一级结构工程师考试辅导:轻型钢结构与普通钢结构的特点(2)

　　（四）结构分析

　　目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，条件允许时考虑p－Δ，p－δ。

　　新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能。这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件：

　　典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形。

　　简单结构通过手算进行分析。

　　复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。

　　（五）工程判定

　　要正确使用结构软件，还应对其输出结果的做“工程判定”。比如，评估各向周期、总剪力、变形特征等。根据“工程判定”选择修改模型重新分析，还是修正计算结果。

　　不同的软件会有不同的适用条件。初学者应充分明了。此外，工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离， 为了获得实用的设计方法，有时会用误差较大的假定， 但对这种误差， 会通过"适用条件、概念及构造"的方式来保证结构的安全。 钢结构设计中，“适用条件、概念及构造”是比定量计算更重要的内容。

　　工程师们不应该过分信任与依赖结构软件。美国一位学者曾警告说：“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题。”

　　注重概念设计和工程判定是避免这种工程灾难的方法。

　　（六）构件设计

　　构件的设计首先是材料的选择。 比较常用的是q235（类似a3）和q345（类似16mn）。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。 经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。 当强度起控制作用时，可选择q345； 稳定控制时，宜使用q235.

　　构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。

　　当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级。并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。

　　它减少了结构师的很多工作量。但是，初学钢至少应注意两点：

　　1、软件在做构件（主要是柱）的截面验算时，计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定。目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以，尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件，结构师应该逐个检查。

　　2、当上面第（三）条中预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。

　　（1） 强度不满足，通常加大组成截面的板件厚度，其中，抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度。

　　（2） 变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不经济。

　　使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，实际上，常常并不合适。

　　（七）节点设计

　　连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。 按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。 初学者宜选择可以简单定量分析的前两者。常用的参考书[2]有丰富的推荐的节点做法及计算公式。

　　连接的不同对结构影响甚大。比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大转动， 不符合结构分析中的假定。 会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。

　　连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法， 初学者可偏安全选用前者。设计手册[2]中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用，比较方便。 也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成。

　　具体设计主要包括以下内容：

　　1、焊接： 对焊接焊缝的尺寸及形式等，规范有强制规定，应严格遵守。 焊条的选用应和被连接金属材质适应。e43对应q235，e50对应q345. q235与q345连接时，应该选择低强度的e43，而不是e50.

　　焊接设计中不得任意加大焊缝。 焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近。其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。

　　2、栓接：

　　铆接形式，在建筑工程中，现已很少采用。

　　普通螺栓抗剪性能差， 可在次要结构部位使用。

　　高强螺栓，使用日益广泛。常用8.8s和10.9s两个强度等级。根据受力特点分承压型和摩擦型。两者计算方法不同。高强螺栓最小规格m12. 常用m16～m30. 超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。

　　自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。 国外在低层墙板式住宅中，也常用于主结构的连接。

　　3、连接板： 可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm. 然后验算净截面抗剪等。

　　4、梁腹板： 应验算栓孔处腹板的净截面抗剪。承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。

　　5、节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。

　　6、节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。 比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。

　　（八）图纸编制

　　钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。

　　1、设计图： 是提供制造厂编制施工详图的依据。 深度及内容应完整但不冗余。 在设计图中，对于设计依据、荷载资料（包括地震作用）、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求（包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等）、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚，以利于施工详图的顺利编制，并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表示。

　　2、施工详图：又称加工图或放样图等。深度须能满足车间直接制造加工。不完全相同的另构件单元须单独绘制表达，并应附有详尽的材料表。

　　设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书[3]，并依据规范规定编制。

　　三、门式刚架工程中一些技术问题的探讨

　　（一）檩条在向上风吸力下的下翼缘失稳

　　1.问题的提出

　　钢结构规范及手册的檩条规定都未考虑风向上的下翼缘失稳，拉条都是按图1布置的，当时屋面还未采用彩钢板屋面，坡度比较大，屋面比较重，拉条主要是平衡屋面荷载的水平力和对弯曲中心的扭转，拉条也只要求在屋檐加水平支撑拉住。目前，屋面已很轻很平，几次风灾中都有屋面被掀起，有一些是由于受风吸力作用檩条下翼缘失稳而引起的，因此应引起关注。

