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門式剛架鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計評述

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

    陳友泉 譯

    [摘要] 雖然在一定范圍內(nèi)門式剛架是一種最簡單的結(jié)構(gòu)型式，但設(shè)計者至少要像其他更復(fù)雜結(jié)構(gòu)一樣，滿足不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則。按照最近研究的門式剛架的工況特性回顧當(dāng)前的門式剛架設(shè)計，特別是加腋梁的穩(wěn)定性問題。給出了這類構(gòu)件的側(cè)向穩(wěn)定驗算導(dǎo)則。
        一、前言
        近年來，有大量的門式剛架設(shè)計的驗算問題提出來，工程師們在驗算過程中不總是像塑性設(shè)計那樣熟悉。在過去20年，英國的門式剛架已定型化，在檐口處設(shè)計高腋得到細長的剛架，這導(dǎo)致了進一步設(shè)計帶有高而細長的加腋的大跨度剛架。盡管已有了一般的設(shè)計原理導(dǎo)則，包括構(gòu)件的側(cè)向穩(wěn)定，但仍存在有忽視導(dǎo)則，或錯誤理解導(dǎo)則的問題。現(xiàn)在適宜去檢查當(dāng)前的設(shè)計方法、評價設(shè)計的“灰色”領(lǐng)域，特別是加腋梁的失穩(wěn)問題。著重給出一個驗算這類構(gòu)件側(cè)向穩(wěn)定的方法。

        雖然在一定范圍內(nèi)門式剛架是一種最簡單的結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計者或許滿足了比其他結(jié)構(gòu)更多的設(shè)計準(zhǔn)則，圖1給出了這類結(jié)構(gòu)的一些設(shè)計準(zhǔn)則。在討論各種不同方面的細節(jié)之前，簡單地回顧一下門式剛架的塑性設(shè)計應(yīng)用的背景情況。
        劍橋大學(xué)的Baker教授和他的同事們做了研究工作提出塑性分析方法，幾年后，在50年代中期，該理論成功地應(yīng)用于門式剛架建筑中，現(xiàn)今，有40%的鋼結(jié)構(gòu)為門式剛架，全部采用了這個設(shè)計方法。
        圖2（圖2略）說明了劍橋大學(xué)的試驗形式，與當(dāng)今大跨度剛架相比屬于小尺寸試驗。
        從破壞的剛架照片可以清楚地看到，真實的結(jié)構(gòu)塑性分布超過最初的屈服截面，產(chǎn)生一個延伸的屈服區(qū)域，不像理得到論所假定的簡單塑性鉸。注意到相對剛度大的檐口梁連接2個剛架對柱子頂部有一定位約束，檁條在破壞過程中已橫向扭曲。
        二、整體強度考慮
        在門式剛架設(shè)計中應(yīng)用塑性理論通常是采用半圖解法，采用這種方法按照幾何尺寸和剛架上的荷載先定義未知內(nèi)力（反力），然后反力產(chǎn)生的彎矩按圖3的簡支彎矩圖迭加。對于等截面剛架這清楚地顯示了迭加后的彎矩圖，可看作是反力彎矩圖和簡支彎矩圖兩者之差，通過排列足夠的塑性鉸得到破壞模式，只要塑性鉸的彎矩代表最大值條件，則可以得到唯一的解答。根據(jù)允許鉸彎矩可以確定構(gòu)件尺寸。
        允許荷載系數(shù)對于塑性設(shè)計是1.7，然而新提出的極限狀態(tài)法建議采用荷載分項系數(shù)法，表明等效的荷載系數(shù)可以減少到大約1.55，精確值取決于外加荷載與恒載之比例。這意味著撓度和穩(wěn)定將對最后的設(shè)計有更大的影響，荷載越低，剛架變得越細長。
        在這個國家（注：指英國）通常恒載加活荷載產(chǎn)生的彎矩控制設(shè)計（見圖3所示），除非剛架是非常高或有極端的大風(fēng)壓力。在許多國家，例如中東，雪荷載不是設(shè)計控制條件，普通的破壞模式可以是側(cè)向搖擺失穩(wěn)，即風(fēng)荷載變成為控制設(shè)計的因素。如果不能確定是否由對稱性破壞模式控制最大設(shè)計彎矩，這兩種力學(xué)模式總是需要驗算的。

