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網(wǎng)架（殼）及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計釋義與誤區(qū)的探討（一）

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計院 丁蕓孫）

    一、網(wǎng)架（殼）高次超靜是否比平面結(jié)構(gòu)可靠度高
    一般概念網(wǎng)（殼）架高次超靜定要比平面結(jié)構(gòu)更可靠，從美國哈特福特109×92m網(wǎng)架倒塌后，有的認(rèn)為網(wǎng)架會連鎖破壞，多次超靜定優(yōu)點發(fā)揮不出、國內(nèi)也有試驗做出來，一根桿件壞了另外一根跟著壞，問題是試驗本身不符合實際，根據(jù)Mero規(guī)程，第一根桿壞了，第二根桿再壞時安全度K=1即行了，是體系可靠度，而試驗的安全度完全靠加荷載，第一根壞了，第二根荷載無法降低，安全度不降當(dāng)然跟著壞，所以網(wǎng)（殼）架的高次超靜定安全度仍然比平面結(jié)構(gòu)大，當(dāng)然也不能忽略優(yōu)化滿應(yīng)力的缺點。
    二、荷載
    1、自重分項系數(shù)為何分1.2和1.35
    分項系數(shù)用1.35是在恒載控制時，如用1.2則安全度會比活載占控制時低，因此1.35是彌補安全度。
    2、活載要不要取不利位置。平板網(wǎng)架不必要，歷來都未考慮；一些對活荷載不利布置較敏感的結(jié)構(gòu)(如拱．筒殼等)需要考慮.
    3、附加荷載何時需按集中荷載考慮。超過25kg/m2的附加荷載需考慮有無集中荷載，25kg重的空調(diào)機在檁條計算時即需按集中荷載。
    4、我國要不要考慮龍卷風(fēng)。龍卷風(fēng)范圍小時間短破壞驚人，我國龍卷風(fēng)少只好不考慮。
    5、我國風(fēng)載是否比國外小很多我國目前按10分鐘，美國按30-40秒兩者差1.5，但美國允許風(fēng)載時應(yīng)力提高1.33，這樣1.55/1.33=1.1, 美國風(fēng)載比我國只大1.1倍。
    6、橫風(fēng)向效應(yīng)在什么情況下考慮。風(fēng)力一般只考慮順風(fēng)力，我國的風(fēng)壓、陣風(fēng)、風(fēng)振都僅考慮順風(fēng)力，而由于風(fēng)的渦旋脫落引起彎與扭的耦合振動，如馳振、顫振等，有動力失穩(wěn)時才考慮橫向風(fēng)，橋梁較多考慮，超高層鋼結(jié)構(gòu)房屋也要考慮。
    7、低矮房屋的風(fēng)載體型系數(shù)適用于高度小于18m，且檐口高度小于房屋最小平面尺寸的房屋，此時即可按門架規(guī)程的體型系數(shù)。而有的做法以 1/h ≤ 4為分界，找不到依據(jù)，不需遵守。
    8、門架規(guī)程的風(fēng)體型系數(shù)與荷載規(guī)范相比對門架有何影響。二本規(guī)范的差別，門架規(guī)范向上風(fēng)大，而荷載規(guī)范水平風(fēng)大，結(jié)果是門架規(guī)程偏于安全。
    9、門架規(guī)程風(fēng)載為何要乘1.05國外一般低矮房屋在海岸線時應(yīng)乘以1.1，而我國都乘以1.05。
    10、部分開敞與開敞建筑如何判定。部分開敞即一面墻開口超過其余墻面和屋面開口面積的總和，并大于該墻面面積的50%，在開口大時其內(nèi)部風(fēng)力也應(yīng)加大為+0.6 ～ -0.3，開敞建筑開口超過墻面面積的5%.
    11、端部門架如何算風(fēng)力。當(dāng)端部風(fēng)載加大區(qū)域小于柱距時，端部門架也應(yīng)按風(fēng)力加大考慮。
    12、門架坡度>10%能否用門架規(guī)程風(fēng)體型系數(shù)。門架規(guī)程的風(fēng)體型系數(shù)是考慮坡度≤10%，如果超過坡度10%，門架體型系數(shù)應(yīng)按MBMA應(yīng)加大10%。
    13、航空航天的風(fēng)洞試驗?zāi)芊裼糜诮ㄖ?br /> 過去風(fēng)洞試驗都用航空航天的試驗設(shè)備、但建筑在地面高度600m以內(nèi)的邊界層風(fēng)速是改變的與航空航天高空不同，風(fēng)速變化將引起氣流流動及風(fēng)壓值改變，對于有尖角的建筑如平頂房屋即一般廠房，其氣流層的分離點與在尖角處，風(fēng)速變化影響小，而曲面結(jié)構(gòu)其氣流風(fēng)速在變。引起氣流分離，其分離高度S是變化的(圖1)，因此，曲面應(yīng)采用風(fēng)速變化的風(fēng)洞試驗，而平屋頂可以勉強用航天航空風(fēng)洞試驗。

