钢结构设计中的变形问题.docVIP

PAGE PAGE 1 钢结构设计中的变形问题 　　【摘要】钢结构受载后的行为和其变形在许多方面的联系，具体体现在内力计算的初始变形、二阶分析的考虑、构造和构件细部变形等的影响以及其结构的变形能力要求等各个方面。通常谈到结构的变形，设计人员往往想到的只是简单地屋盖桁架的挠度是否过大，或者是框架柱顶的侧移是否太大等问题。这些问题都是正常使用极限状态等常见问题。事实上，承载力和变形也存在着关联。由于钢结构的不断发展，其变形问题对结构承载力的影响越来越需要得到重视。它的作用效果表现在许多方面，因此本文一些变形问题对此进行了综合性探讨。 　　【关键词】钢结构设计；二阶分析；初始倾斜；构造细部；变形能力； 　　中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号： 　　引言： 　　随着我国科技水平的不断提高以及经济的的快速发展，钢结构建筑种类也随之越来越广泛的得到应用，特别是大跨度钢结构建筑的形式和种类，在各种会展场馆、体育场馆甚至是各类工业厂房都可以见到大跨度钢结构的应用设计。国内外大跨度建筑的钢结构设计趋势外形是越来越新颖，跨度是越来越大，并且内部结构也越来越复杂。伴随着这些特征的不断广泛发展，就会产生许多超限的结构类型，依据普通的一些常规做法己经不能够满足工程设计的需求。除此之外，随着自然条件不断地恶化，对建筑物的所产生的影响也越来越大。所以，在设计选择合理的结构方案时，应考虑如何选取合理的设计参数，保证工程设计的经济性、安全性。 　　一．结构变形和内力计算 　　传统的结构内力计算通常情况下都采用的是一阶分析方法，也就是将未变形的结构简图作为分析对象，不用考虑结构在荷载作用下所产生的变形对内力分布的作用效果等影响（如图1）。 　　图1 　　但是也有例外，其原因主要是由于用柔索做承重构件的悬索屋盖结构、悬索桥以及采用柔索抗风的桅杆型结构。因为它们在风荷载或重力荷载的作用下位移相对较大，而且对内力分布的影响超出了误差范围，从而不可能忽略不计，所以这时按照一阶分析的方法来计算的话会造成内力可靠度不足。目前情形下，多层建筑结构的层数也随之越来越高，计算精细化、材料高强化以及围护结构轻型化，并且钢框架在侧力作用下的位移相比过去也有所增大，造成了竖载-侧移效应（国际上称为P-△效应），这一点就会成为钢框架设计中必须要考虑到的因素。与此同时，在《钢结构设计规范》（GBS00I7-2003）中可以得到一些关于框架结构设计需要考虑到二阶效应的判别条件： 　　∑N?△u／∑H?h＞0.1（1） 　　其中式子中的∑N指的是所计算楼层各柱压力之和；同样∑H是指产生层间侧移时△u的各层水平力之和所计算楼层；△u是指依据一阶弹性分析所计算出来的楼层的层间侧移。 　　（1）式左端的分子表示的是变形派生过程中的二阶倾覆力矩，而分母则表示的是水平荷载对楼层的倾覆力矩，当派生力矩小于原始力矩的1／10时，其效应可以基本忽略不计。在按照式（1）判别的时候，△u可以取容许值h／400。 　　其次，框架的二阶弹性分析可以采用GB50017中给定的公式做近似计算，如下： 　　 　　MⅡ———计算出的二阶效应的杆端弯矩； 　　MⅠb———当框架不发生侧移时，按照一阶弹性分析所求出的各杆端弯矩； 　　MⅠs———当框架各节点发生侧移时，按一阶弹性分析所求出的杆件端弯矩； 　　α2i———必要时考虑二阶效应第i层杆件的侧移时弯矩增大系数。 　　除了框架的结构之外，网壳以及大跨度拱等各种结构也可能会被设计成柔性较强的结构，因此会要求用到二阶分析来计算结构内力。 　　计算MIb时需要在各层柱上端加上水平支座，如图b所示。这些支座的水平反力是H’i。计算MIs时则按图c，框架只承受反向的H’i 　　。式（3）的增大系数α2i可以由位移分析计算导出，并经过用精确方法检验。当α2i大于1.33时，说明框架侧移刚度太小，宜进行调整。从式（2）可以看出，二阶效应只是使侧移弯矩MIs增大，而无侧移弯矩MIb并未增大。当式（1）左端不超过0.1时，增大系数α2不超过1.1，二阶效应使杆端总弯矩增大的幅度小于10%。 　　二．初始变形的考虑 　　由于结构构件并不是理想的毫无缺陷的直杆，导致初弯曲会对受压构件的稳定性产生一些不利影响，这一点在一般的钢结构教材中都有相关论述。除此之外，初始变形还需要考虑一种情况，也就是柱子的初始倾斜问题。依据《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205）中所谈到的，对框架柱的垂直度允许存在一定的偏差，但不宜过大。如果存在初始侧倾△0时，荷载对它产生倾覆力矩则为△0。它的不利效应可以采用假定水平荷载式： 　　H=P△0／h=Ψp（4） 　　20世纪90年代国外提出了钢结构设计规范，就已经开始在框架设计过程中引入假想水平荷载。然而这个荷载的取值不是简单的取决于安装偏差，而