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目前網(wǎng)（殼）架及鋼結(jié)構(gòu)中值得探討的問題

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:32:03 [收藏]

    丁蕓孫 中國航空設(shè)計(jì)研究院



    2、網(wǎng)架規(guī)程認(rèn)為計(jì)算公式是試驗(yàn)回歸的結(jié)果，而網(wǎng)殼規(guī)程認(rèn)為Φ500以上的球是理論分析的結(jié)果，是理論分析，還是試驗(yàn)回歸，或半理論半試驗(yàn)公式是否應(yīng)明確定性，如果是試驗(yàn)回歸，Φ500以上球試驗(yàn)很少就不能將公式延伸至Φ900，如果是理論分析如何說明沖剪破壞的機(jī)理，為什么同樣直徑的球在鋼管周長的單位長度沖剪強(qiáng)度當(dāng)直徑Φ89與Φ500差到3倍，是不是復(fù)雜應(yīng)力破壞，如何說明沖剪強(qiáng)度與鋼管壁厚沒有關(guān)系，而在數(shù)量極少的試驗(yàn)資料中Φ650的壓肋球試驗(yàn)結(jié)果4000KN而按網(wǎng)殼規(guī)程驗(yàn)算應(yīng)可達(dá)4534KN，成熟的理論計(jì)算公式不應(yīng)該在僅有個(gè)別試驗(yàn)情況下都包絡(luò)不住。
    3、即使我們認(rèn)為是成熟的理論公式是否也應(yīng)對(duì)超大直徑球進(jìn)行了一定數(shù)量破壞試驗(yàn)，以確保公式的科學(xué)性與可靠性。
    因此我們認(rèn)為目前設(shè)計(jì)中采用超大直徑球時(shí)應(yīng)慎重對(duì)待。
    二、鋼結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否要乘以陣風(fēng)系數(shù)
    風(fēng)分為平均風(fēng)即穩(wěn)定風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)，由于瞬時(shí)風(fēng)壓可能比平均風(fēng)壓高出甚多，因而要乘以風(fēng)壓脈動(dòng)的陣風(fēng)系數(shù)，陣風(fēng)系數(shù)各種規(guī)范不同，如我們將10分鐘平均風(fēng)速折算到瞬時(shí)風(fēng)速即要乘以1.5系數(shù)，折算為風(fēng)壓陣風(fēng)系數(shù)為（1.5）2＝2.25,目前我國規(guī)范陣風(fēng)系數(shù)為2左右.
    鋼結(jié)構(gòu)在瞬時(shí)荷載下應(yīng)力可提高，如地震規(guī)范規(guī)定在瞬時(shí)地震下根據(jù)結(jié)構(gòu)的塑性程度鋼結(jié)構(gòu)可考慮承載力抗震調(diào)正系數(shù)梁柱可用0.75，其含義即考慮塑性材料在瞬時(shí)荷載下應(yīng)力的提高。對(duì)于玻璃幕墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于玻璃是脆性材料在瞬時(shí)下應(yīng)力不允許提高，因此考慮陣風(fēng)系數(shù)是理所當(dāng)然，但目前許多設(shè)計(jì)均將鋼結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)乘以陣風(fēng)系數(shù)，即使設(shè)計(jì)未乘,審查單位也會(huì)要求加上，鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否要乘陣風(fēng)系數(shù)，乘了后有何后果很值得探討，如果塑性的鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)考慮陣風(fēng)系數(shù)，那么脆性的玻璃幕墻陣風(fēng)系數(shù)要不要再加大，現(xiàn)在大臺(tái)風(fēng)下均是圍護(hù)結(jié)構(gòu)掀起破壞，大部分是連接不強(qiáng)，很少主體結(jié)構(gòu)倒塌，如果鋼結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了2倍多，會(huì)不會(huì)大臺(tái)風(fēng)下圍護(hù)結(jié)構(gòu)挺住了而主體結(jié)構(gòu)倒塌。