　　2.屋面的蒙皮作用

　　对檩条在风吸力作用下的下翼缘失稳的验算，薄壁型钢规范是不考虑屋面蒙皮作用，计算结果很不经济。屋面蒙皮作用国内外都在研究。蒙皮作用会提高门式刚架的承载力。如波兰做的双层网架（12m×12m，24m×24m）的足尺试验，屋面波形板蒙皮作用可提高上弦承载力10%，提高下弦、腹杆承载力6%，对门式刚架承载力将会有更大的提高。但国外研究表明，准确计算蒙皮作用是不易的，计算参数对结构的形式和构造细部很敏感，必须进行足尺结构试验才能确定这些参数。屋面蒙皮作用对檩条下翼缘失稳承载力影响很大，国外正致力于考虑在檩条下翼缘失稳时利用屋面蒙皮作用，但计算公式还不成熟。

　　彩板屋面蒙皮的抗剪能力对檩条上翼缘提供侧向支撑是不成问题的。根据试验，只有当屋面抗剪能力Q值小时才会因Q增加而增加檩条下翼缘的失稳承载力；而Q值达一定数值后，Q值增加不会使檩条承载力有明显变化，屋面抗剪能力一般能达到此要求。因此屋面蒙皮作用对檩条下翼缘扭转失稳的约束是影响檩条承载力的重要因素。

　　另外，屋面蒙皮作用也可用于门式刚架的平面外稳50定，即平面外稳定计算时，其平面外支点可以采用檩条之间距，而不是采用水平支撑的间距，由于此假定不同，各种程序会有不同的计算结果。墙板的蒙皮作用也是讨论的问题，国外设计墙擦不考虑自重，不设拉条，比较简单，应该说墙体蒙皮作用是可以考虑的，但绝不能省去柱间支撑，而且不宜采用圆钢。

　　3.计算理论

　　关于檩条翼缘失稳的计算理论模型，国外主要有二种，一种是有限元法；另一种是将屋面板和受拉翼缘及部分腹板简化为弹性地基，剩余的檩条腹板及受压翼缘被简化为支撑在弹性地基上的压弯构件。国内门式刚架规程也是采用欧洲规范EC3-ENV-996规定的弹性地基的经典模型。目前，考虑风的吸力作用，檩条下翼缘稳定设计的方法有四种：

　　（1）按照薄壁型钢规范计算，由于该规范未考虑屋面蒙皮作用，因此计算结果很保守，不适用。

　　（2）参考BHP、奥多Strimat公司的檩条设计手册，这些手册基本一样，承载力用W01表达，其中下角0表示风向上，1是中间一个支点，二个支点即以W02表达，承载力为标准荷载，考虑了屋面蒙皮作用心这些澳大利亚设计手册均是计算与试验的结果，又经国外工程应用，我认为是可以参考的。

　　（3）按澳大利亚AS/NZS4600：1996规范计算，由于本规范在国内无法律效应，很不普及也难以应用。

　　（4）门式刚架规程是按照欧洲规范EC3-ENV-1996规定的，也考虑了屋面蒙皮作用，假定为弹性地基的典型模型，又具有法律效应，比较合理，应该采用。但我们对照ENV1993-1-2：1996/AC提出以下问题，有些檩条计算程序也存在这些问题。

　　①规程[1]附录E中规定Ct1=130n是有特定条件的，根据文献[2]，只有在b =55~57，螺钉3~4个/m，而连接件（即板与檩条连接件）间距e =2br，屋面与檩条的连接刚度又因采用的隔热材料而削弱时，公式才适用。如果情况发生改变应按照etl=C100（b/100）来修正，C100取值参考表1.这里，b为屋面板翼缘宽度，br为波距（最大为185mm），螺钉直径￠=6.3mrn，面板厚≥0.66mm.

