和截面边30尹司卜图1缘屈服 弯矩相差并不悬殊同时,钢 框架 时常在屋脊和屋檐这两个弯矩最大的截面处做成安装 连接为有足够的地方设置连接螺栓,往往需要加高截面,即进行加腋处理(图1),使构造 复杂化并增加材料消耗量加腋的梁已经具有变截面构件的雏形挖掘材 料潜力的另一种 手段 是使构件的各个截面都充分发挥作用框架梁的 内力以弯矩为主,柱 虽然是压弯构件,也时常是弯矩的 效应 大于 压力(变化构件截面使之 适应弯矩图形,可以获得很好的节约钢材效果图2给出一种常用的 单跨 变截面框架,梁和柱都改变截面高度,柱呈单楔形,梁为对称构 件,按半跨 来说是双楔形构件,设计时使梁端 截面和屋脊截面在给 定荷载 下同时达到承载极限塑性设计和变化截面两种手 段 不能并用,原因是变截面框架有几个截面同时或接近 同时 出现屈服并达到承载极 限,不存在第一个塑性铰出现后的应力重分布阶段迄今为止两种手段都有一些 国家采用,有的国家如英国多用塑性设计的方法,但近年来也有改用变化截面 的趋势三、减小腹板厚度I形截面受弯构件的 腹板 虽然 参与 抵抗 弯矩,但发挥作用不大,所以宜薄不宜厚。

减小腹 板厚 度的一个后果是它会在剪力 作用下屈曲,甚 至在 弯曲正应力作用下也屈曲但是板件屈曲并不意味 着丧失承载能力,它具 有相当可观的屈曲后强度所以板件宽厚比不必受屈曲条件的束缚力是屈曲剪力和屈曲后 产生的拉力场剪力之和板幅屈曲之后还 能以拉 力带的方式 承受继续 增加的剪 力,亦即起类 似析架斜腹杆 的作用(图4)横 向加劲肋则 相当于析架竖杆,本世纪 六七十年代很多学者 对拉力场的对称轴一l e s e s e s. l 义目l月f一一双淤一哪一一图腹板的最大宽 厚比应限制 在什么范 围,要 从 两 方面来 考虑其一是避免构件弯曲时腹 板太薄而阻 挡不住受压翼缘向 下屈曲(图3)按照翼缘受压至 屈服 的最不利情况可以算得腹板宽厚比的限值为[‘〕, 华六卡 卜一一一月图3分布进行过研 究,提出不下十种计算方法!2〕,计算一般比较复杂文献〔3 ]和〔 1 ] 介绍 了其中两种算法,欧洲钢结构设计规 范Ec3试行本[ 4 ]采取一种实用的简化方法,比较简便,可供我们借鉴板 幅所承受剪力的设计值用下列公式 计算Vd二hwtwr d(2)式中rd为剪切强度 的设计 值,由下列公式确定,它已包括拉力场效应 在内:面w燕0.8时:d=j二(3a)0.80.673时产=(万P一0.22)/面巷(7b)31其中又P为验算弯矩(及轴力)作用下板幅的换算宽厚比几Phw八,2 8·4丫蕊几了万歹乙hw八w435力薪元(8)这里k。

为非均匀受压板的凸曲系数,由下式计算9 )以式一†比对16 [(1+沪)2+0.rlZ(一沪)2」0巧 +(l+系数沪为边缘最小应力和最大 应力 ,之比压应力为正( 图 5 ),当口 ;小于强度设计值f时( 8 )中的九可以用1.087口 ,代替 雾黑膏弩有效宽度h按 下 述 规则分布:截面全部 受压,即价= 2/a l>0时(图sa)Zh,h_,=百一一.丁)一沪(10a)h二=h一h01(10b)截面部分受 拉,即沪二10.67 3时板件即非全部有效此值对于受弯为主的构 件有些偏小四、抗侧力任务集中于边柱”a一: t了n一一图多跨框架 中每根柱都和横梁 刚接,如图6a所示,是过去常见的方式在这一方案中,所有 柱 子都 参 与抵 抗侧力,都是压弯构 件,它们的计算长度按有侧移框 架柱确定,常在2与3之 间把 中间柱 改为上下均为 铰接(图6b ),则这些柱成 为轴心受压柱,不负担弯矩,承担侧力和抵抗侧移 的任务 完全集中到边柱,中柱只对横梁起 中间支座 作用这类 中间柱可称为摇 摆柱,只是上端有足够 刚劲 的弹性支承 限制它们 的摆动,由于只承受轴力而且计算长度系数减 小到1.0,截面减小比较 多,还无需 改变截面,制 作也更简便。

