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建筑钢结构设计方法与实例解析五(上)

2015-08-04 15:19  来源:中国钢结构资讯网   编辑:admin  点击:次   [我要评论]

  《建筑钢结构设计方法与实例解析》
  
  学习总结-第五章 (上)
  
  铁柱上台一鞠躬。本篇要讲的是第五章《门式刚架》,属“工程实例篇”开篇。相对于其他结构来讲是相对简单的,此章节分为上下两部分,上部分着重讲对结构的理解,下篇讲着重讲对结构的设计。先理解了解,而后深入,效果事半功倍。那先从结构的理解开始吧。
  
  当我们用一个剪刀去剪纸片,纸片被剪断,我们常说,纸片被剪刀剪断了,可事实是这样子的,剪刀作用纸片,使在剪截面处产生剪力,纸张的抗剪刚度无法抵御剪力的产生的剪应变,于是剪力把纸张剪开了,不是剪刀剪断了纸张,是剪力剪断了纸张。这种歇斯底里的解释,虽然有些神经质,但我们确实需要思维方式。结构是支撑起建筑设想的骨架,承受外在荷载,抵御变形的机制,但从里另外一个层面来讲,结构其实是传递力的途径。结构受到外力之后,力就像血液,结构就像血管,血液分散到各个“血管途径”,如果某个血管无法承受分配的血液流量,那么这个血管是不安全的,也就是说结构是不安全的。
  
  (关键词:力 途径 分配 承受)
  
  外在荷载常常是确定好的,受周围环境影响,我们无法改变。这就是我们所说的工况,各个工况其中的几个,可能同时出现,作用于结构,这就是工况组合。当一个结构布置好之后,其实他的“血液分配”方式已经确定了。“血液分配”结果就是,有的途径血液流的多,需要大“血管”。有的流的少,需要小“血管”。血管即构件。于是出现下列几种情况:
  
  1、设计出满足强度要求相适应结构“构件”。不至于太大造成浪费;小,则结构构件有危险。
  
  2、受力不同,设计出结构构件型号过多,大大小小参差不齐,构件型号复杂,统计费时,施工不方便。
  
  3、结构满足要求,但是材料用量过大。投资无法承受。
  
  4、由于必须满足某种血液“分配”方式,所以必须“能”设计出满足这种方式的构件,满足其特殊要求。
  
  5、构件受力简单,构件连接处受力复杂。需设计出满足要求的节点。
  
  6、力分配与预想分配不相符。
  
  (关键词:力 构件 分配 相适应 型号 投资 能 简单 不相符 )
  
  周围环境一定,我们无法改变,只能适应。幸运的是,我们发现,在我们手里面有两个变量,可以控制,一个是结构布置,一个是截面属性。所以结构布置,构件截面设计是贯穿于整个结构设计过程的主线。结构力学课本中讲过,最完美的构件,在安全的前提下,构件材料最大程度的利用,构件强度最大限度的发挥。即两种:
  
  1、截面百分百使用。
  
  2、截面没有弯矩,或者很小,只承受拉压。
  
  所以结构起拱,设计成拱形,型钢设计成工字形就是这个原因。
  
  截面形式的作用。在轻钢结构的概念范畴内,构件的厚度固然重要,但是起决定性作用的是构件截面的形式,这就是人们为什么开发出各式型钢的原因。如C,Z,H、O、口型钢。构件受“拉压剪扭弯”5种形式的作用,相对5种形式的作用有5种抵抗刚度。而抵抗刚度又与截面属性有关系。如截面的极惯性矩,惯性矩。在学习材料力学的时候,我对这些概念非常模糊,后来才明白,研究者在当初求解截面内力规律的时候,得出相关的数据参数,而这些相关数据参数只与截面几何有关系,所以起惯性矩、极惯性矩之类的名字。如果愿意,你可以叫张三李四。型钢形式绝对不是从来就有的,是人们根据力学知识,而创造出来的。所以我们有修改截面的自由。有的人在初次做钢结构设计的时候,不知道怎么去设置构件,害怕。于是就在截面输入上来回徘徊。迟迟不敢下手。说真的,截面属性确实不是随便乱输的,里面有一定的经验与规律。但是你怕什么,反正是在模型里面。又不建造。关于截面的调节,我们将在下篇进行详细介绍。拓展延伸的说,我们必须有把控这种截面属性的控制力,掌控能力。也就是相对应上述情况的1、4.(关键词:厚度 截面形式 创造 )
  