　　②对失稳承载力影响最大的还是计算长度。根据文献[2]，门式刚架规程中计算长度ey为拉条之间距离，应改为檩条自由翼缘承受压应力之长度，对于简支模条来说等于跨长l.这两种说法对模条失稳承载力影响十分大，ey=l时，门式刚架规程中针对拉条对檩条下翼缘失稳公式考虑屋面扭转约束的作用非常小，而从其他理论分析以及BHP设计手册和试验可知，拉条作用非常大。我们参考澳大利亚规范中的檩条计算，其ey 也是取拉条之间的距离。因此我们认为ey用拉条之间距离是合理的。

　　③规程CECS102：98关于抗扭弹簧刚度Ct的式（E.0.4-1）来自ENV1993-1-3：1996，存在明显的印刷错误，正确的表达应为下式：

　　Ct=1/（1/Ct1+1/Ct2）

　　④拉条的构造非常重要，根据BHP设计手册，拉条只用于>10.的屋面，且应拉在下翼缘边，并每隔一个问距用C形压杆顶住防止扭动，较平屋面只要求二个檩条之间用C形压杆顶住即可。因此檩条拉条布置绝不能按钢结构手册的布置，一定要保证拉条不动。为了验证拉条的作用，我们与天津大学在奥多公司资助下做了檩条下翼缘失稳的整体试验，试验中檩条间距2.5m，檩条跨度5.0m，中间加一根拉条。采用双跨屋面板带3根檩条做整体试验。

　　试验加载到23KN/m时由于檩条的拉条未拉住而提前破坏，破坏处正在拉条附近，扭转失稳破坏迹象明显，拉条的作用很明显，如果拉条不变形，承载力将提高很多。

　　我们根据以上4种设计方法进行计算对比，选用C254×76×20.6×2.4，跨度4.75m，间距2.5m的简支檩条（中间加拉杆），钢材屈服应力G450MPa，设计屈服应力0.9×450MPa，反算檩条标准线荷载q.

　　BHP、奥多、Stramit公司的檩条设计手册中选用c250×2.4，按l =4.8m查得：单跨q=5.07KN/m，双跨q=5.09 KN/m门式刚架规程计算结果：q=4.18KN/m；澳大利亚规范计算结果：q=4.21 KN/m；薄壁型钢规范计算结果较为保守。

　　以上计算结果说明，门式刚架规程及设计手册均是可以采用的，但希望尽快做足尺整体试验，不断积累数据，进一步提出合理公式。对于跨度较大的檩条，选用上海大通钢结构有限公司的高频焊接轻型H型钢来解决下翼缘失稳是经济合理的。

　　（二）屋面板的选用

　　1.屋面板的抗风措施

　　近年来连续几次发生台风掀起屋面，如1996年湛江，1999年厦门14级台风。这些台风都已超出规范限定的范围，值得注意。台风掀起屋面板的主要原因之一是屋面板的搭接问题。板的横向搭接主要有穿透式、暗扣式（EP一个扣件与檩条连接，板则与扣件扣上）和咬边式。穿透式的缺点主要是螺栓穿透处易渗漏；暗扣式虽然避免了螺栓穿透，但必须用高强钢材并用专用的高强钢材轧机成型，保证形状准确并富有弹性，才能达到扣紧吻合，使搭接处能留一个防止毛细现象的空槽。

　　台风掀起屋面更主要的原因是不注意门窗的抗台风设计，台风中门被吹开，尤其卷帘门强度更差。有的窗玻璃靠腻子固定，风向外吹，腻子根本顶不住，门窗大开，向上的风力大大超过设计所考虑的。有的屋面被掀起也可能是风吸力下檩条失稳所致。

