劉洋

【摘 要】隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快及鋼產(chǎn)量快速提高，鋼結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益廣泛，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隊(duì)伍逐步擴(kuò)大。特別是近年建筑行業(yè)的高速發(fā)展和原材料匱乏，長(zhǎng)期在多層建筑領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的粘土磚逐漸退出歷史舞臺(tái)。但與此同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)資源的合理利用及可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題日益突出。 當(dāng)前，制約我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的主要因素是：鋼結(jié)構(gòu)建筑的造價(jià)高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。因此，在滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范的前提下，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少結(jié)構(gòu)用鋼量，降低工程造價(jià)有重要意義。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；建筑；設(shè)計(jì)

一、鋼結(jié)構(gòu)概述

1.1鋼結(jié)構(gòu)的含義及特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)是由型鋼和鋼板等組成的結(jié)構(gòu)，形式多樣：桁架、框架、網(wǎng)架、門剛等等；各構(gòu)件或部件之間采用焊縫、螺栓或鉚釘連接。鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：鋼材的組織結(jié)構(gòu)均勻，接近于各向同性勻質(zhì)體，因而鋼結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算結(jié)果比較符合實(shí)際受力情況；鋼材強(qiáng)度和彈性模量也高，因此與同強(qiáng)度才來(lái)相比，體積輕便：鋼結(jié)構(gòu)塑性和韌性好、適宜于承受振動(dòng)和沖擊荷載；鋼結(jié)構(gòu)便于機(jī)械化制造，精確度較高，安裝方便，是工程結(jié)構(gòu)中工業(yè)化程度最高的一種結(jié)構(gòu)；施工較快，可盡快地發(fā)揮投資的經(jīng)濟(jì)效益。鋼結(jié)構(gòu)的密封性較好，但耐銹蝕性和耐火性較差，需采取防腐防銹及防火措施。

1.2鋼結(jié)構(gòu)的適用范圍

基于以上優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)通常用于跨度大、高度大、荷載大、動(dòng)力作用大的各種工程結(jié)構(gòu)中，如工業(yè)廠房的承重骨架和吊車梁、大跨度的屋蓋結(jié)構(gòu)、高層建筑的骨架、大跨度的橋梁、起重機(jī)結(jié)構(gòu)、塔架和桅桿結(jié)構(gòu)、石油化工設(shè)備的框架、工作平臺(tái)和海洋采油平臺(tái)、管道支架、水工閘門等；也常用于可裝拆搬遷的結(jié)構(gòu)，如臨時(shí)性展覽館、建筑工地用房、混凝土模板等。輕型鋼結(jié)構(gòu)常用于小跨度輕屋面的各類房屋、自動(dòng)化高架倉(cāng)庫(kù)等。此外，容器結(jié)構(gòu)、爐體結(jié)構(gòu)和大直徑管道等也常用鋼材制成。

二、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的介紹

1.容許應(yīng)力法（ASD）

ASD的設(shè)計(jì)原則是：結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算應(yīng)力不得大于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所給定的容許應(yīng)力。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算應(yīng)力是按規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)荷載，以一階彈性理論計(jì)算得到：容許應(yīng)力則是用一個(gè)由經(jīng)驗(yàn)判斷的大于1的安全系數(shù)去除材料的屈服應(yīng)力或極限應(yīng)力而確定。

容許應(yīng)力法的主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，但存在如下主要不足：（1）對(duì)于塑性材料，由于沒有考慮結(jié)構(gòu)在塑性階段的承載潛力，其實(shí)際的安全水平偏高；（2）不能合理考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性的影響；（3）由于采用單一安全系數(shù)，無(wú)法有效地反映抗力和荷載變異的獨(dú)立性，致使承受不同類型荷載（如活載的變異性要比恒載的變異性大得多）的結(jié)構(gòu)安全水平相差甚遠(yuǎn)；（4）不能從定量上度量結(jié)構(gòu)的可靠度，更不能使各類結(jié)構(gòu)的安全度達(dá)到同一水準(zhǔn)。

2.塑性設(shè)計(jì)法（PD）

PD的設(shè)計(jì)原則是：結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性極限承載力應(yīng)不低于標(biāo)準(zhǔn)荷載引起的構(gòu)件內(nèi)力乘以安全系數(shù)。在結(jié)構(gòu)分析中常采用一階塑性分析法或剛塑性分析法。塑性設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是允許結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性后進(jìn)行內(nèi)力重分布，這就要求結(jié)構(gòu)和構(gòu)件有足夠延性，因而在塑性設(shè)計(jì)中截面腹板和翼緣的尺寸比例有嚴(yán)格的限制。雖然塑性設(shè)計(jì)法考慮了材料的非線性，可克服容許應(yīng)力法中的缺陷（1），但材料屈服的擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍然沒有反映。同時(shí)在結(jié)構(gòu)可靠性方面，塑性設(shè)計(jì)法同容許應(yīng)力法一樣，還是由經(jīng)驗(yàn)性的安全系數(shù)來(lái)保證。

三、基于輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體過(guò)程

3.1剛度設(shè)計(jì)