  结构布置的作用。钢结构的的布置,其实是随人们的要求不断更新的。单从多高层来讲,结构可以划分为;框架结构,框架支撑结构。框筒结构,筒中筒结构。等等。不是因为人选择结构形式才去设计结构,而是因为需要设计结构,人们才选择了这种形式。普通的一层储存废砖头的房子,绝对不可能选择设计成剪力墙。这就涉及到结构的布置的合理性。抛开书本上的不讲,所谓好的结构布置,就是在安全的前提下,能够特别省钱的布置。最好的例子是美国芝加哥希尔斯大厦。 美国城市化进程在20世纪60年代非常快,目测中国现在还没赶上人家那个时候,传统的框架和框架支撑结构达到一定高度之后,每加一层所增加的材料比中低层加一层材料多的多(这是比较含蓄的说话,就是再加一层,老板就要花钱了,老板不干了,对工程师说,你就不能动动脑子让结构省省钱?),于是SOM设计公司的工程师卡恩.F提出了高效的筒体体系。除部分基础外,全钢结构,钢结构总用量76000T,平均用钢量161Kg/㎡。比采用钢框架体系的帝国州大厦少20%,仅相当于采用5跨框架结构的50%。所以好的结构师是非常强悍的。另外这个建筑1974年落成。哎呀,当时人家没pkpm设计软件,美国人怎么设计啊。所以好的结构形式可以让投入更经济。就是相对应的2、3、5、6.
  
  (关键词:结构形式 合理 选择)
  
  讲述了这么多,是为以下的门刚篇以及以后的篇章做铺垫用的。即:布置结构合理,选择结构形式准确、了解截面属性的规律,懂得创造结构,理论与实际工程联系解决实际问题,完成结构预想。
  
  进入门式刚架概念(简称“门刚”)。门刚是一种发展非常成熟的结构体系。所谓成熟,是指体系经过前人的不断改进,完善,优化而逐渐发展起来的。已经不需要进行大的改动。也就是说,门刚体系是现成的,摆在我们面前的。我们需要做的是:
  
  1、了解体系的组成。
  
  2、知道组成体系构件的名称,构件的作用。
  
  3、结构适用的条件与适用范围。
  
  4、如何设计门式刚架,以及相关要求。
  
  5、现场如何安装,安装工艺。
  
  体系的组成。P90-P91写的很清楚,主结构,次结构,维护结构,辅助结构,基础。一般来讲,轻钢结构采用的是钢型号是Q235,柱子多采用焊接钢,简单的也采用H型钢。构件变截面,也可以不变截面。梁形式采用变截面。咱们讲述下,变截面的的概念。截面的变化形式是由主要内力的弯矩包络图控制的。不管是柱脚铰接还是柱脚刚接,单榀(pin)钢架在平面内是超静定结构。就单从单跨双坡举例,如果柱脚铰接,那么柱脚不传递弯矩,导致结构弯矩大部分分配到檐口位置(即柱子最高处位置),由于檐口弯矩太大,为了抵抗弯矩,则需要极大的抗弯刚度。如果想提高抗弯刚度,则需要对截面进行修改,提高抗弯刚度。于是采用变截面。这就是我们看见的铰接柱脚的钢架是下小上面大的样子。书本上及规范上讲,柱脚常采用铰接形式。铰接柱脚是很有优势的,第一构造简单。第二基础比较小。但是我们最好能灵活掌握。其奥妙是,如果柱脚采用刚接的,则柱脚会承受弯矩,檐口位置的弯矩会减少,分配到别的地方,使之弯矩分布平和。从而使构件整体均匀变小。从而省一部分钢材。结构美观大方。刚接柱脚基础可能由此会变大。柱脚形式的选择视情况而定。参看《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》。门式钢结构的梁也是变截面的。原理与柱设计原理同。我需要补充的是并不是所有的截面必须需要变截面的。视情况而定,单跨钢梁如果超过9000是非常不经济的,这个时候我们可以进行变截面。如果单坡单跨是6000左右的就根本不需要变截面。我见过一个人做钢结构的。一个12米跨度的双坡钢架,变截面就有6个,图纸非常搞笑。还有就是,钢架梁节点也不是所谓必须刚接。只要结构不是变形体,自由度为0即可(最好是超静定)。我遇到过的一个例子就是我曾经的师傅,在做一个钢架的。业主要进行招投标,一个施工方要与其他公司竞争。要降低用钢量。我怎么做就是降低不下来。后来师傅出手。在一个截面位置进行节点释放。截面一下子小了(建筑面积很大。所以优化很见成效)。此施工方最终中标。从哪个时候,我才知道,原来结构可以这么做,不能走死理。在我设计的工程中,还有一个很有意思的问题,那就是计算长度的问题,确实,计算长度选取确实影响钢结构的计算结果。由于钢结构平面内,平面外长细比的概念非常严格。所以计算长度的选取也是必须准确的。新手在设计单榀钢架的时候,往往会毫不犹豫的选择平面外计算长度3000.不管怎么样,就是3000.可能是看网上的视频吧。确实,3000这个数字与咱们设计的平面外计算长度很接近。但是我们一定要明确计算长度的概念,所谓计算长度是需要看支撑情况的,如果构件高度太大。往往会造成结构长细比不满足。减少长细比比值,一种是减少计算长度,一种是增大构件计算截面。而增大截面是不经济的。所以我们往往在结构中加入支撑,来减少计算长度。比如说系杆,比如说支撑。吊车梁也能其侧向支撑的作用。所以我们必须明白计算长度到底怎么来的。如果一个钢架我们平面外取3000。那么这个计算长度3000就必须在施工中实现。而不是凭空说一个3000。除了主钢架我们还要懂得如何进行其他结构的设计,如吊车梁,牛腿,夹层梁,水平支撑,柱间支撑。这些结构都是为了满足实际需要,才有的。所以我们一定要知道这些结构的作用,以及原理。这些结构详细设计,我将要在下篇具体写。门式钢结构有三种基本形式,1、普通门式钢架。2、门刚带吊车。3、门刚带夹层。然后这三种任意组合。C32.《钢结构构造与识图》对钢结构构件部分描述的很清楚。门式钢结构有种新型的截面,那就是波腹板。其技术规程已经出版,请参与相关规范。这里不多介绍。
  