    14、CFD（計算流體力學(xué)）能否代替風(fēng)洞試驗
    CFD的測量系統(tǒng)不會對流體產(chǎn)生干擾，可以避免風(fēng)洞試驗縮尺而帶來的相似的問題，對于流動參數(shù)選擇有靈活性，價格也便宜，航空航天方面已使用很成熟，土建剛起步，對于有湍流分離等復(fù)雜問題還會有一定問題，但風(fēng)洞試驗也存在更多問題，因此可以代替風(fēng)洞試驗。
    15、筒殼，球殼等風(fēng)體型系數(shù)各國規(guī)范出入較大該如何辦
    對筒殼目前我國規(guī)范與澳、美及前蘇聯(lián)都比較接近，由于風(fēng)荷的復(fù)雜性與風(fēng)洞試驗的不完善，因此出入是正常的，目前的澳、美和前蘇聯(lián)的比較安全，見圖2，如果有體型相似的風(fēng)洞試驗，也應(yīng)多做一些驗算。

    對彎頂即球殼，目前我國規(guī)范可以用，最好也按英國荷載手冊再驗算（可參考網(wǎng)殼設(shè)計書，尹德鈺、劉善維、錢若軍、中國建筑工業(yè)出版社）。
    挑棚的英國規(guī)范最安全見圖3：

    由于風(fēng)的復(fù)雜性，各國規(guī)范不一致，一般應(yīng)求取最大值來驗算。
    16、圍護結(jié)構(gòu)是否要考慮陣風(fēng)
    陣風(fēng)是瞬時風(fēng)，一般加大2倍，瞬時下塑性材料的鋼材應(yīng)力可以提高，因此陣風(fēng)下鋼材是安全的，不需考慮陣風(fēng)系數(shù)，而玻璃是脆性材料就不能提高應(yīng)力必須考慮陣風(fēng)。如果鋼的圍護結(jié)構(gòu)考慮了陣風(fēng)，就在可能大風(fēng)時不是吹掀圍護結(jié)構(gòu)而會危及主體結(jié)構(gòu)反而不利，當(dāng)然加強圍護結(jié)構(gòu)的連接和螺栓是需要的。
    17、風(fēng)振系數(shù)怎樣計算
    風(fēng)分穩(wěn)定風(fēng)與脈動風(fēng)，體型系數(shù)是假定結(jié)構(gòu)是剛性的，因此就考慮穩(wěn)定風(fēng)，實際上結(jié)構(gòu)并非剛性的，風(fēng)是非定常的，在有一定柔性的結(jié)構(gòu)上會引起風(fēng)力改變，風(fēng)力又將引起結(jié)構(gòu)變形和振幅的加大，造成某些共振，也即是風(fēng)振。大跨度屋蓋現(xiàn)要求考慮風(fēng)振，但并無統(tǒng)一算法，設(shè)計很是為難，計算又比較復(fù)雜，根據(jù)北京市設(shè)計院分析，24×21～60×88m網(wǎng)架風(fēng)振系數(shù)為1.2；同濟大學(xué)對200m長挑看臺,其跨中懸臂部分風(fēng)振系數(shù)也僅1.9。因為挑蓬的柔度要比大跨屋蓋大得多,因此目前大跨屋蓋暫時考慮最大點風(fēng)振系數(shù)1.5,并按撓度曲線求出對應(yīng)的風(fēng)振系數(shù)，可以作為驗算參數(shù)。
    18、筒殼敞開二端時風(fēng)荷如何取
    目前規(guī)范沒有這樣的數(shù)據(jù)，但可以想象風(fēng)從筒殼內(nèi)經(jīng)過時必然將屋蓋向下吸?，F(xiàn)根據(jù)羅堯治教授做的鴨河口108m筒殼風(fēng)洞試驗，是考慮了二端開口時，風(fēng)與平行于筒殼線150風(fēng)向下壓的數(shù)據(jù)可作參考（見圖4），由于煤不可能堆滿，因此有煤堆與無堆沒有差別。