           通常的門式剛架在檐口處有一個加腋（見圖1所示），表明了一個典型的結(jié)構(gòu)型式。最初，采用一個短的加腋是考慮加大螺栓群的力臂。然而實際認識到，用一個更長的加腋可能減少梁的彎矩從而減少梁的尺寸。當(dāng)然，柱子的彎矩會有相應(yīng)的增加，即，有不同的截面用于柱和梁。這樣的結(jié)果證明是經(jīng)濟的，因為梁的長度通常大于柱子的長度。用鋼量的節(jié)省足以補償加腋的材料費用及其制作費用。一個典型的加腋門架的組合彎矩見圖4所示。注意，靠近加腋處柱子的彎矩取決于連接處的加腋高度。在屋脊處的加腋（見圖1）有助于減少撓度，但對強度沒有影響，因為塑性鉸發(fā)展遠離其加腋處。然而，屋脊加腋的措施對于屋脊處連接的設(shè)計有重要影響。
           檐口加腋的尺寸取決于剛架的幾何尺寸和作用的荷載，即加腋必須能夠承受彎矩、軸力、剪力以及維持在其端頭的塑性變形。通常的實踐是設(shè)計成二倍于基本梁的高度以便加腋部分的材料能從同樣的梁中得到，即UB（一剖兩）切割。當(dāng)然，采用焊接板，加腋的制作有所不同。然而，雖然從強度的觀念這些板是可接受的，但它們能在靠近受壓翼緣引起高殘余應(yīng)力，使得加腋對失穩(wěn)更敏感。當(dāng)構(gòu)件整體穩(wěn)定和局部屈曲控制設(shè)計時，有時采用比基本梁截面更大的翼緣加腋是有優(yōu)勢的。
           柱底為鉸接剛架的快速設(shè)計方法是假定一個適當(dāng)?shù)牧航孛妫鶕?jù)其塑性鉸的位置是在屋脊附近處，定義該處的彎矩，就可求得柱基礎(chǔ)的水平反力，由此，加腋處的柱彎矩可以很容易算出，一個適當(dāng)?shù)臉?gòu)件尺寸可以確定。這個分析是假定塑性鉸是在梁和柱的等截面部位，而不是在加腋區(qū)內(nèi)，因此，重要的是在加腋區(qū)內(nèi)的彈性應(yīng)力小于所考慮截面的屈服彎矩所對應(yīng)的應(yīng)力，即，加腋在允許荷載條件下必須保持為彈性狀態(tài)。
           對于多跨等截面剛架，屈服肯定僅出現(xiàn)在端跨，設(shè)計并不比單跨剛架更復(fù)雜。內(nèi)部柱可以設(shè)計成簡單搖擺柱，但不推薦這種辦法，事實上，可假定外加雪載在多跨剛架中產(chǎn)生不平衡荷載，建議要檢查內(nèi)部柱子的內(nèi)力。相似的多跨剛架（凹谷處的梁支撐主剛架，而沒有內(nèi)部柱的幫助），應(yīng)對不對稱荷載進行考慮，即：應(yīng)驗算保證凹谷處的梁在不平衡扭曲荷載作用下滿足彈性設(shè)計要求。
           隨著計算機的應(yīng)用，特別是微型計算機的廣泛應(yīng)用，構(gòu)件的分析和設(shè)計迅速發(fā)展成為僅僅是電算程序的應(yīng)用，它們在處理多跨剛架在不同荷載條件下，最為有效。當(dāng)今許多商業(yè)化的電算程序通過線性規(guī)劃依據(jù)用鋼量最省或造價最低的原則編制。借助于任何一個軟件包，設(shè)計者的責(zé)任是檢查從電腦中得出的結(jié)果。
           一般來說，開孔不影響構(gòu)件的設(shè)計，除非是在塑性鉸的位置上開孔，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)驗算其強度。
           三、穩(wěn)定考慮
           塑性理論假定次效應(yīng)（例如局部構(gòu)件的穩(wěn)定）在極限荷載到達之前并不引起結(jié)構(gòu)失效，不管是柱子還是梁。局部屈曲取決于翼緣的寬厚比，如果寬厚比超過其限值（與鋼材的設(shè)計強度有關(guān)），是不允許塑性變形的。這些限值列在手冊BCSA/Constrado的承載能力表中。
