時間：2023-03-16 16:37:42
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關鍵詞：門式剛架鋼結構
一。設計方面
1.屋面活荷載取值
框架荷載取0.3kN/m2已經沿用多年，但屋面結構，包括屋面板和檁條，其活荷載要提高到0.5kN/m2.《鋼結構設計規范》規定不上人屋面的活荷載為0.5kN/m2，但構件的荷載面積大于60m2的可乘折減系數0.6.門式剛架一般符合此條件，所以可用0.3kN/m2，與鋼結構設計規范保持一致。國外這類，要考慮0.15-0.5N/m2的附加荷載，而我們無此規定，遇到超載情況，就要出安全問題。設計時可適當提高至0.5kN/m2.現在有的框架梁太細，檁條太小，明顯有人為減少荷載情況，應特別注意，決不允許在有限的活荷載中“偷工減料”。
2.屋脊垂度要控制
框架斜梁的豎向撓度限值一般情況規定為1/180，除驗算坡面斜梁撓度外，是否要驗算跨中下垂度？過去不明確，可能不包括屋脊點垂度。現在應該是計算的。一般是將構件分段，用等截面程序計算，每段都要計算水平和豎向位移，不能大于允許值，等于要驗算跨中垂度。跨中垂度反映屋面豎向剛度，剛度太小豎向變形就大。要的度本來就小，脊點下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面豎向剛度過小，第一榀剛架與山墻間的屋面出現斜坡，使屋面變形。本人有此想法，剛架側移后，當山尖下垂對坡度影響較大時（例如使坡度小于1/20），要驗算山尖垂度，以便對屋面剛度進行控制。
3.鋼柱換砼柱
少數設計的門式剛架，采用鋼筋混凝土柱和輕鋼斜梁組成，斜梁用豎放式端板與砼柱中的預埋螺栓相連，形成剛接，目的是想節省鋼材和降低造價。在廠房中，的確是有用砼柱和鋼桁架組成的框架，但此時梁柱只能鉸接，不能剛接。多高層建筑中，鋼梁與墻的連接也是如此。因為混凝土是一種脆性材料，雖然構件可以通過配筋承受彎矩和剪力，但在連接部位，它的抗拉、抗沖切的性能很并，在外力作用下很容易松動和破壞。有些設計，在門式剛架設計好之后，又根據業主要求將鋼柱換成砼柱，而梁截面不變。應當指出，砼柱加鋼梁作成排架是可以的，但將剛架的鋼柱換成砼柱，而鋼梁不變，是不行的。由于連接不同，構件內力也不同，要的工程斜梁很細，可能與此有關。
4.檁條計算不安全
檁條計算問題較大。檁要是冷彎薄壁構件，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大，在受力時要屈曲，強度計算應采用有效寬度，對原有截面要減弱，不能象熱軋型鋼那樣全截面有效。有效寬度理論是在《冷彎薄壁型鋼構件技術規范》（GB50018－2002）中講的，有的設計人員恐怕還不了解，甚至有些設計軟件也未考慮。但是，設計光靠軟件不行，還要能判斷。軟件未考慮的，自己要考慮。再有，設計人員往往忽略強度計算要用凈斷面，忽略釘孔減弱。這種減弱，一般達到6-15%，對小截面窄翼緣的梁影響較大。剛架整體分析采用的是全截面，如果強度計算不用凈截面，實際應力將高于計算值。《規范》4.1.8、9條規定：“結構構件的受拉強度應按凈截面計算；受壓強度應按有效截面計算；穩定性應按有效截面計算。變形和各種穩定系數均可按毛截面計算”。有的單位看到國外資料中檁條很薄，也想用薄的。國外檁條普遍采用高強度低合金鋼，但我國低合金鋼Q345的沖壓性能不行，只有用Q235的。國外是按有效截面計算承載力的。如果用Q235的，又想用得薄，計算時還不考慮有效截面，荷載稍大時檁條就要垮。二。施工方面
