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轻型钢结构设计常见“误区”的探讨

发布于：2015-06-19 12:27:19 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

一、规范的选择

1、《门架规程》不能与《普钢规范》混用

除了薄壁型钢结构以外，重钢与轻钢区别并不大，不必纠缠。关于规范混用过去有此说法，一本规范有其连贯性，可能前一部分缺少什么，而后一部分补上，取其局部可能会不安全，但是只要吃透了规范，这就不是问题。《钢结构设计规范》（以下简称《普钢规范》）与《门式刚架轻钢房屋钢结构设计规程》（以下简称《门架规程》）应该历史的看问题，本来《门架规程》应该是《普钢规范》的一部分，[2]由于我国《普钢规范》脱胎于重工业厂房为对象的前苏联规范，几次修订扩宽了范围，还是满足不了需要。所以《网架设计规范》、《高层钢结构设计规程》、《门架规程》只是作为特殊领域的补充。例如：

1）《普钢规范》梁的绕度允许值为1/400，这是考虑大型板的刚性屋面，而柔性的压型板仍采用1/400当然不合理，就应套用《门架规程》的1/180，《普钢规范》山墙骨架柱，也要求1/400，这是考虑采用砖墙，如果用压型板就不合理了。

2）腹板屈曲后强度的计算二本规范均有，而《普钢规范》是考虑的筒支梁受弯，门架则考虑弯距与轴力，因此应该根据实际情况采用那本规范。

目前规范规程中有黑体字，违反要处罚，不是黑体字，也是强制性的，但违反了只要不出问题即可不处罚，国外大部是指南，说明编制虽经努力，但出了问题仍由设计负责，而我国有实例说明，只要遵守规范规程，设计将无责任。这样比较容易执行，但也影响设计责任心。

2、《普钢规范》计算结果一定应比门式刚架安全

《普钢规范》计算结果一定比《门架规程》安全？不一定，要了解二本规范不同规定：

[3] 1）《门架规程》考虑了轴力，按压弯构件计算，《普钢规范》不考虑轴力；

2）门架结构按变截面算稳定，普钢结构无此算法；

3）普钢结构按全截面计算，而门架中6.1.2-2引入有效截面，这是考虑腹板高厚比大时腹板在靠近翼板处与腹板中央处的应力差太远，因此引入有效截面，而普钢结构高厚比限制较严，因此全截面有效；

4）门架结构截面完全按弹性计算，普钢结构考虑截面部分塑性发展；

5）两本规范平面稳定“等效弯距系数”也有出入。

二、荷载

1、门架高宽比小于1：4即不能用《门架规程》风载体型系数

在荷载规范、相关标准图及权威性结构设计规定均有以上规定，其实这是一种误解，目的是那本规范安全即用那本，这样做是不必要的，因为《门架规程》风载是MBMA的规定，是AISI和加拿大Sicc试验研究，用最先进仪器得到的公认结果，为何不预相信，反而采用70年代落后设备得到的荷载规范结果，美国很明确的18m以下风载MBMA，18m以上风载采用另外的规范，没有必要加以包络。

2、围护结构考虑阵风系数

荷载规范7.1.1-2，围护结构应考虑阵风系数，但围护结构有二种，一种是脆性的，一种是塑性的，国外考虑阵风是瞬时的风，短暂受力钢结构可以提高应力1/3以上，因此钢结构可以不考虑阵风，而脆性的如玻璃屏墙应考虑阵风。

另一种误解是《门架规程》条文说明附录AA.0.1“由于MBMA手册中规定的风载体型系数已经包含了阵风效应，因此本规程不再考虑阵风系数”。美国不考虑阵风对的，因为美国风速用3秒，瞬时风速由于仪器测不到瞬时，也大约1.5～2秒，很接近，而我国风速取10分钟平均值，相差1.5倍，因此《门架规程》用我国风速，而认为可不考虑阵风不对的，当然MBMA的体型系数考虑了紊流和风路中由结构引起的风流型式被遮断后果造成的因素，但不能就因此不考虑阵风系数。

3、CFD可以代替风洞试验，或CFD仅能起参考作用

这二种观点都不全面，CFD（计算流体力学）既省钱又避免了模型模拟的难题，国外，飞机汽车工业大量采用，但建筑方面由于湍流分离等问题尚未解决，因此哈工大武岳教授认为在求体型系数时，CFD完全可以代替风洞试验，仅是精度差10%，工程完全可以接受，但在风振系数上，还存在一定问题，仅能作为风洞试验的辅助，或在初步设计等情况下使用，目前风洞试验一般是做刚性模型，当然对风振系数有些影响，但由于风振下结构变形也有限，误差可以接受，如果能做气弹模型风洞试验当然最好，但模型的模拟相当复杂，所以这样做很少。