同时,这些柱和横梁的连接构 造也得到简化,既节省材料又安装方便摇摆柱不参 与抵抗侧移,但它所承受 的竖 向荷32铰接柱脚 的具体做 法是一块底板加二至四个锚栓(图8 )国内外的试验 都表 明,这种简 单柱 脚实际上对 柱端 转 动起一定约束作用〔‘}由于底板和基础 之间存在有压力,当在柱端施 加弯矩时,只是使底板一侧 的压 力减 小,而不是把这一侧掀开这就是说,在弯矩M作用 下柱端 截面的转角夕仅仅由弹性应 变产生,相应的转动刚度很接近嵌固端,不过当弯矩超过一定限度 时,约束逐渐减小由于 约束的变动 性,在框架内力分析中考虑简易柱脚的约束作用将使if一算变得复杂,并且需要有符合实际的M一夕曲线的资料因此,在 内力 分析中对这种有利作用予以忽略然而在确 定柱 计算长度 时 可以计及柱 脚约束作用文ts ] 建议对柱脚 与基础 铰接的框架柱的计算长度系数产乘以修正系数美国AIS C规范从6 0年代起 就对铰接柱脚的约 束 柔度Gb取1 0而不是理想铰接时的无限大(G、=1 0相当 于在柱下端有线刚 度 为 柱线刚度l/ lO的 梁对它起约束作用)按后 一方法,等 截面 柱产的修正系数约为0.8,变截面柱则在0.8 5左右。

加拿大学者根据 所做试验 研究认为G、可降低到4.5 16〕文[5〕 还 建议,在计 算框架在风荷载作用下的柱顶侧移时,可把按理想铰接算得的侧移值乘0.5予以修正需要在这里指出的是,当 柱脚设计 为与 基础 刚接时,由于实际上做不到在弯矩作用下毫 无转动,柱的计算长度应比理 想嵌固端适当放 大文【5 ]建议取1.2为召的修正系数六、屋面板的应力蒙皮作用屋面压型钢 板当其接缝处的连接和 板与横梁、擦条 的连 接 都做得很牢固时,形成一片刚度很大 的盘体,通常 称为应力蒙皮此时,中间框架柱 顶的水平荷载可以通过蒙皮 传到山墙构架后者常 做成带支间接传力具体做法 可以在两擦条之间用和擦条高度相同的Z形或卷边槽形钢作 为传力的中介(图1 0)屋檐擦作为蒙皮 的边缘构件应 起水 平梁翼缘的作用,宜做成连续构件即使如此,屋面盘体的抗弯性能仍不高,主要还是靠 剪切传力,所以盘体的长度不超过 其宽度四倍时才能考虑蒙皮效应我国目前对各种压型钢板在板面 内抗剪 的性能和板与构件连接件性 能的资料还不齐全利 用蒙皮效应把水平力传到山墙构架的计算必须配合进行试验取得 数据鉴于试验费时费工,目前还未普遍应用这种 方法。

参考文献图9撑构架,以赋予强劲的刚度(图9)最简单的结构布局可以是各中 间框架的 柱顶和横梁做成铰接,把承担水平力的任务完全集中到 山墙构架,中间柱只承受 重力荷 载但是这样做在屋面板未铺好前结 构是不稳定 的,且横 梁在 竖向荷 载作用下弯矩较 大因此,框架柱和横梁还是要做成刚性连接,至少是半刚性的这时巾间柱顶的水 平 力一小部分由框 架承担,大部分仍 可通过 屋面板 传递框 架承担水平荷载 份额小,引起的弯矩也就比较小,且稳定性能接近于无侧移框架,柱计算长度减 小,比不考虑屋 面蒙皮作用节省不少钢材,屋面支撑还可以少放甚至不放陈绍蕃.钢结构设计原理科学出版社,198 7.Galanl匕〕5TV.Guidetostabilitydesigner iteriaformetalstr uet ur es,4theditio n,JohnWiley&黝ns,1 9 8 8.陈绍蕃.钢 结构稳定设计 指南.中国建筑 工业出版社,1996.Britis hS ta nda rdsIns t i tutio n,Eur o c必e3:De signofSte elStr ueture s,Par t1. 1,Gene ra lrulesa ndrule sf orbuil d-in gs. Dl)一ENV一1993一l一1,19 92.张中权.冷弯薄壁型钢设计手册.中国建筑工业 出版 社,1996.PieardAetal. Rot ationalres tr aint()fasimPleeolumnba s ec 。

了 Ine ct l on. 伽n. J. Civ.E ng.,1 4,4 9一57,19 8 7.Da visM,B即a nE R.Ma nn ua lofs tres se dskindiaphr agmde sign· Gr a zlada,L Ondon,19 8 2(部分译 文见(工 业建筑》199 4增刊,马建昌文).北京大学图书馆新馆预应力工程概况分 析框架和屋面蒙皮组成的空 间结构体系内力分 布 时,要根 据框架的侧移刚度和屋面蒙皮的侧移 刚度之间的关系进行分配〔7〕蒙皮的屋 面 板图10刚度涉及的因素很多,由于它主要 依靠剪切传力,刚度首先和压型钢 板的剪切变形和截面畸变有关,其次是压型钢板接缝处连接的变形 性能、板和擦 条连接及板和横梁连接的变形性能,此 外还 有边缘 纵向构件的变形这 些因素都影响蒙皮 的抗 剪刚度,在设计中。