1.柱子拔出
有的剛架在大風時柱子被拔起，這是實際中常出現的事故。主要原因不是剛架計算失誤，而且設計柱間支撐時，未考慮支撐傳給柱腳的拉力。尤其是房屋縱向尺度較小時，只設置少量柱間支撐來抵抗縱向風荷載，支撐傳給柱腳的拉力很大，而柱腳又沒有采取可靠的抗拔措施，很可能將柱子拔起。，因此，在風荷載較大的地區剛架柱受拉時，在柱腳應考慮抗拔構造，例如錨栓端部設錨板等。
2.沒有柱間支撐
這種情況最近較多，這樣肯定不行。目前沒有任何一本規范允許不設支撐。特別是柱間支撐，受力較大，絕不能省略。
3.端板合不上
端板連接是結構的重要部位。由于加工要求不嚴，而腹板與端板間夾角又，有的工程兩塊端板完全對不上，合不起來。強行用螺栓拉在一起，仍留下很寬縫隙，嚴懲影響工程質量。
4.錨栓不鉛直
框架柱柱腳底板水平度差，錨栓不鉛直，柱子安裝后不在一條直線上，東倒西歪，使房屋外觀很難著，這種情況不少。錨栓安裝應堅持先將底板用下部調整螺栓調平，再用用無收縮砂漿二次灌漿填實。
5.保溫材吸水超重
有些房屋雪不大就垮了，究其原因，是屋面防水施工太差，雪融化后水逐漸滲入，為保溫村所吸收。今年冬季落雪多次，遷延時間較長。屋面的設計荷載很小時，當吸水量達至一定程序，超過了結構的承載能力，就要倒塌。
關鍵詞：建筑鋼結構經濟性能工程造價優化設計
1、引言
由于國家政策、鋼材生產、構件制作、設計研發、標準規范修訂等方面的有利因素，近幾年我國的建筑鋼結構進入了一個全新的發展時期。新材料、新部品、新結構體系不斷出現，鋼結構設計研發、制作安裝能力日益強大，建筑鋼結構向多樣性、適用性、經濟性方向發展。
建筑鋼結構的經濟性能一直是大家最為關注的一個問題。如何控制工程造價，充分發揮鋼結構建筑技術經濟上的綜合優勢，工程設計階段是關鍵階段。據權威資料統計分析，在初步設計階段，影響工程造價的可能性為75%-95%；在技術設計階段，影響工程造價的可能性為35%-75%；在施工圖設計階段，影響工程造價的可能性為5%-35%。因此設計質量的好壞、設計是否優化對工程造價將產生直接的影響。下面以門式剛架輕鋼結構廠房和多、高層鋼結構建筑的設計為例，在材料選用、結構體系等方面進行簡要分析，探討在設計階段控制工程造價，提高建筑經濟性能的可行性。
2、材料選用方面工程造價控制
由于我國鋼產量已經突破兩億噸，鋼材品種更趨于多樣化。各種新型建材，如輕質保溫墻板、彩涂壓型鋼板、樓承板等不斷開發出來并推廣應用。建筑鋼結構在設計階段材料的選擇上有了更大的空間。材料選擇不同，工程直接費不同，總造價不同。設計階段合理選擇建筑材料，控制材料單價或工程量，是控制工程造價的有效途徑。試舉例如下：
（1）彩涂鋼板：彩涂鋼板一般用于輕鋼廠房屋面板和墻面板，有不同板型、不同基板厚度和鋼號、不同鍍鋅板類別和鍍鋅層厚度以及不同的彩涂層類別，在形式上又可選用單板、保溫復合板、單板加內保溫層等，其中保溫層又有超細玻璃絲棉、硬質巖棉、聚苯乙烯等類別及厚度的不同，這些不同都造成單方材料價格的差異，從而影響廠房工程總造價。所以設計時要根據廠房性質、大氣環境等因素綜合考慮，合理選用板材，控制工程造價。
（2）多、高層住宅鋼結構體系的墻體材料：墻體材料造價一般占土建工程造價的15%-25%。對于多、高層住宅鋼結構體系來說，選用配套、經濟、節能的墻體材料至關重要。目前，設計選用的外墻材料主要有水泥保溫外墻板、輕質加氣混凝土砌塊、NALC板等；內墻材料主要有改性石膏板、GRC內墻板、水泥保溫復合板等。萊鋼集團自主研發的LCC-A系列、LCC-B系列和LCC-C系列輕質保溫復合墻板也已應用于在建鋼結構節能住宅工程中，逐步使鋼結構住宅體系走向標準化、定型化和工業化，為降低綜合造價創造了基礎條件。