    三、規(guī)范規(guī)定基本自振周期下大于0.25S 的工程結(jié)構(gòu)如房屋屋蓋及各種高聳結(jié)構(gòu)均應(yīng)考慮順風(fēng)向風(fēng)振影響。風(fēng)力一般有順風(fēng)力、橫向力及扭力矩，對(duì)稱結(jié)構(gòu)雖然旋渦有不對(duì)稱存在但橫向風(fēng)及風(fēng)扭力矩影響很小可忽略，順風(fēng)效應(yīng)將是主要作用，現(xiàn)在風(fēng)振即是順風(fēng)向。脈動(dòng)風(fēng)屬于隨機(jī)動(dòng)力特性，對(duì)于剛度較小風(fēng)力下變形較大的結(jié)構(gòu)在脈搏動(dòng)風(fēng)情況下會(huì)引起某種程度的共振，引起風(fēng)振，一般高聳建筑即會(huì)風(fēng)振，對(duì)于剛性建筑則不會(huì)引起風(fēng)振，絕對(duì)剛性的建筑是不存在的，只能是風(fēng)振影響小可不考慮。
    過去的經(jīng)驗(yàn)是高寬比小于1.5的結(jié)構(gòu)即不考慮風(fēng)振，現(xiàn)規(guī)范以T?0.25S為判斷，不少屋蓋結(jié)構(gòu)都要考慮風(fēng)振。規(guī)范風(fēng)振公式都僅適用于高聳建筑，風(fēng)振計(jì)算又較復(fù)雜，也無統(tǒng)一算法，一般設(shè)計(jì)單位都難以計(jì)算，而審查單位又往往根據(jù)規(guī)范一定要設(shè)計(jì)提供風(fēng)振計(jì)算，使設(shè)計(jì)單位非常為難，因此目前迫切希望規(guī)范能提供一些具體規(guī)定跨度超過多少，高寬比大于1.5的才要計(jì)算，另外也可以總結(jié)目前計(jì)算結(jié)果提出算法，如一般屋蓋計(jì)算的最大風(fēng)振系數(shù)約為1.4，風(fēng)振系數(shù)分布對(duì)四邊支承結(jié)構(gòu)為鍋底形，三面支承結(jié)構(gòu)為菠箕形，固定柱支承附近風(fēng)是振不起來的。
    四、目前我們的計(jì)算均是“滿應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)”，因此有的相鄰桿截面大小相差較大，現(xiàn)有規(guī)定認(rèn)為這不利于塑性重分布，因此要求相鄰截面之差限制在1-2級(jí)規(guī)格，這樣給設(shè)計(jì)帶來了“為難”如按此要求所有的設(shè)計(jì)程序計(jì)算后均需進(jìn)行人工調(diào)正，設(shè)計(jì)工作量大為增加難以實(shí)行，是否有此必要也值得探討。我們分析內(nèi)力塑性重分布是有一定規(guī)律的，基本根據(jù)載面大小來分布，如在一條力線上如果斷了一根桿，力就難以分配到前后桿，只能分配給左右桿，一般與力線平行的左右桿其截面不可能相差很大，這樣斷桿的力分到左右桿。根據(jù)Mero規(guī)程，當(dāng)一根桿已斷內(nèi)力重分布時(shí)已屬于體系可靠性，其安全度達(dá)到K=1.0即可，而斷的桿件通過橫向桿傳到左右桿，雖然橫向斷面與主桿可能相差較大，但短距離傳到左右桿還是能保證的，因此不需要因塑性重分布將相鄰桿均加大到只差1-2級(jí)。
    前一階段由于美國哈特福特109.7×91.4m網(wǎng)架倒塌，雖然查明倒塌原因是支撐布置不當(dāng)，腹桿失穩(wěn)，支撐偏心，但國內(nèi)外仍有人提到網(wǎng)架會(huì)“漸進(jìn)破壞”“多米諾效應(yīng)”即一根桿失穩(wěn)會(huì)引起連鎖反應(yīng)逐步失穩(wěn)倒塌，國內(nèi)還有試驗(yàn)驗(yàn)證了一根桿破壞連續(xù)引起其它桿破壞而倒塌，但我們認(rèn)為這是由于試驗(yàn)受條件限制，即安全度均用加大荷載來表達(dá)，實(shí)際上安全度是包括材料的勻質(zhì)，計(jì)算的準(zhǔn)確性及其它因素，從失效概念來分析，即一根桿斷后，第二桿斷的安全度可降低，因?yàn)闃O端不利條件使第一根桿斷裂，而第二根桿就不可能那么巧又碰上同樣極端不利條件，根據(jù)mero規(guī)程第二根斷裂時(shí)安全度可降低1.8倍，那么第二根桿壞時(shí)試驗(yàn)荷載應(yīng)降低1.8倍才對(duì)，而現(xiàn)在試驗(yàn)并不是這樣做的，而是繼續(xù)在試驗(yàn)荷載不變下，當(dāng)然第二根桿就連續(xù)斷裂而連鎖破壞，這不符合真實(shí)情況，上述觀點(diǎn)也可由國外用正確方法做試驗(yàn)的結(jié)果來證實(shí)，如英國cheddet國家塔試驗(yàn)站20.4×18M網(wǎng)架足尺試驗(yàn)，加荷載到206%下弦桿屈服及斷裂，但立即卸荷后再加荷到137%才有其它桿件破壞。