岩土工程师辅导：影响钢构用钢量的主要因素(3)

　　影响厂房结构用钢的主要因素

　　影响钢结构用钢的因素较多，对不同类型的结构，影响用钢的因素也有区别和侧重。厂房结构较为简单，影响因素也容易叙述一些。归纳的因素，对于一般的结构来说有一定的普遍性。

　　1结构的支撑体系

　　单层单跨厂房结构(门式刚架)也可以看作是由四个杆件，即两个柱，一个横梁和大地组成的矩形结构。没有吊车的单跨厂房，通常用2～4粒螺栓将柱脚与基础相连，此时可将柱脚与基础(大地)的连接视为铰接。厂房内不可能用斜拉杆，因此柱与屋面必须做成刚接，否则便成了可变体系。

　　沿厂房纵向，也要考虑结构的稳定。在厂房纵向，各门式刚架之间通常在檐口处用刚性系杆铰接相连。如果不用柱间支撑，在水平荷载作用下，结构在纵向是可变体系。因此通常做法是在厂房两头的第一柱间加上交叉的拉杆支撑，荷载通过刚性系杆传至支撑再传至基础。当厂房较长时，在中间跨或相应的跨处也宜布置柱间支撑以免传力路线大长而使结构的纵向刚度不足。一般地，使用交叉拉杆支撑的间距又宜大于50m。

　　也许有人会提出沿厂房纵向亦可做成刚节点。可以这样做，但一般不这样做，并不是由于刚节点施工麻烦，而主要是用钢问题。这个问题可以从下面两方面看：转自环球网校edu24ol.com

　　如果要将结构在两个方面(横向和纵向)做成刚接，H形截面可能不再能使用。如前所述，H形截面在弱轴方向的强度和刚度都太小，比其强轴方向小十几倍至几十倍。因此要用到箱形截面或管形截面。

　　由于使用支撑，对柱在纵向强度和刚度没有特别要求，采用H型钢截面250×300×8×6，每米用钢量为44.8kg。若取消支撑，采用箱形截面250×300×8×6，每米用钢量为58.2kg，与H型钢截面相比，每米用钢量增加30%。

　　对于提高结构强度和刚度，控制结构变形，使用支撑系统更有效，以下的简单例子可以说明问题：

　　一个Q235悬臂柱在柱顶作用力P=10KN(1.0T)

　　从强度考虑，弯矩为：

　　M=10×8=80KN (2-1)

　　所要求的最小截面模量W=KM/[σ]=1.4×80×106/215=521×103mm3

　　式中，K-荷载系数，

　　M-荷载引起的弯矩

　　σ-材料设计应力

　　用H形截面300×200×8×6 W=531×103mm3

　　截面面积A=200×8×2+284×6=4904mm2

　　截面在受弯方向的惯性矩I=79.7×106mm4

　　用钢=4904×10-6×8×7850=308kg

　　经验算，上述截面的稳定临界弯矩大于荷载引起的弯矩，因此所选截面满足稳定要求。

　　现在将上述结构改为一根铰接柱加上缆风拉杆的方案，由上图可知：

　　拉杆力 NT=10kN/cos60o=20kN

　　所需最小面积A=KN/[σ]=1.4×20×103/215=130.2mm2 (2-2)

　　K-荷载系数，

　　N-荷载引起的杆件力，

　　σ-材料设计应力

　　Q235直径16的拉杆面积为201mm2

　　铰接柱的力，NC=10kn/tg30o=17.32kn

　　试采用圆管截面 102(直径)×2.5(壁厚)

　　面积=781mm2;回转半径I=35.2mm

　　长细比λ=L/r=8000/35.2=227.3

　　式中L-柱高;r-截面回转半径

　　受压稳定系数φ=0.148

　　实际应力σ=KN/A=1.4×17.32×103/781×0.148=210N/mm2 (2-3)

　　式中，K-荷载系数，转自环 球 网 校edu24ol.com

　　N-荷载引起的杆件力，

　　A-杆件截面面积

　　实际应力σ=210<设计应力=215N/mm2

　　满足要求：

　　实际用钢=γΣ(A×L)=7850×(781×10-6×8+201×10-6×8/cos30o)