（3）多、高層鋼結構建筑樓（屋）面的樓承板：設計時，根據在樓（屋）蓋結構體系中的作用，樓承板可采用兩種形式，即①樓承板只作為永久性模板，一般采用普通鍍鋅壓型鋼板即可，對最小鍍鋅量和耐火時間要求較低，價格較便宜；②施工時作為模板，在使用階段則替代受拉鋼筋，即組合樓板。由于在設計中考慮樓承板作為受拉筋，其使用壽命必須與主鋼結構的使用壽命保持一致，所以對其最小鍍鋅量和耐火時間要求較高，單方價格相對較高。
（4）鋼材規格及材質：由于鋼材品種的增多，結構設計時可選擇的構件形式也多了。比如框架柱，可采用熱軋H型鋼、焊接H型鋼、螺旋焊接圓鋼管、焊接方鋼管以及組合截面等形式，鋼梁可采用等截面、變截面等形式。材質可采用Q235普碳鋼，也可采用Q345低合金鋼。設計時應盡可能采用高強度等級的材料，比如采用Q345鋼比采用Q235鋼就可節約鋼材15%-25%，用于受拉或受彎構件節約比例較大。設計時要選用經濟截面型材，比如熱軋H型鋼、T型鋼等。在某些情況下，采用熱軋H型鋼柱、梁可能比采用焊接H型鋼用鋼量稍多，但從加工成本、施工進度等方面綜合考慮，其造價可能更有優勢。
3、結構體系方面工程造價控制
不同的結構體系和平、立面布置對工程造價的影響較明顯。在設計階段只有根據建筑物的使用功能要求，確定合理的平、立面布置和結構體系，才能有效控制工程造價，做到經濟適用。列舉如下：
（1）根據有關資料測算分析，對于多層建筑，不同層數對土建工程造價的影響為10%-25%；不同層高對土建工程造價的影響為1.5%-12%。
（2）門式剛架輕鋼結構廠房設計，同樣存在經濟跨度和剛架最優間距。在工藝要求允許的情況下，盡量選擇小跨度的門式剛架較為經濟。一般情況下，門式剛架的最優間距為6m-9m，當設有大噸位吊車時，經濟柱距一般為7m-9m,不宜超過9m，超過9m時，屋面檁條、吊車梁與墻架體系的用鋼量也會相應增加，造價并不經濟。下表（表3.3）是按《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS102:98）進行設計的廠房主鋼用鋼量，通過橫向、縱向比較，可以看出各影響因素在設計階段合理確定的意義。設計荷載取值：恒載0.3KN/m2、活載0.5KN/m2、基本風壓0.55KN/m2、不考慮吊車及懸掛荷載。
柱距7.5m
檐高6.0m
用鋼量
（kg/m2）
柱距7.5m
檐高6.0m
用鋼量
（kg/m2）
柱距7.5m
檐高6.0m
用鋼量
（kg/m2）
跨度
Q345
Q235
跨度
Q345
Q235
跨度
Q345
Q235
1×18.0m
7.20
8.72
2×18.0m
7.16
8.92
3×18.0m
7.38
8.95
1×21.0m
8.41
9.90
2×21.0m
8.45
10.28
3×21.0m
8.43
10.12
1×24.0m
9.22
11.43
2×24.0m
9.68
11.75
3×24.0m
9.29
11.36
1×27.0m
10.54
12.72
2×27.0m
10.86
13.12
3×27.0m
10.35
12.96
1×30.0m
11.57
13.95
2×30.0m
11.92
14.53
3×30.0m
11.35
13.54
1×33.0m
12.86
15.10
2×33.0m
13.21
16.58
3×33.0m
12.46
15.61