　　当然屋面板本身也有加强和改进的必要，如暗扣式屋面被掀起的原因，有的是扣件未采用高强钢材，扣不住板；有的是扣件边上未用螺栓与檩条连接，使扣件受弯破坏；有的在边区约1/6房屋宽度范围内未加抗台风螺栓，或抗台风螺栓垫圈面积太小，结果被拔出。

　　采光板更是暗扣式渗漏与可能被拔起的重点，因为采光板与屋面板横向搭接处由于二者膨胀不同，很易形成缝，而采光板刚度又比较小，附加檩条不够，采光板更柔更易形成缝，大风大雨即灌进去：采光板强度又不如面板，更易使螺栓拔出。所以建议在面板与采光板横向搭接处上面再压一根铝条，下垫胶条用螺栓及大垫圈牢牢压住，采光板跨度应不大于1.0m.总之暗扣式用于抗台风时应特别注意防掀起与漏雨，应采取上述加强措施。

　　咬边式从外形看对防漏与防掀起会有利些，但也要注意采用的咬边形式，如层层卷边比较可靠，但加工安装较麻烦；图4单层咬边处刚度不够，不吻合又松动，很难加胶粘结，大风大雨就会漏进去，咬不好也会被掀起。而国外有些产品用得很好，咬边式一般只能是没有彩色涂层的钢板，彩色涂层在咬边时会剥落，咬边式在返修时也有困难，不能小面积拆换，只能整个翻修。

　　2.彩板的优选

　　高强钢的板材硬度大，不易变形，能保证搭接尺寸的吻合，使防水可靠，进口板多数用G550.

　　热镀铝镑合金进口板大多采用55%铝，43.5%锌，15%矽的合金成份，合金平均含量在200g/m2以上。铝合金化表面有一层不溶解于水的非活性氧化膜，防止氧化，其性能比铁活泼，比锌迟饨，电化学作用比锌慢，铝表面的致密氧化铝比锌耐蚀2倍，十分稳定，有阳极保护作用。国外也有热镀锌铝，即5%铝，95%锌，认为虽裸板耐蚀不如镀铝锌，但在剪板成型保护方面较优，总之这二种合金化均比热浸锌要耐蚀。国产板目前均不具备生产热镀铝锌合金的条件，仍为热镀锌板或热镀锌合金化板。

　　涂层目前有聚脂、硅改性聚脂、聚偏二氟乙烯PVDF（或叫氟碳PVF2）和塑料溶胶，一般国产均为聚脂，进口板有聚脂、聚偏二氟乙烯。目前关于耐久性尚无统一说法，但从退色看，聚偏二氟乙烯15年后退色20%，而聚脂7年后退色50%，可说明聚偏二氟乙烯的质量。但聚偏二氟乙烯一定要占70%，其余30%为丙烯酸。有的进口板聚偏二氟乙烯只占50%，这样性能就比聚脂好不了多少。塑料溶胶介于聚脂与聚偏二氟乙烯中间，用得不多。

　　3.彩板的防漏

　　屋面渗漏水吸人保温层，使荷载会危及结构安全，设计应予以注意。

　　板的纵向搭接有的认为用长板不搭接最好，根据我们的经验也不能越长越好，太长，由于温度影响板的伸缩引起螺栓扩孔，也会渗漏，另外也担心现场轧制，有的会减少轧制次数，或损伤涂层，不能保证质量。我们现在工程中用到35m一个搭接，效果很好，但建议搭接处高低错开，并填以厚50mm的硅胶。

　　最近我们处理工程中发现冷凝水造成渗漏，正确的做法是保温层用铝箱作隔汽层隔绝水汽，而有的工程错误地取消了隔汽层，并错误地将保温层铺在下板上，而下板搭接方向又错误地使冷凝水渗下。

