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建筑钢结构设计方法与实例解析五(中)

2015-08-04 15:24  来源:王铁柱   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 (中)
  
  接着上篇讲,上篇讲述了对门式钢结构体系的介绍以及相应的结构感官概念。本打算以上下两篇结束第五章,可是在写文章的过程中发现,如果仅仅以蜻蜓点水,一掠而过的方式进行阐述,我觉得不如不写。所以在上下两篇之间加了一篇,即:如何选择钢结构截面。此篇截面阐述仅对于门刚,我们为什么要进行钢结构截面选择?安全,经济,适用。通俗的语言表达是:不出事,省钱,能用能接受。安全是结构工程师的底线,这个是前提,是结构师分内的事情,所以除了安全,我们要研究的大方向就是如何选择最省钱的截面。含钢量是工程造价的一个重要指标,我们必须注意。钢结构截面设计有两种方式,第一种,是书本上的讲述的。方法是是由设计荷载值求出截面模量,进而根据模量,选择出与参数相接近的截面。第二种。是软件设计模式,根据结构体系,边界条件,通过电算,算出内力。内力作用截面,
  
  判断截面是否合适。不合适就换截面,对截面参数进行调整,即调截面。软件计算速度快,方便。第二种是现在最普遍的设计方法。门式钢结构截面选择往往用H型钢,或者焊接钢。H型钢局部稳定性好,加工方便。但是不能进行截面修改。焊接钢费工却省材料,可以根据实际情况进行变截面。门刚跨度不大时,变截面效益不明显,常常用H型钢就搞定了。那如何对截面进行调整呢?有两种方法:
  
  第一种:选用H型钢,H型钢是轧制出来的,腹板与翼缘板的连接的整体性非常好。所以局部稳定非常好。我平常是照着H型钢重量表对结构进行框架或者门式钢结构设计的,尽量的选择单米重量进行设计。所以用 H型钢的做出的结构重量比较小。我具体介绍下用H型钢设计的一些经验,H型钢分三种HN、HM、HW,分别称为窄翼缘(高宽比接近1:2),中翼缘(高宽比接近2:3),宽翼缘(高宽比1:1)。在没有高度限制的情况下,梁尽量选择HN窄翼缘型钢。因为重量很小。而柱子优先选择HM中翼缘,然后选择HW。视具体建筑空间尺寸,结构尺寸而定。
  
  第二种:参照H型钢材料表,模仿H型钢。H型钢材料表述的很详细,详细的列出H型钢的长、宽、高、腹板厚度,翼缘板厚度。也就是说,当你需要手动输H型,参数的时候,你参照H型钢的走,如HN400×200×8×13,那么你设计的时候,就输入H400×200×8×12.腹板与翼缘板的厚度尽量按照偶数的走。当然超高层是另一个说法。因为单层与多层的钢结构板的厚度是很薄的,大部分都是偶模数。否则买料的时候买不到。这里就有问题了:
  
  1、我们为什么参考H型钢进行截面选择。
  
  2、我们什么时候选择H焊接钢。
  
  3、焊接钢截面调节的精髓是什么。
  
  第一个问题,H型钢原先是没有的,是人们在实际的工作,与工程经验的过程,发现的常用的H型截面参数,于是人们把常用的截面参数进行列表,且为了满足局部稳定的条件下,设计出来的H型钢商品。就这就是H型钢的由来。美国,德国,法国,日本都有各自的H型钢。而且H型钢绝对不是HN、HM、HW三种,这是根据我国现有的情况,进行分类的,所以我国鸟巢有些钢材是从外国进口的。我大学老师讲过,目前对钢材研究最好的,一个是日本,一个是古巴。
  