           設(shè)計的主要的問題是驗算構(gòu)件是否穩(wěn)定，如果一個構(gòu)件不穩(wěn)定，應(yīng)確定需要多少側(cè)向支撐，及安置在什么位置以保證構(gòu)件穩(wěn)定。側(cè)向支撐的間距在塑性鉸部位最為重要，這些部位在剛架完全壓潰之前必須能夠出現(xiàn)轉(zhuǎn)動。一種很好的做法總是在檐口處的塑性鉸處加一側(cè)向約束，極少可能第一個塑性鉸在屋脊附近形成。除非在構(gòu)件長度內(nèi)包含一個塑性鉸，屋面梁上的側(cè)向約束要求與BS449（注：指英國規(guī)范）中彈性設(shè)計是相同的。
           柱子穩(wěn)定按塑性設(shè)計在早期的BCSA-23版討論了，現(xiàn)在的新版作為補編列在塑性設(shè)計中。后者給出了幾個構(gòu)件穩(wěn)定性的驗算例子，類似地可以對于含有一個塑性鉸等截面梁進行驗算，然而不必強調(diào)BCSA-23版的驗算不可用于驗算構(gòu)件的變截面部分，尤其是加腋。
           有時會出現(xiàn)柱子不能在整個長度被面板墻梁約束的情況，這種情況在實踐中可能出現(xiàn)（例如在一個大的門洞附近），在柱子中部受壓翼緣無支撐。在這種情況中，要么柱子的截面加大到可滿足整個自由長度的穩(wěn)定條件，要么將柱子包裹起來直到加腋的下面。除非磚墻由銷子或墻筋牢固連在柱子上，否則，在建筑物的整個使用期內(nèi)，墻體能否約束柱子的側(cè)向穩(wěn)定是值得懷疑的。
           BCSA-23版中的曲線已知是保守的（見圖5所示典型的曲線），作為將來進一步研究的問題，更新的一套曲線發(fā)表在Consdrado的專題研究報告中。

           BCSA-23版也考慮其他設(shè)計準(zhǔn)則，如腹板的初始屈曲。如果腹板高厚比超過規(guī)定的值（取決于鋼材設(shè)計強度），將出現(xiàn)初始屈曲，除非平均的軸向應(yīng)力被限定。這些限定值也已在出版的《塑性設(shè)計》中給出。
           應(yīng)該注意到，在BCSA-23版中關(guān)于驗算失穩(wěn)的要點是針對無約束構(gòu)件。不用說，門式剛架中的邊柱的一個翼緣通常由面板墻梁有間隔地約束。在柱底鉸接剛架中，破壞的模式是對稱的，正是受拉翼緣被墻梁約束。屋面梁類似地被檁條約束。次構(gòu)件和圍護板之間的組合作用足以約束主構(gòu)件的側(cè)向移動，即主構(gòu)件的出腹板平面外被約束。另一方面，由檁條、墻梁對主構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)約束效果取決于許多因素，即：次結(jié)構(gòu)的剛度，次構(gòu)件和主構(gòu)件之間的連接件的彎矩一轉(zhuǎn)角特性，主構(gòu)件的局部變形和蒙皮面板的特性。主構(gòu)件和檁條/墻梁之間的標(biāo)準(zhǔn)連接沒有顯著的抗彎能力（見圖6），因此，通常在理論分析時忽略不計它們所具有的小抗扭能力。
           事實上，Horne和Ajmani在驗算穩(wěn)定時考慮了次構(gòu)件對受拉翼緣提供的側(cè)向約束，他們表明，對于具有足夠小的檁條/墻梁間距，一個帶有端彎矩的軸向受力構(gòu)件會繞著與連接件一致且平行于構(gòu)件中心軸扭轉(zhuǎn)屈曲，即無約束受壓翼緣整體繞約束軸扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致構(gòu)件整體破壞（見圖6所示，圖略）。如果檁條/墻梁間距大于?臨界值，屈曲將出現(xiàn)在約束構(gòu)件之間，即“支撐間的破壞”。當(dāng)出現(xiàn)支撐間破壞時，應(yīng)采用BCSA-23版中所給出的設(shè)計方法，該方法應(yīng)用于支撐間的計算長度中含有一個支撐處的塑性鉸。對應(yīng)于最大作用應(yīng)力低于屈服應(yīng)力的彈性設(shè)計方法也在BCSA-23版中給出。