國(guó)標(biāo)GBJl7-88《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)多層框架和有重級(jí)工作制吊車的廠房變形控制的要求作了較明確的規(guī)定。對(duì)普通單層結(jié)構(gòu)，國(guó)標(biāo)CECSl02：98《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》做出了具體的規(guī)定。結(jié)構(gòu)變形主要涉及到適用性的問(wèn)題，一般對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性涉及并不太深。而單層輕鋼結(jié)構(gòu)屋面一般是不上人的。筆者認(rèn)為，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)單層輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的變形控制是可以適當(dāng)放寬的。放寬變形對(duì)于那些主要由變形控制的建筑有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義。

3.2局部穩(wěn)定設(shè)計(jì)

據(jù)彈性理論，四邊簡(jiǎn)支板的臨界剪應(yīng)力為：

由式（2）知：板的局部失穩(wěn)臨界剪應(yīng)力與（h/tw）2成反比，故h/tw越小越好，設(shè)計(jì)時(shí)為了節(jié)省鋼材就須增大h/tw值以提高構(gòu)件的抗彎模量。這時(shí)解決局部失穩(wěn)往往可以不必增大腹板厚tw，一般是通過(guò)設(shè)加勁肋的方法來(lái)解決。在國(guó)標(biāo)CBJl7-88《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，h/tw ≥ 80設(shè)加勁肋的規(guī)定就是基于臨界剪應(yīng)力與抗剪屈服應(yīng)力相等定出的。這個(gè)規(guī)定對(duì)于普通鋼結(jié)構(gòu)是合適的。但對(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)，因?yàn)楹奢d較小，往往剪應(yīng)力也很小，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗剪屈服應(yīng)力。在低剪應(yīng)力下，即使h/tw ≥ 80也不會(huì)產(chǎn)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)時(shí)若剪應(yīng)力未達(dá)屈服剪應(yīng)力，可不設(shè)加勁肋，這一點(diǎn)在輕鋼設(shè)計(jì)中可適時(shí)考慮

3.3焊縫設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)規(guī)范中受力焊縫已有明確的規(guī)定。此處所講的焊縫指的是梁、柱腹板與翼緣板之間的焊縫。因?yàn)檫@些焊縫在輕鋼結(jié)構(gòu)的制作中占了絕大部分的焊接工作。梁柱腹板與翼緣之間的焊縫主要是傳遞翼緣與腹板之間的剪應(yīng)力。翼緣與腹板之間剪力很小，因此所需焊縫亦可很小。在美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)施工圖中，這些焊縫的處理廣泛地采用了單面焊縫，這使得焊接工作量大大地減少了。用自動(dòng)焊機(jī)的生產(chǎn)能力提高了一倍左右。國(guó)內(nèi)未能采用單面焊縫原因大致有：①目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)輕鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠家還沒有解決單面焊縫的非對(duì)稱變形；②長(zhǎng)期以來(lái)設(shè)計(jì)人員已形成習(xí)慣。筆者認(rèn)為，若解決非對(duì)稱變形問(wèn)題，對(duì)梁翼緣與腹板之間的焊縫可以使用單面焊。至于那些受力大的重要部位仍須雙面焊，如吊車梁、牛腿等。

四、建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)

1.對(duì)現(xiàn)行方法的改進(jìn)

由于現(xiàn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法存在上述缺陷，不少研究者試圖在彈性范圍內(nèi)對(duì)現(xiàn)行方法加以改進(jìn)，這些工作包括：（1）對(duì)計(jì)算長(zhǎng)度的改進(jìn)；（ 2）采用名義荷載模型；（ 3）運(yùn)用等效切線模量的概念。然而，無(wú)論這些方法本身的精度如何，它們都是試圖以結(jié)構(gòu)的彈性分析達(dá)到非彈性分析的結(jié)果，存在根本的局限性。

2.對(duì)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的探討

要徹底克服前述現(xiàn)行建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中的前3種缺陷，必須建立以結(jié)構(gòu)整體承載極限狀態(tài)和結(jié)構(gòu)整體極限承載力為目標(biāo)的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)方法。為此，最近10年國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一系列較精確的適用于高等分析的二階非彈性分析模型，并進(jìn)一步考慮了梁柱連接半剛性節(jié)點(diǎn)域剪切變形以及它們的共同效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力的影響等。

3.對(duì)結(jié)構(gòu)體系可靠度計(jì)算方法的探討

結(jié)構(gòu)體系可靠度的計(jì)算方法大致可概括為：失效模式法、M onto Cark）法、響應(yīng)面法和隨機(jī)有限元法等。失效模式法由于無(wú)法與精確的結(jié)構(gòu)非線性分析相結(jié)合，一般認(rèn)為不能用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的精確計(jì)算。響應(yīng)面法通常將結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)面在設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)處作一階或二階近似，對(duì)于驗(yàn)算點(diǎn)處曲率變化較大的極限狀態(tài)面可能導(dǎo)致較大的誤差。隨機(jī)有限元法是一種新興的方法，它通常以低階或高階攝動(dòng)理論為基礎(chǔ)建立結(jié)構(gòu)的隨機(jī)有限元方程，由于其要求理論推導(dǎo)的嚴(yán)密性而限制了它在結(jié)構(gòu)可靠度分析中的應(yīng)用。Monte Cark法是一種簡(jiǎn)單但計(jì)算量大的方法，常作為校核其它方法的標(biāo)準(zhǔn)。然而隨著各種包含降低抽樣方差技巧的新方法出現(xiàn)，Monte Carlo法在結(jié)構(gòu)可靠度分析中的應(yīng)用將愈加普遍。

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