實(shí)踐也證明幾千個(gè)“優(yōu)化滿應(yīng)力”設(shè)計(jì)的工程并沒有因這個(gè)原因而倒塌。
    當(dāng)然也有觀點(diǎn)認(rèn)為二根桿斷面相差大可能會(huì)造成與節(jié)點(diǎn)假定鉸接出入增大，其實(shí)這個(gè)假定不符合實(shí)際是客觀存在，即使二根桿斷面一樣也存在，這是次應(yīng)力問題，主要取決于桿件長度L與桿件截面高h(yuǎn)之比，橋涵規(guī)范早規(guī)定即L/h不考慮次應(yīng)力，鋼結(jié)構(gòu)一般也按此原則。
    五、門式剛架規(guī)程CESS.102：2002經(jīng)過修改采用了歐洲規(guī)范ENV1993-1-31996計(jì)算風(fēng)向上吸力下檁條下翼緣失穩(wěn)，該公式是考慮蒙皮效應(yīng)對(duì)檁條受扭的約束，蒙皮效應(yīng)是客觀存在的，據(jù)國外資料介紹蒙皮作用可提高網(wǎng)架上弦承載力10%，下弦腹桿6%，對(duì)門式剛架會(huì)有更大的提高，但門式剛架規(guī)程提出“由于有關(guān)屋面板抗剪性能和板與構(gòu)件螺拴連接性能資料尚不充分，目前不宜考慮應(yīng)力蒙皮作用”，但在檁條的失穩(wěn)中，例外的考慮蒙皮效應(yīng)，所以有工程誤用于屋蓋上以屋面板代替支撐因而加固。
    綜上所述考慮蒙皮是有利的，但門式剛架規(guī)程考慮蒙皮效應(yīng)的計(jì)算檁條結(jié)果反而比沒有考慮蒙皮效應(yīng)的冷彎薄壁型型鋼設(shè)計(jì)規(guī)程GB50018-2002反而保守顯然不合理。

    門式剛架K高于冷彎薄壁是不合理的，而且計(jì)算公式的復(fù)雜性也超過冷彎薄壁，因此建議不用，我們建議采用澳大利亞規(guī)范AS/N25 4600：1996考慮了蒙皮效應(yīng)結(jié)果也非常合理，計(jì)算公式計(jì)算不繁雜，但可惜澳洲規(guī)范不普遍，目前現(xiàn)實(shí)的可采用BHP來實(shí)公司檁條設(shè)計(jì)手冊，手冊承載力以W01 表達(dá)其中0即表示風(fēng)向上吸力時(shí)，1表示加一根撐桿，二根撐桿即W02 ，根據(jù)跨度及斷面即可查出檁條單位長度的承載力
    q，來實(shí)手冊考慮了蒙皮效應(yīng)，并立足于大批試驗(yàn)，與澳大利亞規(guī)范計(jì)算結(jié)果計(jì)算接近，但采用中要注意設(shè)計(jì)手冊中設(shè)計(jì)荷載要打0.9折采用才安全，這是由于澳大利亞規(guī)范與我國規(guī)范有出入，我國鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度低，抗力系數(shù)打了0.9折，而澳大利亞是設(shè)計(jì)強(qiáng)度即是標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，所以算出的設(shè)計(jì)荷載偏高，但澳大利亞的荷載分項(xiàng)系數(shù)卻比我們的高，靜載為1.4，活載1.6我國只為1.2，1.4。
    六、網(wǎng)殼規(guī)程中規(guī)定網(wǎng)殼撓度控制在 并且是黑體字，我國規(guī)范大部分是強(qiáng)制性條文多達(dá)15萬條。只好又取“黑體字”一般條文違反只要不造成后果就不懲罰，而黑體字只要違反即給懲罰，因此設(shè)計(jì)必須遵守，有工程較扁平的雙層網(wǎng)殼撓度總也控制不住 ,只好請專家開會(huì)制定網(wǎng)殼按網(wǎng)架控制，單層網(wǎng)殼按 是正確的，因?yàn)閱螌泳W(wǎng)殼穩(wěn)定中假定初始缺陷為 ,變形對(duì)穩(wěn)定非常敏感，變形大穩(wěn)定公式即控制不住，雙層網(wǎng)殼變形并不敏感，希望適當(dāng)放寬。