           Horne和Ajmani所研究的特殊問題提出了整體破壞的彈性和塑性設(shè)計方法，考慮了彎矩在兩支撐端之間線性變化的軸向受力構(gòu)件，如柱子的情況。假定繞約束軸扭轉(zhuǎn)屈曲破壞和一般的處理方法類似于無約束構(gòu)件，該兩種設(shè)計方法可在Constrado專題研究報告再導(dǎo)出。對于更小的長細比，適用的荷載在塑性范圍內(nèi)，兩端彎矩比（β）可以是任意的，所對應(yīng)的穩(wěn)定曲線通過考慮屈曲后行為導(dǎo)出。一個更一般的適合于等截面梁的計算方法也被提出，Horne將其延伸用到非等截面梁，例如加腋。
           當(dāng)考慮梁的加腋部分時，應(yīng)驗算彈性穩(wěn)定以保證加腋處的應(yīng)力不超過失穩(wěn)，正如所提到的，BCSA-23版中關(guān)于梁穩(wěn)定的要點導(dǎo)則是根據(jù)等截面梁情況進行的。影響承受平面內(nèi)彎曲的結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定的一個重要判據(jù)是沿構(gòu)件的應(yīng)力分布，因為彈性截面模量對于等截面梁是不變的，這個判據(jù)因素由彎矩遞度參數(shù)β來代替。然而，在變截面構(gòu)件中，例如加腋梁，正是沿構(gòu)件的實際應(yīng)力分布是設(shè)計判據(jù)，而不是彎矩（見圖7所示）。當(dāng)塑性鉸在加腋未端，只要對塑性鉸部位的受壓翼緣有側(cè)向約束，加腋本身可能按彈性理論設(shè)計。再進一步推薦，加腋本身不設(shè)計成包含一個塑性鉸，因為塑性失穩(wěn)的要求條件比彈性失穩(wěn)更嚴。曼切斯特大學(xué)最近研究了在使用荷載水平作用下讓加腋梁達到塑性狀態(tài)，結(jié)果表明側(cè)向支撐之間的有效計算長度的計算規(guī)則變得更為嚴格，即需要用更多的側(cè)向約束。塑性并不僅限于塑性鉸位置而是分布在加腋區(qū)這一事實導(dǎo)致構(gòu)件更容易失穩(wěn)，特別是如果還有其他的失穩(wěn)因素存在，例如來自于受壓翼緣附近的焊接殘余應(yīng)力。

           四、加腋構(gòu)件的彈性側(cè)向穩(wěn)定
           驗算加腋構(gòu)件的彈性側(cè)向穩(wěn)定是根據(jù)沿其受拉翼緣有間隔布置在主剛架之間的檁條約束，構(gòu)件承受允許軸向力P連同腹板平面內(nèi)的彎矩，見圖8所示。



           方程（3）假定計算應(yīng)力時的彈性抗彎模量僅根據(jù)雙翼緣截面，即忽略了任何中間的翼緣。然而Horne和Morris將計算方式推廣到中間翼緣，僅需調(diào)整方程（3）中的3000為4200。假定彈性抗彎模量是由梁的正交截面得到（見附錄A中的計算方法）。
           曼切斯特大學(xué)的研究評估了中間翼緣對加腋構(gòu)件的穩(wěn)定的影響以及比較試驗結(jié)果和不同的理論計算，加腋梁的試驗裝置之一就是構(gòu)造類似的現(xiàn)場條件，即受拉翼緣由冷彎型鋼檁條約束，檁條上有石棉板排列約束。屋面系統(tǒng)對試件的約束按照實際工程類型且有類似的剛度（見圖9，略），檁條的遠端支承在一個可轉(zhuǎn)動的支點上，隨著試件的變形被迫做豎向移動以致試驗時沒有人為約束或干擾荷載作用在梁上。通過這項措施，可以研究任何荷載作用下加腋梁及其連接的工況行為。
           雖然穩(wěn)定的計算采用了稍為復(fù)雜的表達式，它表達了加腋構(gòu)件的計算方法，希望最后的推薦方法具有簡單的形式。當(dāng)然，這和微型電腦的問世不相干。
           五、側(cè)向約束
           在塑性設(shè)計中，構(gòu)件的各部分要求在塑性鉸位置處能夠非彈性轉(zhuǎn)動。這些部件不僅僅在設(shè)計荷載條件下必須能夠屈服，而且也必須有非彈性約束以便能提供必要的鉸轉(zhuǎn)動，因此，在塑性鉸位置處構(gòu)件應(yīng)有適當(dāng)?shù)闹蝸淼挚乖跇O限狀態(tài)下的側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形，后者的要求不針對最后一個塑性鉸的形成。兩個翼緣都需要側(cè)向約束，否則受壓翼緣將出現(xiàn)平面外反彈（kick），這種現(xiàn)象甚至在格構(gòu)式剛架中觀察到。