  第二个问题。根据与我合作的钢构厂大量的工程造价经验。仅单对门刚,多高层来讲,当H型钢截面高度采用400以上的时候,H型钢对钢构厂与刻客户来讲,价格是不合适的。但是400截面以下采用焊接的时候,焊接太费工时。故而400以下采用H型钢。这些数据在书本是学不到的。得根据工程经验。当然影响钢结构是否采用焊接,有很多制约因素,地域性,实用性,实际情况等等。请根据各自的工程经验,进行各自的工程总结。第三个问题。如何调节钢构件截面,焊接钢的精髓是什么。这是本章最重要讲述的。影响钢构件的强度,主要不在于板材厚度,而是在于构件形状,不同的截面形状,截面参数不一样,截面参数不同,直接影响着截面的刚度,即抵抗截面变形的能力。仅对本章来讲,影响截面高度最主要的是弯矩。而H型截面抗剪刚度与抗拉压刚度较强。材料力学中讲述过,截面受弯,会在截面边缘产生拉压应力。由于工程构件受力复杂,所以钢截面会受拉压与弯矩的共同作用。所以我们看到弯矩大的地方,构件截面比较高。
  
  一.理论性。
  
  请参看下面的公式:
  
  f=M/W
  
  f为截面高度方向,在弯矩  M作用下,构件边缘产生拉压应力。W为抗弯模量。
  
  W=I/y
  
  I为截面惯性矩,y为截面边缘到通过截面形心主轴方向的垂直距离。即:
  
  F=My/I
  
  由公式可以看出,截面高度  2y对弯矩产生的拉压应力有分散作用,截面高度越高,产生的拉压应力越小。另一个就是参数   I,这个参数请参看材料力学。其实根据实际的数据参数变化,增加截面宽度,W的增长率没有增加高度参数增长率大。
  
  即dW/dH(高度)>dW/dB(宽度)。再介绍,H钢结构参数 H×B×h×b(高×宽×腹板厚度×翼缘板厚度)各个参数对构件物理性能的影响指标。
  
  1、影响抗弯刚度:H>B>b,而腹板厚度对h影响不大。
  
  2、影响抗剪刚度:腹板参数起决定作用。请参看材料力学。
  
  影响弯应力的的方法一种是分散,即增加H高度,另一种方法是增加B,b,硬抗。
  
  以上结论,请记住。即,能够抵抗弯应力的方法是增强翼缘板厚度与宽度,另外一个是增加截面高度。
  
  二、经济性。
  
  什么是影响构件的重量的决定因素,由于钢材密度一定,H焊接钢构件重量论Kg/m,所以决定构件重量的参数是界面面积,截面面积越大,那么此构件每米重量越大。设:截面参数为H×B×h×b,由一,满足应力的方法是加大宽度与翼缘厚度,另外是增加截面高度。为了让读者明白,分析过程通俗易懂。条件(1):
  
  1. 仅通过加大翼缘宽度,不改变翼缘厚度。
  
  2. 仅加高截面高度。不改变腹板厚度。(面积S1 与S2是粗率计算。对计算结果影响很小。S=Hh+2bB)按条件增加宽度,增加宽度为dB,那么增加的S1 面积为:
  
  S1= 2×dB×b
  
  增加高度dH,那么增加的面积S2为:
  
  S2=dH×h
  
  对上述公式两边求导:
  
  S1/dB=2b=dS1
  
  S2/dH=h=dS2
  
  由数学含义,面积S1 随着宽度的增加率2b,面积S2 随着高度变化率为h.由于腹板的厚度h 小于翼缘厚度b,即h<b,那么h<2b.
  
  所以增加宽度的面积增长率大于增加高度的面积增长率,(dS1/dS2)>2.
  
  所以结论是,增加腹板高度比增加翼缘板宽度省钢材,每增加1mm翼缘宽度增加的面积至少比增加1mm 腹板高度增加的面积大2 倍以上。
  
  条件(2):
  
  1、增大翼缘板厚度,不增加翼缘宽。
  
  2、增大腹板厚度,不增加高度。
  
  按条件增加翼缘板厚度,增加厚度为db,那么增加的S1 面积为:
  
  S3= 2×db×B
  
  增加高度dH,那么增加的面积S2为:
  
  S4=dh×H
  
  对上述公式两边求导:
  