　　= 63.6kg

　　式中，γ-材料净重，

　　A-杆件截面面积，

　　L-杆件长度

　　Σ-求和号，指对结构中所有杆件的计算求和。

　　铰接柱加上拉杆支撑的用钢，仅为悬臂柱用钢的20.6%。

　　以上假定柱顶力是作用在某一个固定的方向。如果力可以作用在任一个方向，例如风荷载，则悬臂柱要设计成为管形或箱形截面。箱形截面较圆形截面有效一些。采用正方箱形截面如下：

　　截面惯性矩：I=73.6×106mm4

　　截面弯曲横量：W=545×103mm3

　　(>521×103mm3，强度计算所需截面模量)

　　面积A=6336mm2

　　用钢=388kg

　　对于铰接柱要在四个方向拉上缆风拉杆，此时，

　　用钢=A(781×10-6×8+4×201×10-6×8/cos30o)×7850=107.3kg

　　为悬臂柱用钢的27%。

　　d.从结构变形(刚度)上考虑问题：

　　(1)对于’c’中的方管悬臂柱在柱顶作用10KN(1吨)水平力时，柱顶位移δ为：

　　δ=PL3/3EI=10×83×1012 /3×2.05×105×73.6×106=113.1mm(≈L/70)(2-4)

　　式中，P-力，

　　L-柱高

　　E-弹性模量来

　　I-截面惯性矩

　　(2)对铰接柱加缆风的结构，在同样荷载作用下，柱顶位移δ为：

　　δ=ΣNNL/EA=[20×2×8/201×cos30o+17.32×1.732×8/781]×106/2.05×105=10.5mm (2-5)

　　式中， N-荷载引起的杆件力，

　　N-单位力在位移方向上引起的杆件力，

　　L-杆件长度

　　E-弹性模量

　　A-杆件截面面积

　　Σ-求和号，指对结构中所有杆件的计算求和铰接柱加缆风的结构的位移值是悬臂柱结构的10分之一。悬臂柱的柱顶位移过大，是柱高的70分之一。若将柱顶位移控制在柱高的100分之一，即80mm，则柱截面还要加大。需要的截面为310×6mm，面积为7296mm2，8m长的重量为458kg。铰接柱加上四条缆风拉杆的重量仅为其的23.4%。如果将悬臂柱的柱顶位移也控制在10.5mm左右，则方管截面要做到540×8mm。

　　从以上的计算比较可见，使用支撑系统的结构用钢比不使用支撑系统的结构用钢要小得多，从而可节约建筑造价。但其缺点是支撑系统要占据一定空间位置，这一点，常与建筑美观和使用方便产生矛盾。

　　一个实际工程例子非常有效地说明了使用支撑系统节约用钢的事实。马来西亚一家设计事务所设计了一幢三层办公楼，最初设计采用框架结构抵抗水平力(风力和地震力)，平均每平方米的用钢达到65kg/m2。后改用支撑系统传递水平力，平均每平方米的用钢降到45kg/m2。高层结构的水平力是设计中要予以考虑的主要问题之一，支撑系统也被广泛地使用在高层结构设计中。下面例举了国内外高层结构的一些例子。图2-6上图是美国休斯敦的联合银行大厦的立面和结构体系图。图2-6下图是该大厦支撑体系的大样图。图2-7是中国香港中银大厦和广州某大楼的结构体系图。这些图说明了支撑体系在高层中的运用。

　　因此，当销售人员与业主讨论结构布局等问题时，应该说明支撑体系的优越性和经济性。有一点应予注意，对于双跨和多跨厂房结构，边跨必须布置纵向柱间支撑的要求，已在前面提到，中间跨在原则上亦应布置纵向柱间支撑，只有当两跨跨度之和较小(例如小于40M)，且无吊车荷载，而边跨刚度相对较大时，经计算后可以略去中间跨的柱间支撑。

　　有时由于使用上的要求，例如门和通道等，十字形斜撑不能使用。国内外工程师们创造使用了不同形式的支撑。这些支撑的共同特点是支撑杆件直接与柱脚或基础相连，以将上部结构承受的水平力直接传入基础。

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