    19、屋面上雪載與地面雪載哪個大
    屋面由於風(fēng)會吹去一部分雪，厚度比地面小但由于雪融化后吸收在積雪的海綿體內(nèi)使密度加大，國外一般取屋面雪載為0.7倍地面雪載；美國采暖房屋為1.0，非采暖則乘以1.2；我國采用雪載分布系數(shù)反映屋面雪載，對采暖和非采暖房屋則未加區(qū)別。
    20、筒殼等網(wǎng)殼雪堆如何考慮
    雪載資料目前比風(fēng)載少，而且也無法做類似的風(fēng)洞試驗，尢其不均勻的雪載影響難以判斷。目前筒殼的雪載取值，我國與前蘇聯(lián)比較接近，可以采用，也反映了雪堆。球殼我國沒有規(guī)范，目前只有英國瑟雷大學(xué)的（可見網(wǎng)殼設(shè)計書），所以對于雪載大的地區(qū)雪堆應(yīng)引起注意。最近北京航站樓是一個扁平的殼，同濟大學(xué)利用兩相流理論，模擬風(fēng)載對雪漂作用，雪堆達到1.2-1.5。
    三、穩(wěn)定
    1、穩(wěn)定為何復(fù)雜
    穩(wěn)定是“混沌”問題，比隨機、模糊都要復(fù)雜，歐拉公式至今已236年，但在穩(wěn)定理論方面進展不大。隨機問題可用概率法來解決，事先不知；事后可知；模糊問題屬于有些說不清的問題，屬于經(jīng)驗的問題如專家系統(tǒng)等，可以用模糊數(shù)學(xué)解決，但混沌問題理論較深，缺乏數(shù)理資料，當(dāng)前還無法解決?；煦绲奶攸c是非線性、解的多樣性、初始值敏感，因此振動、地震均是混沌。
    2、第二類失穩(wěn)是否是強度問題
    從現(xiàn)象看似乎是強度問題，但應(yīng)是穩(wěn)定問題。強度與穩(wěn)定的區(qū)分：強度是截面承載力；而穩(wěn)定是整體桿件承載力問題，伴隨大變形，過去規(guī)范用δ= N/φA是混淆概念，將穩(wěn)定表達為強度，現(xiàn)已改進。
    3、二階效應(yīng)與非線性分析有什么區(qū)別
    二者本質(zhì)一樣，都是由變形后的軸線來求得平衡條件，但二者在概念上有區(qū)別。非線性分析有幾何非線性與物理非線性之分，二階僅對一階而言，只有幾何非線性。對于柔性結(jié)構(gòu)根本就沒有一階二階之分，就是非線性。
    4、計算長度與非線性關(guān)系
    計算長度是在一階基礎(chǔ)上考慮變形引起的附加彎矩，是近似的非線性分析，如懸臂柱計算長度Lo=2L，也就是懸臂柱所產(chǎn)生的附加彎矩與一個跨度2L的筒支柱的附加彎矩等效。以筒支柱的附加彎矩作為標(biāo)準(zhǔn)，計算長度是近似的，如一個懸臂柱設(shè)計取Lo=2L,但在圖5情況下,左柱上下各有1個鉸，要傾倒，必須由右柱加以支持，精確計算右柱L0=2.69h，一個框架再加一個搖擺柱，要保證其不失穩(wěn)必然靠框架支撐。因此按一般規(guī)范所給的框架計算長度即不對。應(yīng)該取