    七、網(wǎng)殼規(guī)程規(guī)定單層網(wǎng)殼一定要?jiǎng)傂怨?jié)點(diǎn)并且也是黑體字，從國外情況單層螺栓球網(wǎng)殼用到36M的很多，但矢高均≈1/5 Dusseblofs大學(xué)36m單層網(wǎng)殼，個(gè)別也有50m的。國內(nèi)單層螺栓球網(wǎng)殼也用得不少接近30m，現(xiàn)有些標(biāo)志性建筑跨度不大20m左右，矢高比＞1/5是否出可適當(dāng)放寬用螺栓球。
    八、過去焊縫等級(jí)規(guī)范未作規(guī)定，全由設(shè)計(jì)決定。有的設(shè)計(jì)一律要求Ⅰ級(jí)焊縫反而抓不住重點(diǎn)，現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范作了規(guī)定，這是方便設(shè)計(jì)的好事，但規(guī)范規(guī)定受拉拼接對(duì)接焊可以采用Ⅱ級(jí)焊縫值得探討，過去我們對(duì)受拉對(duì)接焊均采用Ⅰ級(jí)，因?yàn)槭芾缚p對(duì)缺陷的敏感超過受壓而對(duì)接焊均限制加厚、加厚會(huì)引起熱應(yīng)力，受拉對(duì)接焊一般靠清根、熔合，焊透及焊縫強(qiáng)度比母材大5-10%來保證等強(qiáng)，有的為了美觀要求焊縫打平保證等強(qiáng)更為困難，因此設(shè)計(jì)對(duì)受拉對(duì)接焊縫不放心，有的還用外加強(qiáng)板加強(qiáng)，而現(xiàn)規(guī)定為Ⅱ級(jí)，設(shè)計(jì)會(huì)更不放心，因?yàn)棰窦?jí)，焊縫100%超聲波探傷而Ⅱ級(jí)僅為20%怎能放心，據(jù)了解可能規(guī)范由Ⅰ級(jí)改為Ⅱ級(jí)也是不得已，因?yàn)楣さ胤从尝窦?jí)達(dá)不到。我們在現(xiàn)場也經(jīng)常遇到達(dá)不到Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，國為Ⅰ級(jí)焊縫要求超聲波Ⅱ級(jí)其氣孔夾渣達(dá)不到要求，但我們不采取降低焊縫等級(jí)的辦法，而是將超聲波Ⅱ級(jí)，氣孔夾渣標(biāo)準(zhǔn)降為Ⅲ級(jí)即解決了問題，我們考慮超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)原采用于高壓容器，為了防止高壓氣孔要求十分嚴(yán)格，現(xiàn)焊縫超標(biāo)準(zhǔn)后鏟掉重焊，其危害性超過氣孔，氣孔危害對(duì)靜載并不大，如單獨(dú)氣孔反而對(duì)微裂紋的擴(kuò)展起阻擋作用有利而無害，因此我們不宜將Ⅰ級(jí)降為Ⅱ級(jí)，目前“網(wǎng)架超聲波探傷及質(zhì)量分級(jí)法”，正在修訂，希望能將氣孔加以放寬，當(dāng)然超聲波判斷氣孔與夾渣尚有困難，但一般還可盡量區(qū)分，其實(shí)夾渣的危害也不是很嚴(yán)重，我們曾將夾渣達(dá)12-29%試驗(yàn)，均壞在母材，而相對(duì)未焊透20%可降低強(qiáng)度50%以上，所以我們建議受拉對(duì)接焊縫要求Ⅰ級(jí)，但對(duì)氣孔夾渣適當(dāng)放寬。
    九、目前鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求焊接的承重結(jié)構(gòu)鋼材必須有冷彎試驗(yàn)，并為黑體字，但鋼管生產(chǎn)廠所依循的國標(biāo)GB/T8162-1999“結(jié)構(gòu)用無縫鋼管”和GB/T13793-92“直縫焊接鋼管”，均不要求冷彎，僅為壓扁試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的國標(biāo)與鋼管生產(chǎn)的國標(biāo)二者要求矛盾，我們現(xiàn)在只好理解，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范所提比較籠統(tǒng)，鋼管有具體情況，焊接鋼管的鋼板已經(jīng)冷彎，無縫鋼管材料及加工質(zhì)量均比較好，壓扁可代替冷彎，但這個(gè)理解至今未得到規(guī)范組解釋。
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