　　曲面彩板尤其是球壳的彩板是防渗的难题，特别是在球的顶部，现在比较多的工程均用BHP的脊板做法，即横向搭接边是切成斜边在凹横向板部分弯折成堤，然后上加盖板，在球顶部分则用三道防线即板弯折成堤，得泰复式町胶，封口板PE上加脊板。我们在珠海体育馆第一次采用了上述做法，效果尚可，但圆顶做法还是相当复杂，处理不好很易渗漏。现在比较好的办法是用夹心板做成平坦屋面，上铺瑞士独资生产的防水材料（在济南），可以有各种颜色。中国香港会展大厅用了效果很好，是比较可靠美观的防水做法。

　　（三）门式刚架的承压型高强螺栓

　　我国钢结构规范规定，摩擦型高强螺栓要求测定扭矩系数、摩擦系数以控制预拉应力。孔径要求比螺栓直径大2mm.承压型高强螺栓除保留上述要求外，还要求孔径比螺栓直径不得大于0.5~1.0mm，减少孔径，可以在非动力荷载下允许螺栓有极小滑动，并在摩擦与顶紧共同作用下使承压型高强螺栓承载力比摩擦型的提高30%，但国内实际工程从未用过承压型高强螺栓。日本也取消了承压型高强螺栓。德国虽用承压型高强螺栓，但制定了专门验收标准，以免出现质量问题。

　　门式刚架规程参考了美国经验，采用了承压型高强螺栓或摩擦型高强螺栓。但美国门式刚架所谓的承压型高强螺栓内涵与我国不同。美国要求孔径比螺栓直径不大于1.5mm，不要求试验扭矩系数及摩擦系数，只要求螺栓用人工拧紧，然后再转l/4圈即可，目前不少美国公司在我国也是如此做法。这说明可能美国习惯于不用扭短系数，因为扭短系数与预拉力也只是间接关系，并不一定可靠；更主要的可能还是对门式刚架的高强螺栓要求并不需太高，与大跨重型钢结构及桥梁的高强螺栓应有所区别。因为门式刚架毕竟是轻钢结构，跨度小，受力小，尤其门式刚架是受弯构件，高强螺栓不是靠摩擦传递很大的拉压力。螺栓主要是受拉并承受一些剪力，在拼接处一般剪力很小，仅在支承处剪力稍大。斜支座本身可承受很大的剪力，直支座一般上面还有盖板或在下面加托板承受剪力，即使没有这些辅助件，剪力也都比较富裕，对门式刚架高强螺栓显然不需要象现在这样与大跨度钢结构要求一样。

　　（四）门式刚架设计中的几个小问题

　　1.拼接点的位置要不要在计算前定下来

　　拼接点是为了拼装分段，拼接点处刚度与其他断面一致，计算时根本不需考虑拼接点，但构造中却应该在拼接点处将二块拼接板伸出断面外，并在断面外布置一排拼接螺栓，这样的构造其刚度基本与截面接近，但也要注意将拼接板加厚。

　　2.腹板纵向肋

　　有的工地反映，设计院已满足规程5.2.l .3集中力下的腹板稳定要求，不需设纵向肋，但为了安全仍加了纵向肋，给加工增加了很多麻烦。设计方面可能认为门式刚架对腹板高厚比放宽太多，所以不太放心，加之门式刚架规程条文说明又加了“具体设计应根据制造厂的技术条件采用适当高原比”，估计这些说明使设计者更加保守。门式刚架规程腹板高厚比是参照欧洲规范EC3-ENV-1993-1-l及美国规范AISC一1986/89，规范考虑屈曲后强度只是形式上与我国冷弯薄壁型钢规范GBJ18-87表达一致，不必要加纵向肋只要加横向肋即可，因为腹板应力场要求竖杆。条文说明中所提制造厂技术条件是指板很薄时，如3mm，对于焊接及平整的技术有一定难度，国内公司技术水平又不具备，因此就提醒一下应根据具体条件在腹板很薄时要适当选用宽厚比并不是要加纵向肋。

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