           在彈性設(shè)計的高應(yīng)力構(gòu)件和塑性設(shè)計的塑性鉸區(qū)域之外構(gòu)件的部分存在相同的平面外屈曲趨勢，但沒有那樣嚴重，因為塑性鉸沒有包括在內(nèi)。中間約束（它們遠離塑性鉸位置）要求有足夠剛度使構(gòu)件的屈曲發(fā)生在約束點之間，即約束點變成了側(cè)向的反彎點。再者，需要設(shè)計提供適當(dāng)?shù)膹姸群蛣偠燃s束來防止側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)。
           防止側(cè)向失穩(wěn)所需約束力的大小是被約束的受壓板件最大受力的2%。雖然約束力相對很小，但提供這樣的力（以支撐的形式）是很重要的。如果一個側(cè)向約束屈曲了或是撤移了，屈曲的模式變得更為嚴重，趨于更不穩(wěn)定?？紤]到此，《塑性設(shè)計》的作者給出了受壓翼緣面積4%的值，但沒有給出剛度要求。在極限荷載試驗時，支撐結(jié)構(gòu)過早地失效，意味事實上剛度的要求可能控制支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計，Horne教授已經(jīng)指出約束構(gòu)件的最大長細比應(yīng)該是100?？捎腥さ刈⒁獾剑?%的強度要求和長細比100的剛度要求用在實際的典型加腋構(gòu)件中，產(chǎn)生相類似的支撐設(shè)計。
           在支撐細節(jié)設(shè)計中，記住以下是重要的：正是高應(yīng)力受壓翼緣需要約束其側(cè)向位移。有時，很難在塑性鉸位置精確定位設(shè)置側(cè)向支撐。如果塑性鉸截面被認為是側(cè)向約束住了（就像對加腋端頭的受壓翼緣所描述的那樣），則支承點不應(yīng)該遠離塑性鉸位置D/2以上，D是在該特殊點處的截面高度，注意，正是受壓翼緣必須在塑性鉸位置的D/2范圍內(nèi)被約束。側(cè)向約束可以是任何形式，即交叉支承或縱向系桿只要受壓翼緣的側(cè)向移動被限制。有許多不同的約束型式最近被注意到，如圖10所示，一些是有效的，另一些則不是。

           六、檐口構(gòu)件
           兩個問題經(jīng)常被問到??檐口構(gòu)件的作用是什么？檐口構(gòu)件是必需的嗎？（這顯然意味某些人不想用檐口構(gòu)件）。
           一個檐口構(gòu)件的功能就是為柱上端提供定位約束，將縱向風(fēng)力傳給支撐系統(tǒng)。此外，這些要求可以結(jié)合其他的設(shè)計考慮，當(dāng)設(shè)計者需要檐口構(gòu)件作為圍護板的橫梁或檁條甚至天溝支架時。很清楚，檐口構(gòu)件通常安裝在柱子的頂部，有時在柱子外邊──工程中似乎用得越來越多。
           由此，除非檐口構(gòu)件和受壓翼緣直接牢靠連接，否則檐口構(gòu)件不能提供側(cè)向約束，這個側(cè)向約束對于柱子加腋交界面的受壓翼緣是非常必要的。對于通常的結(jié)構(gòu)，受壓翼緣的側(cè)向約束要求與柱子頂端的定位約束要求是分開考慮的。
           參考圖2，表明試驗裝置中的“檐口構(gòu)件”似乎是結(jié)合了兩個功能，這是因為檐口構(gòu)件的截面高度和梁一樣，這樣就為內(nèi)部受壓翼緣提供了一個定量的側(cè)向約束，僅僅很小的門式剛架會是這種構(gòu)造情況。
           七、螺栓連接
           除了驗算構(gòu)件側(cè)向穩(wěn)定外，螺栓連接的設(shè)計不可避免最受關(guān)注，連接的設(shè)計已經(jīng)存在有很大的偏差情況。最基本的是，連接的作用是將兩個主要的構(gòu)件連成一個單元體而不失去強度或引起不適當(dāng)問題例如大的變形。連接必須具有足夠的強度，在節(jié)點內(nèi)部不會產(chǎn)生塑性鉸。另一方面，局部構(gòu)件允許有一定的塑性變形能力以便得到一個有效的節(jié)點。如果連接中不發(fā)生塑性鉸，則在連接區(qū)域不需要轉(zhuǎn)動能力。連接剛度影響到剛架的整體剛度，雖然起初對結(jié)構(gòu)的剛度反應(yīng)僅僅有一個邊際效果。連接設(shè)計考慮的主要因素之一是制作成本和便易安裝，雖然成本取決于工廠加工，但詳圖設(shè)計都由設(shè)計人員處理。通常，如果工廠焊接減少，則會導(dǎo)致制作成本減少，設(shè)計連接時應(yīng)對細部加以檢查。