  (关键词:结构连接 刚接 铰接 变截面 计算长度 实现)
  
  门刚次结构。一般是指门刚的屋面檩条,屋面墙梁。檩条与墙梁一般用C型钢或者Z型钢进行构造。檩条按照简支梁设计。非常简单。次结构的难点在于构造连接,如檩条如何与主钢架连接。斜拉条如何与檩条连接,隅撑如何与主钢架连接,柱间支撑如何与主钢架连接,如何打孔,如何焊接。雨棚如何与檩条交接。横墙梁与竖墙梁如何连接。墙梁连接的工艺。檩托构造等等。结构师必须清楚。连自己都不懂,如何给业主设计,解释。设计是一回事,而如何构造又是另外一回事。
  
  (关键词 构造 连接)
  
  围护结构。维护结构其实是和次结构相联系的,3D3S软件三维设计中,维护设计包含了墙梁与檩条设计。屋面墙面板一般是彩钢板,有复合彩钢板,还有单板,也有苯板。还有的是由岩棉、钢丝网,彩钢板组成。有时候檩条复合板是外敷到檩条上,有的确实把檩条包住了。维护结构中除了,复合板的连接,还包含落水管与檩条之间的构造,还包含内天沟,外天沟,以及女儿墙的构造,这里面的构造非常的繁琐,但是到了现场观察,却又很见简单。建议去实际现场观看。请参阅图集《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造01J925-1》。我相信大家会有很大的收获。另外大家一定知道彩钢板的型号,价格。有的门式钢结构会采用采光顶设计,采光顶需要什么型号,也是必须知道的。如果你什么都懂。业主对你什么感觉。
  
  (关键词 构造 连接 01J925-1 )
  
  至于楼梯,平台护栏其他辅助结构,这里就不多讲,特别要讲的是钢楼梯,有时候,为了材料统一,或者不愿意现场湿法作业,业主干脆把楼梯设计成钢结构楼梯,其构造参阅《钢梯02(03)J401》。钢楼梯设计,请参阅相关书籍,如果有时间,我将要在下篇讲述如何设计钢楼梯。钢楼梯又包含螺旋楼梯很多种,很费劲。看情况吧。
  
  基础设计 门式钢结构由于承载受力不大,另外构造简答,所以基础往往是简单的独立基础。由各种工况,选择最不利参数。进行基础设计。基础这一块注意的是,基础必须要和钢结构紧密联系。钢结构柱脚分外露式柱脚,一种是埋入式,之所以要很钢结构联系,是因为钢结构柱子是有柱脚板的,而混凝土柱子是直接深入独立基础不需要基础截面预留,是多少就是多少。如果你设计的主脚板安到基础上面后,发现柱脚板大于基础墩。螺栓跑到外面去了。这个时候就出大事了。因为你设计的独立基础全部作废,你要负责任。随便几个墩子的价格还有人工费,够你喝一壶的。所以在设计完基础后,一定要要清晰的对照柱脚板,以及锚栓。使之简单明了,对号入座。
  
  (关键词 柱脚形式 柱脚板 基础尺寸 对号入座)
  
  讲述到这里,我们基本上对门式钢结构的概念有了初步的认识。另外P91-P94 门式钢架结构的一般经济指标规律 讲述的非常清晰。有大量的数据与图标示意,简述了跨度、柱距对用钢量的影响。非常的清晰,让我们对门式钢架的用钢量控制更加准确。在这里感谢张相勇博士提供详细的资料。
  
  门式刚架上篇,门刚结构的概念理解,讲述到这里。下篇着重讲述具体设计。谢谢。

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