    其合力延長線與曲線交點才是計算長度。這些情況無法一一反映，因此計算長度是近似的。
    5、網(wǎng)殼穩(wěn)定是混沌問題，為何穩(wěn)定問題能解決
    沈土釗院士、陳昕教授最大的貢獻是經(jīng)過2800次試算，采用“一致缺陷摸態(tài)法”即結(jié)構(gòu)缺陷分布正好與結(jié)構(gòu)最低階的模態(tài)一致，得到在一般正常缺陷下穩(wěn)定承載數(shù)值不小于下臨界點，這樣就使計算工作簡化。當(dāng)然網(wǎng)殼穩(wěn)定的解決并不是從理論上解決，而是從工程處理上解決了難題，因為數(shù)值分析時人為假定失穩(wěn)的荷載位移曲線，以控制變形來解決穩(wěn)定。

    6、用幾何非線性如何考慮物理非線性影響
    單層網(wǎng)殼是多次超靜定，千百個自由度解決穩(wěn)定問題已屬非常困難，如果再考慮物理非線性是不可能的，因此考慮物理非線性及缺陷敏感總的安全度取4.2。對于其他結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定分析的公式如何考慮，看法不一，我們分折網(wǎng)殼安全度取K=4.2是包括外部荷 載及抗力不確定性，也即一般結(jié)構(gòu)的安全度1.64，而由于復(fù)雜的穩(wěn)定性不也包括缺陷敏感及工作條件為1.2，而強塑性影響取1/10.47=2.12.
    1.64×1.2×2.12=4.2,因此其他結(jié)構(gòu)計算中已考慮了強塑性，缺陷不如網(wǎng)殼敏感，如采用正則長細(xì)比按柱子曲線考慮穩(wěn)定，已考慮了強塑性，有的結(jié)構(gòu)完全按強性非線性分折，而斷面計算按規(guī)范已考慮了強塑性，像以上結(jié)構(gòu)只要在原有安全度和附加安全度1.2左右即可，當(dāng)然如果有類似的于網(wǎng)殼又對缺陷非常敏感的結(jié)構(gòu)，應(yīng)按網(wǎng)殼采用安全度。
    7、鋼管立體框架平面穩(wěn)定如何考慮
    根據(jù)羅堯治教授研究與跨度L有關(guān)（圖8）

    8、棱形柱、格構(gòu)式柱、園弧實腹拱的平面內(nèi)穩(wěn)定如何計算。
    根據(jù)郭彥林教授研究，這些結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析仍沿著實腹柱設(shè)計思路，將受壓直線等價歸納到計算長度，但結(jié)構(gòu)特性λ用正則化長細(xì)比，然后代入柱子穩(wěn)定公式（詳見清華大學(xué)郭彥林教授文章，棱形柱的穩(wěn)定性能研究和應(yīng)用，第十一屆空間結(jié)構(gòu)論文，“采實腹圓弧拱平面內(nèi)穩(wěn)定極限承載力設(shè)計”，清華大學(xué)論文鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)總鑒（建筑篇），日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會，中國建筑出版社）。
    9、交叉拱的穩(wěn)定如何考慮
    根據(jù)羅堯治教授分析：交叉拱的屈曲荷載比單拱高出4倍。
    10、人行道的受壓弦桿平面外不穩(wěn)定如何辦
    人行橋有的希望上面弦桿外全無支撐，因此是難以解決的問題(圖9)?，F(xiàn)國外資料利用腹桿的剛度及受拉弦桿的扭轉(zhuǎn)剛度作為上弦壓桿的支撐，具體算法可見（JA，Packer J.E Headerson J.J CAO，“空心管結(jié)構(gòu)連接設(shè)計指南”，科學(xué)出版社）