           首先，8.8級或HSFG螺栓無足夠延性去產(chǎn)生塑性受力分布，見圖12（c）所示。一般按低彎矩階段最實際的螺栓受力分布計算，見圖12（a）所示，其中圖12（b）提供了一個在極限荷載下的螺栓受力分布的計算模式。后者模式與結(jié)構(gòu)表現(xiàn)相一致，轉(zhuǎn)動中心定在剛度最大的部位，翼緣頂住柱腹板（封口連接）或毗鄰梁的翼緣（屋脊連接），這在試驗中通過觀察端板的邊緣已“刺傷”毗連構(gòu)件的支承表面而得以表明。

           檐口連接由于薄的柱翼緣與相對厚的端板相結(jié)合引起了復(fù)雜的問題，這個問題通常不會延伸到梁的受拉翼緣范圍之外。柱子翼緣上螺栓的作用力引起雙彎曲（杠桿撬力作用），端板經(jīng)受一個對應(yīng)頂排螺栓的懸臂作用力，此力來自于翼緣的拉力，剩余的拉力主要通過腹板傳遞到最上的二排螺栓。由曼切斯特大學(xué)所做的試驗證據(jù)建議，螺栓受力分布分布（b）是實際的，應(yīng)被設(shè)計采納。然而，取決于受拉區(qū)的剛度構(gòu)造，受拉翼緣的第二排螺栓也可能隨著第一排螺栓接近破壞而達到彈性極限，見圖12（b）中的虛線。
           假定螺栓受力分布按圖12（b）所示，通過螺栓群的抗彎能力等于連接的作用彎矩計算出螺栓的大小。當(dāng)采用極限設(shè)計彎矩時，可以假定外排螺栓承擔(dān)最大的荷載等于螺栓的彈性極限荷載。有許多計算端板厚度的方法，Douty和MeGuire根據(jù)懸臂作用導(dǎo)出計算式，但是假定作用力由整個梁的拉力引起。然而試驗表明不是這種情況，在端板附近翼緣的力顯著減小，由于一部分力直接通過梁腹板傳遞到螺栓。Blockley的方法似乎不增加端板厚度。然而，根據(jù)端板工況觀察的一個新近方法表明：一個好的經(jīng)驗作法是端板厚度接近等于螺栓直徑，只要螺栓孔的橫向間距接近5倍螺栓的直徑。一個無加勁肋的端板厚度小于螺栓直徑則太柔，導(dǎo)致不能達到連接的設(shè)計抗彎能力。
           當(dāng)連接中的柱翼緣厚度小于端板時，螺栓中的附加撬力必須要計算，或者是柱翼緣強度必須加強，這可以設(shè)置小加勁肋以減少翼緣中的橫向彎曲或是設(shè)置墊板（見圖13所示）。建議墊板的厚度至少等于端板厚度減去柱翼緣厚度之差的1.25倍。為了減小板的彎曲和由此而來的杠桿撬力作用，在設(shè)計中應(yīng)懂得螺栓的位置以安裝工具盡量能靠近梁翼緣、腹板和加勁肋來確定。

           如果屋脊節(jié)點端板延伸到受拉翼緣的外面，該端板需要用三角形板加勁，最好采用UB（一剖兩）剪切，否則，無加勁板由于相對柔性將屈服和變形，此作用會引起梁截面內(nèi)的第一排螺栓承受的荷載比設(shè)計計算的更多而可能導(dǎo)致過早的破壞，由Deakin的試驗得到這樣的破壞。采用薄的端板由加勁肋加強以消除橫向彎曲的做法看來是不夠經(jīng)濟的方案，因為它要附加制作成本。
           研究表明，連接中受壓區(qū)域的螺栓能適當(dāng)?shù)貍鬟f常規(guī)門式剛架的豎向剪力。
           轉(zhuǎn)而討論螺栓的類型問題，8.8級或HSFG螺栓，這兩種螺栓的材質(zhì)實際上是相同的，在極限荷載試驗中的行為是相似的，主要的差別在于螺栓連接的板件發(fā)生分離時。由于HSFG螺栓的予拉力，端板的分離推遲到正常使用荷載之后才發(fā)生。但一旦端板發(fā)生分離，這兩種類型的螺栓工況就沒有什么差別。HSFG螺栓予拉力的作用改善了連接的初始剛度，減少了杠桿撬力，然而，由現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范采用允許應(yīng)力，設(shè)計者可以采用比8.8級普通螺栓多25%的拉力荷載，即如果采用HSFG型螺栓，需要的數(shù)量更少。