目前最困难的是荷载规范7.4.1，提出T1>0.25S的房屋屋盖均应考虑风振，但却不像高层建筑那样给出计算方法，主要是高层建筑规范说明7.4.2～7.4.6，给出了Davenport建议的风谱密度经验公式，而这个风谱密度是从左右对准垂直于地面的结构，而房屋屋盖正好相反转90°，缺乏提供这样的风谱，因此目前不得已下，大多数风振系数都是套用规范说明的风谱密度公式来计算屋盖风振，[4]认为这样套用高层的风振设计方法可能造成不必要浪费，也不排除某些未预见的隐患。

4、正确理解《门架规程》与美国MBMA及我国风载规范不同之处

《门架规程》采用了美国MBMA是考虑了风内外之合力，而我国风载规范的风载体型系数只考虑了外部风力。

《门架规程》根据MBMA应为二种荷载情况Ⅰ，Ⅱ二种情况仅局部变化，所以为简化起见采用的是Ⅰ，实际上是有些出入的。

《门架规程》并未考虑海岸线的风力加大，美国将海岸线内160公里范围的风力均加大1.1。
5、轻型房屋雪载按荷载规范偏小
目前我国雪灾情况比较严重，仅以2007年大雪，东北地区局部积雪厚1.5～2m，高低层面积雪超过2m，局部达3kN/?,雪密度达188kg/m3。我国雪载规范仅简化为整体均匀分布和分区均匀分部二种，没有考虑场地和环境影响，没有区分屋面暴露与遮蔽情况，没有区分采暖和不采暖，也缺乏光滑屋面积雪经验，局部积雪及雪厚情况均超出规范。尤其是轻型结构多为平面结构体系，整体性差，常因檩条局部破坏，拉断支撑，造成整个结构倒塌。因此目前雪载仅采用荷载规范显然是不够安全，必须参考欧、美等规定。

5.小结

（1）GB50009的简化等效积雪荷载计算适应于主体刚架，但不适用于檩条。

（2）对于檩条积雪荷载的取值：凡有高低跨处（包括女儿墙），必须按实际的积雪分布图来计算，应吃透GB50009条文说明的精神，不可简单按其表6.2.1的积雪分布模型计算。

（3）对于不平衡积雪分布和多脊多坡的坡谷积雪等情况，应注意考虑屋面边缘区域或坡谷区域的檩条积雪荷载的增加。

三、结构设计

1.Q235A，Q345A用于焊接结构

《门架规程》，3.3.1-2焊接构件“宜”采用Q235B或Q345A以上，由于Q235A比Q235B便宜，所以许多工地认为“宜”字即可通融，所以要求按过去甲、乙级纲材办法，附加三保证，其实不了解，理在ABC，与以前甲乙丙已有所不同，现在AB由钢罐即开始分开，所以A类钢碳的含量完全不预保证，事后检验碳的含量，是完全没有把握的。

2.砼柱与斜钢梁组成门架

有资料曾推荐砼柱与斜钢梁焊成刚接形成混合门架，但从灾害中，这种结构大部分遭到破坏；因为钢梁与砼柱的刚性节点是难以保证的。

上表推导见清华大学讲义“《普钢规范》设计应用讲解”单层厂房框架单阶柱计算长度系数。关于长细比，当刚架中一根柱轴力小时，计算长度就会很大，只要轴力大的柱满足长细比的要求后，轴力小的柱不必按计算考虑长细比，按构造即可。