    1、網(wǎng)（殼）架支座假定與排架有何不同
    排架柱子都是懸臂柱承受水平力后整個排架靠懸臂柱承受，懸臂柱承受很大彎距，而網(wǎng)架柱則設(shè)定網(wǎng)架是一塊板，將水平力傳至二側(cè)的柱間支撐承受(圖10)，因此網(wǎng)架原則上不承受彎距，只要考慮P-Δ效應(yīng)。二者有本質(zhì)區(qū)別：設(shè)計網(wǎng)架一定要摒棄排架概念。
    2、網(wǎng)（殼）架是否一定要整體計算，即網(wǎng)（殼）架與柱子一起算
    整體計算應(yīng)該是最理想的計算，但由于有些程序沒有梁元，計算有困難；另外，對于獨立柱來說，把柱子當(dāng)一個彈簧與整體計算，其差別在10%左右，工程是可以接受的，對于下部結(jié)構(gòu)是框架或更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，必須整體計算。
    3、平行墻面的支座能否假定都不動
    平行墻面的支座設(shè)定不動，這樣水平力如何分配到各支座算不清，只好與柱子整體計算，而一般30-40m的網(wǎng)殼，受力不大，算不清就算了，可以當(dāng)不動支座?？缍却?、力大，最好是在二側(cè)柱間支撐取2個支座不動，其他支座均假定可動，這一方面對釋放溫度力有利，更主要的是不動支座處力很明確，就是W/4（圖11），為果柱間支撐是二跨這樣算又不準(zhǔn)了，因為力會集中在前面柱間支撐不符合實際情況（圖12）。當(dāng)水平力很大時，一般就將柱間支撐斜桿直接焊到下弦球上，這樣避免了支座受彎。這時如果其他支座沿墻是不動的，則要注意從構(gòu)造上、下部結(jié)構(gòu)柱子間還應(yīng)加連梁，否則柱頭平面內(nèi)就不穩(wěn)定了。當(dāng)支座采用球，二邊加斜撐撐到圈梁上也能避免支座受彎，但要進行驗算。
    4、所有支座都用可動支座行不行
    不少工程所有支座均做成任意方向可動，建成后也未發(fā)現(xiàn)問題，這種情況屬于約束不穩(wěn)定，整個結(jié)構(gòu)是可動的，在水平力不大時不會有問題，但風(fēng)力大時是不允許的。

    5、支座什么情況下該考慮轉(zhuǎn)動
    根據(jù)過去經(jīng)驗，60m鋼屋架就在支座處考慮轉(zhuǎn)動，當(dāng)時的條件只能在構(gòu)造上放松螺栓允許轉(zhuǎn)動，桿件并要考慮附加彎距。目前一般50m的結(jié)構(gòu)就應(yīng)考慮支座轉(zhuǎn)動，空間結(jié)構(gòu)應(yīng)多向轉(zhuǎn)動。
    6、有沒有拱沒有水平推力的
    現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)介紹，通過予應(yīng)力安裝的拱就沒有水平推力，事實上看起來沒有水平推力，從而引起力學(xué)基本概念的混亂，為什么看起來沒有水平推力，因為實際上水平推力由地面摩擦力承受，因為荷載很輕，拱矢高很高，有些拱結(jié)構(gòu)在拱架下弦加了予應(yīng)力P，這種結(jié)構(gòu)與在拱架處外加予應(yīng)力P的結(jié)構(gòu)是不同的，不能講會沒有水平推力；只有外荷及自重的彎距M （本文為問題探討，難以列出參考文獻，可參考作者其他文章）
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