           檢查HSFG螺栓標(biāo)記的人員要求節(jié)點板接觸面必須是密貼的，不對的是，在門式剛架范圍內(nèi)HSFG螺栓的使用并不是摩擦型，而是予拉力型（高張拉力螺栓）。對于這樣一個問題：滑移（最大2mm）對門式剛架的整體效應(yīng)如何？答案一定是沒有的，予拉力是一個很強的條件，高張拉螺栓無需結(jié)合考慮HSFG螺栓的無滑移工況條件，這無疑很快消除了關(guān)于HSFG螺栓的使用純粹只是考慮它們的高張拉強度而沒有考慮滑移問題的爭論。
           端板與加腋構(gòu)件的連接焊縫是至關(guān)重要的。如果可能，應(yīng)采用角焊縫而不是對接焊縫，這樣，不僅僅免除了昂貴的（坡口）邊緣預(yù)加工，而且減小了層狀撕裂的危險，試驗已表明這種情況。對于極限荷載條件，角焊縫的設(shè)計可按簡化規(guī)則──翼緣焊縫的組合焊喉厚度至少等于翼緣厚度，腹板焊縫的組合焊喉厚度至少等于腹板厚度。一個附加條件是：受拉一邊較大的焊縫應(yīng)延伸到腹板至少50mm以防止在角焊縫根部拉裂，但是推薦較大的焊縫連續(xù)伸過第2排螺栓，因為梁的拉力通過該區(qū)傳遞。
           最后，值得注意的是：所有的端板承受由焊縫傳遞的厚度方向應(yīng)力，在這種情況下，板的層狀危害是嚴重的。所有的端板應(yīng)驗算端部二排受拉螺栓區(qū)域的層狀撕裂。
           八、柱子腹板區(qū)域的適當(dāng)性
           靠近檐口連接的柱腹板必須能承受大的局部拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。在拉力區(qū)域超過屈服能導(dǎo)致過度的扭曲，而受壓邊應(yīng)驗算腹板壓潰和屈曲。還有一種屋蓋梁延伸到邊柱的設(shè)計情況，在這種情況下，剪切作用在柱子腹板橫截面中產(chǎn)生。柱子腹板的設(shè)計主要是驗算無加勁腹板承受加腋力等于 的能力， 是從受壓翼緣的轉(zhuǎn)動中心到頭二排受拉螺栓的中間距離（見圖14和15），如果腹板驗算不夠，則必須通過某種加勁形式提高其承載能力。


           另一個關(guān)于螺栓連接的問題是：螺栓并不總是直接安置在板件受力的部位，通常情況出現(xiàn)在加腋的受拉翼緣。應(yīng)正確地理解，連接區(qū)域的工況不但取決于節(jié)點加腋一邊所發(fā)生的情況，而且與柱子板域的工況有關(guān)。來自于加腋截面的拉力，通過螺栓引起柱子螺栓部位的翼緣變形，任何一個過度的橫向彎曲變形可以采用小加勁肋得到減少。另一個要求減少制作成本的辦法是加墊板。不幸的是，這些加強辦法（也包括加頂板）不能改善板域的抗剪能力。
           作為一個眾所周知的次要問題，研究了一種新的加勁型式，可以同時解決抗剪和柱翼緣變形問題（見圖13(f)所示）。該加勁肋采用交叉拉力構(gòu)件和水平加勁肋相結(jié)合的型式，這實際的形狀可簡單彎折形成。最近，由試驗研究比較了這種新型加勁肋和更傳統(tǒng)的加勁肋型式，試驗結(jié)果表明：Morris加勁肋結(jié)構(gòu)上有效。再者，它是經(jīng)濟的，克服了螺栓通過其他加勁肋的困難。圖13給出了試件樣品的細節(jié)，由圖13(a)~(d)描述的四個試件表現(xiàn)了類似的樣式，除了柱子翼緣的局部效果不一樣。圖16表明新型加勁肋改善了抗剪功能且因其制作簡單超過了K型加勁肋。

           雖然需彎曲，Morris加勁肋可以設(shè)計成一個常規(guī)的斜向加勁肋，Bose、McNiece和Sherbourne已經(jīng)表明，斜加勁肋的水平投影（ ）不應(yīng)超過腹板的剪切面積，因為采用更強的加勁肋不能顯著地提高抗剪承載能力。
           九、柱子基礎(chǔ)