  S3/db=2B=dS3
  
  S4/dh=H=dS4
  
  由数学含义,面积S3 随厚度的增加率2B,面积S4 随着厚度变化率为H.由于腹板的高度H 通常大于翼缘宽度B,即H>B,但是通常情况下2>B/H>0(除非建筑净空高度要求),所以通常S3<S4。但是H 截面的有很多种,也就是说,2》B/H》1,1》B/H》2/3,2/3》B/H》
  
  1/2。这三种情况仅供参考,仅对特殊情况进行分析。那是因为增加腹板后,对抗弯模量增加不大。
  
  由数学含义,增加腹板厚度与增加翼缘板厚度的增长率应由实际情况而定。
  
  条件(3):
  
  1、既增加截面高度,又增加腹板厚度。
  
  2、既增加截面宽度,又增加翼缘板厚度。
  
  按条件增加的面积为dS5.
  
  具体公式以及推导关系由于时间以及篇幅问题,这里不在写出来。推导过程在我的手稿里。这里不公布,我只给群内远在非洲刚果(布)的蓝天看过。
  
  根据我的计算结果分析,我写出下列结论。
  
  1、增加截面高度,比增加翼缘板宽度以及厚度省钢材。而且抗弯刚度效果更明显。
  
  2、腹板的高度并不是要一味的增加,它受制于高厚比,即局部稳定。
  
  3、由于结论1 条,在设计截面的时候,除非建筑净空有要求,尽
  
  量不要增加翼缘板厚度。增加翼缘板厚度.比增加翼缘宽度增加的面积更剧烈。
  
  4、由于结论1.结论3,我们要明确翼缘厚度,翼缘宽度与腹板高度转化的关系。写出下列两个公式:推导很简单。
  
  (1)增加翼缘厚度1mm,相当于增加腹板高度的关系。
  
  即:(2B/h)=dH
  
  (2) 增加翼缘宽度1mm,相当于增加腹板高度的关系。
  
  即:(2b/h)=dH
  
  这两个简单的含义,通俗的来讲就是当我们增加翼缘板厚度的时候,相当于增加腹板高度多少。当我们增加翼缘板宽度的时候,相当于增加腹板高度多少。
  
  举个我实际调节截面的例子。我在模型中输入了一个截面H400×200×8×12.
  
  可是我发现,计算结果截面应力比不够,假如我想增加翼缘板厚度1mm,即截面H400×200×8×13。那么截面的面积,转化成腹板高度,且两者面积相等。由公式(2B/h),即(2×200)/8=400/8=50.也就是说增加翼缘板厚度1mm,相当与腹板高度增加50mm。
  
  S(H400×200×8×13)= S(H450×200×8×12)。
  
  所以如果接下来,你要调整的腹板高度为400~450 之间,你可以选择界面H420×200×8×12,如果截面满足。那么调整到此为止,如果不满足。就继续加。可是当你发现,截面超过450 还是不满足应力比。那么你可以让翼缘厚度增加1.
  
  由于建筑净空限制,H400×200×8×12 应力比不够。只能增加宽度,那么增加1mm 宽度,转化为腹板高度是多少呢?有公式(2b/h),(2×12)/8=3,即增加翼缘板1mm 宽度,相当于增加高度3mm,是3倍。
  
  假如由原先的截面H450×200×8×12 降低高度,变成高度430,那么相当于450-430=20 , 20/3=6.7mm , 取7mm , 即截面430×207×8×12。
  
  假如你很熟练,你可以任意修改截面高度,板材厚度,而且省钢材。这只是H 焊接钢的规律,其他型材的规律有很多,靠大家自己
  
  总结,鉴于篇幅,我就不列出结论了。我写的这些东西,其实就是调节截面的奥妙。书本上是没有的。
  
  中篇重点讲述,经济截面调节。结论很简单。
  
  (2B/h)=dH
  
  (2b/h)=dH
  
  希望大家熟练操作。工程实例篇需要讲述的太多,另外我的工作时
  
  间限制,我需要整理思路,写文章,时间很紧,需要的时间为2 个
  
  礼拜。中篇就讲述到这里,谢谢。

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