2、门架阻尼比0.05值得探讨
《门架规程》说明3.6.6，根据抗震规范条文8.2.2，说明，阻尼比取0.05，原抗震规范采用C来反映结构延性，钢与钢筋砼C相差不多，而现有抗震规范取消了C，钢结构延性无法反映，而钢结构本身阻尼比是比较小的，因此，使纲结构地震力比钢筋砼大，这是非常不合理，而门架又众所周知抗震是非常好的，结果抗震规范8.2.2，只笼统的提12层以下钢结构在罕遇地震下阻尼比0.05，而却只在8.2.2说明中又矛盾的提出多遇地震下单层阻尼比0.05，当然包括门架，我们认为这是很勉强，实则纲结构阻尼比都是比较小的，人为的想以放大阻尼比来解决延性是说不过去的，除非提出门架实测阻尼比0.05的依据，还是“建筑结构抗震性能设计准则”CECS1602004已经恢复延性对抗震影响，恢复了C系数，这样做才是合理的。
五、支撑
1.支撑设计的“误区”
（1）系杆代替水平支撑，系杆仅是传力杆，只形成平行体，如何能承受水平力；
（2）有了水平支持，即不需要系杆，屋盖构件可以靠蒙皮作用，这是与规程不允许利用蒙皮作用矛盾的，尤其我国多采用卷边咬合板，可以相对借移，更不能利用蒙皮作用；
（3）隅撑代替支撑，有的用隅撑来作柱的平面外支撑点，隅撑主要是梁，柱受压时，为稳定与防止弯扭，将受压的稳定力传到支撑去，而本身不是支撑，隅撑如果将柱受压翼缘的力传到墙上，如果墙折掉怎么办，因此，一定要认识隅撑作用的局限性；
（4）《门架规程》4.5.2.3“当建筑物宽度大于60m 时，内柱应适应增加柱间支撑”，换言之，60m内不需要每个柱列加柱间支撑，这是与过去做法不同的，这是参改美国做法，主要是依靠蒙皮作用，但美国屋面蒙皮作用做了很多试验，还有蒙皮规范，而《门架规程》5.1.2，，却明确一般不考虑应力蒙皮效应，必须有条件才可以考虑，而我国当前屋面板是良莠不齐，又未做过调查、试验，更没有应力蒙皮规范，因此4.5.2-3与5.1.2是互相矛盾的，尤其《门架规程》未明确有吊车时不适用此条，幸而国内尚未发现有吊车时按此条，如果有吊车的按此条，后果不堪设想。我们认为这点值得重视，建议加强水平支撑，并按照《普钢规范》当水平支撑的跨中刚度，（水平支撑的跨度为二个柱间支撑之间距离）大于有侧移刚架刚度的5倍，并验算满足了强度来确定二个柱间支撑之距离，而不是笼统定为60m，柱间支撑用钢不多，作用极大，应该宁多勿少，宁强勿弱。
美国在中国的公司，柱间支持按美国经验按水平支撑强度及刚度决定，最大不超过60m，灾害中ABC及巴特勒无一门架倒塌。
2.中心支撑只假定拉杆起作用，压杆细长比必须小于150
这也是一直争论的问题，国外做法也不一致，有的假定拉杆起作用，压杆失稳，但考虑压杆使刚度加大20%，有的假定拉压都起作用，但压杆打折扣，根据国内试验结果还是比较合理的[6]。
1）超静定结构，拉与压是共同工作的，协调变形，不等于拉压分别工作迭加，仅压杆或拉杆单独作用不合理；
2）压杆临界力与计算值基本一致，与规范值接近；
3）假定拉，压杆轴向刚度相等是不妥的，由于初始误差，安装误差，压杆敏感性大于拉杆，所以拉杆轴力大于压杆；
4）压杆不可能很早失稳，只有拉杆进入塑性屈服后，压杆才会失稳，因为压杆达到屈曲临界荷载时压杆的变形受相应拉杆的约束，二者变形必须协调，压杆变形不能自由发展，因此不会失稳，不会出现压杆不参加工作，从唐山地震压杆细长比达200～300，虽然屈曲但也未先失稳，所以规定抗震支撑长细比≤150并无依据，当然长细比小些对延性耗能有利；
5）滞?曲线仍为滑移型，但延性是好的达到5，倒塌时延性更大；

拉条主要为了稳定翼缘平面外，因此拉条放中间，不能完全起到上下翼缘平面外稳定的作用，拉条上下放那是重屋盖做法，拉条为了平衡荷载对剪心的扭转，拉条交叉放，既浪费材料，又无必要，所以拉条下翼缘失稳，应该放在下翼缘处，而上翼缘平面外，还有屋面起作用，可以放宽到放在1/3范围内，便于施工。
2）《门架规程》附录E檩条在风吸力下的稳定有二个问题[1]
（1）E0.4面板厚度不小于0.66mm，目前普遍使用的面板，厚度均<0.66mm，因此《门架规程》计算方法基本不能用，都采用冷弯薄壁型钢规范。
（2）经过对98年《门架规程》，2002年《门架规程》，HP设计手册，澳大利亚规范，冷弯薄壁规范，檩条吸力下稳定计算，结果考虑了蒙皮作用的2002《门架规程》计算方法既繁琐，反而比未考虑蒙皮作用的冷弯薄壁型钢规范保守，这是很不合理的。
在中国的美国公司现用AISI冷弯规范计算，比欧洲规范计算比较合理，也是不考虑蒙皮作用的。
[8]介绍EC3-1-3，2006版，并与EC3-1-3 96版比较，指出了96版主要是檩条下翼缘受压长度与拉条无关，所以2006版考虑拉条后也入很大，[8]p.114表中分析，在有蒙皮作用下，由于蒙皮作用大，拉条作用小，所以2006版、96版二者应力差为127，138，相差不大，这样仍出现考虑了蒙皮作用的欧洲规范，仍比未考虑蒙皮的冷弯厚壁型钢规范保守的不合理现象，但据介绍欧洲规范来源于试验，考虑了缺陷及扭转稳定，而我国冷弯薄壁型钢则未考虑扭转稳定，从理论上讲是偏于不安全的，但由于实际上蒙皮作用仍会某种程度上存在，所以实际上也不能说我国大量采用冷弯薄壁型钢规范就是不安全的，这个问题还希望规程能提供合理的计算方法。
[8].114表7-11-1介绍，当不考虑蒙皮时，2006版与96版出入较大，应力是390与140之差，所以目前檩条也可接EC3-1-32006版无蒙皮作用Ct=O,但考虑拉条，也是一种计算檩条的办法。