           當(dāng)前的柱基礎(chǔ)的設(shè)計方法一般是經(jīng)驗性的，不考慮鋼柱底和砼基礎(chǔ)之間的相互作用，單獨考慮土層條件的效果。這方面的設(shè)計研究正在進行，但推薦用于設(shè)計仍為時過早。鋼和砼的相互作用工況取決于鋼板的柔性、灌漿的標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量、砼基礎(chǔ)上的HD錨栓的支承能力等。
           直到最近，鉸接柱腳的典型型式為沿著H柱的中性軸安置兩個HD錨栓，盡管嚴格說來，這種設(shè)計有一些抗彎能力。然而，為了遵守關(guān)于火災(zāi)的規(guī)程，當(dāng)屋蓋在火災(zāi)時倒塌，柱子仍能保持不倒，這個規(guī)定可解釋為使鉸接柱腳有一定的嵌固度。這可在柱子截面高度范圍內(nèi)安排4個HD錨栓，在此情況中，可以有把握地假定柱腳產(chǎn)生的部分剛接能力等于20%的柱截面的彎矩能力，只要土層條件是適當(dāng)?shù)模瑥澗胤植伎砂创诵Чm當(dāng)調(diào)整。
           盡管有這樣的防火規(guī)則，但由于場地條件或需要簡化基礎(chǔ)構(gòu)造，門式剛架設(shè)計中一般仍假定為鉸接基礎(chǔ)。這是相當(dāng)合乎規(guī)范的，因為柱底部分剛接的存在對剛架強度沒有害處。通過柱底錨固于砼基礎(chǔ)面或利用基礎(chǔ)下面的土層摩擦力或土層對橫向移動的被動抗阻，柱底的水平抗剪鍵可以取消。
           一個固定柱底的方法是采用杯口基礎(chǔ)，柱子由此伸入到基礎(chǔ)內(nèi)，然后灌漿定位。更常用的方法是安置4個HD錨栓在柱子截面的外邊，配以適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)底板的加強筋，但能夠達到充分剛接嗎？需要做進一步的研究工作來確定這個規(guī)則。
           十、剛架設(shè)計的總體考慮
           過去以為整體穩(wěn)定問題通常不影響常規(guī)坡度門式剛架的設(shè)計，因為柱子中的平均軸向應(yīng)力很小。雖然這是對的，但也應(yīng)認識到許多剛架在彎曲平面內(nèi)是細長的，這可以導(dǎo)致彈性極限荷載與塑性破壞荷載之比是非常低，尤其是附有系桿的門式剛架。在這種情況下，需二階彈塑性分析計算剛架的承載能力。
           對于單跨剛架，當(dāng)承受風(fēng)荷載作用時，限制撓度條件后，通?？杀ＷC整體穩(wěn)定不是控制因素，當(dāng)柱子頂部的側(cè)移限定在使用荷載下不超過柱高的1/300時這種情況可以確定。然而，如果能證明更大的撓度不會損害結(jié)構(gòu)的有效強度或?qū)е伦詈蟮钠茐?，撓度值可以超過。因此需要一個不影響結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定的安全撓度條件由下面的規(guī)定給出。
           柱頂在水平力作用下的水平撓度 不得超出1.8H(mm)，其中H是柱子的高度（m），該水平力作用在每個柱子頂部且方向相同，等于1%的柱子豎向使用荷載。
           多跨剛架有兩種形式的失穩(wěn)：一種是當(dāng)內(nèi)部柱子較細長時，內(nèi)部搖擺失穩(wěn)；另一種是“躍越”屈曲失穩(wěn)，對于具有拱效應(yīng)的小坡度屋面尤其危險。對于單跨剛架，搖擺失穩(wěn)正是其設(shè)計控制條件，對于“躍越”屈曲失穩(wěn)，新規(guī)程給出了設(shè)計公式。
           來自于理論分析的“剛塑性”承載能力計算應(yīng)由BCSA-29版中原始給出的圖表修正，。該圖表在Constradode增補版的“塑性設(shè)計”中再次給出，它考慮幾何改變的效果和單跨剛架的應(yīng)變硬化。這個圖表假定了剛架全部是等截面構(gòu)件，通過假定有效長度等于跨度L減去加腋總長度的一半，這個圖表仍然可以應(yīng)用于加腋剛架。
    結(jié)束：
           如果本篇論文有助于減少關(guān)于門式剛架設(shè)計的爭論問題，則本文目的即已達到。
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