（3）在多、高層鋼結構中，樓板結構體系的工程量占有較大比重，對結構的工作性能、造價都有重要影響。在確定樓板結構方案時，主要考慮要保證樓板有足夠的平面整體剛度，能減輕結構的自重及減小結構層的高度，有利于現場安裝方便及快速施工，還要有較好的防火、隔音性能，并便于管線的敷設。常用樓板做法有：壓型鋼板組合樓板、預制樓板、疊合樓板和普通現澆鋼筋混凝土樓板等。目前最常用的做法為壓型鋼板組合樓板和普通現澆鋼筋混凝土板。當采用這兩種做法時，考慮現澆板與鋼梁組合成為共同受力的組合梁，能有效降低鋼梁高度，較多地節約鋼材。
（4）在高層鋼結構中，框架柱采用圓形鋼管混凝土柱，梁、板采用鋼-砼組合結構，總用鋼量比普通鋼結構用鋼量有大幅度減小，能有效降低工程造價。
4、結束語
鋼結構建筑所具有的優點決定其必將具有強大的生命力。設計階段技術創新、選材配套、設計優化是控制造價、促進建筑鋼結構走向產業化的關鍵階段。為此，強調以下幾點：
（1）提高設計人員的素質，重視設計人員的繼續教育和業務知識的更新培訓。同時，要強調技術與經濟相結合，設計中注重價值工程的運用，要做多方案比較，把控制工程造價放到重要位置。
關鍵詞：輕型門式剛架結構設計計算
輕型門式剛架房屋結構在我國的應用大約始于20世紀80年代初期。近十多年來得到迅速的發展，目前國內每年有上千萬平方米的輕鋼建筑工程，主要用于輕型的廠房、倉庫、體育館、展覽廳及活動房屋、加層建筑等。
單層輕型門式剛架結構是指以輕型焊接H形鋼（等截面或變截面）、熱軋H形鋼（等截面）或冷彎薄壁型鋼等構成的實腹式門式剛架或格構式門式剛架作為主要承重骨架，用冷彎薄壁型鋼（槽形、Z形等）做檁條、墻梁；以壓型金屬板（壓型鋼板、壓型鋁板）做屋面、墻面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬質聚氨酯泡沫塑料、巖棉、礦棉、玻璃棉等作為保溫隔熱材料并適當設置支撐的一種輕型房屋結構體系。
在目前的工程實踐中，門式剛架的梁、柱多采用焊接H形變截面構件，單跨剛架的梁柱節點采用剛接，多跨者大多剛接和鉸接并用；柱腳可與基礎剛接或鉸接；圍護結構多采用壓型鋼板；保溫隔熱材料多采用玻璃棉。
1單層輕型門式剛架結構的特點和設計中的注意事項
1.1單層輕型門式剛架結構相對于鋼筋混凝土結構具有以下特點：
(1)質量輕
圍護結構采用壓型金屬板、玻璃棉及冷彎薄壁型鋼等材料組成，屋面、墻面的質量都很輕。根據國內工程實例統計，單層輕型門式剛架房屋承重結構的用鋼量一般為10~30kg/m2，在相同跨度和荷載情況下自重僅約為鋼筋混凝土結構的1/20~1/30。由于結構質量輕，相應地基礎可以做得較小，地基處理費用也較低。同時在相同地震烈度下結構的地震反應小。但當風荷載較大或房屋較高時，風荷載可能成為單層輕型門式剛架結構的控制荷載。
(2)工業化程度高，施工周期短
門式剛架結構的主要構件和配件多為工廠制作，質量易于保證，工地安裝方便；除基礎施工外，基本沒有濕作業；構件之間的連接多采用高強度螺栓連接，安裝迅速。
(3)綜合經濟效益高
門式剛架結構通常采用計算機輔助設計，設計周期短；原材料種類單一；構件采用先進自動化設備制造；運輸方便等。所以門式剛架結構的工程周期短，資金回報快，投資效益相對較高。
(4)柱網布置比較靈活
傳統鋼筋混凝土結構形式由于受屋面板、墻板尺寸的限制，柱距多為6米，當采用12米柱距時，需設置托架及墻架柱。而門式剛架結構的圍護體系采用金屬壓型板，所以柱網布置不受模數限制，柱距大小主要根據使用要求和用鋼量最省的原則來確定。
1.2設計中的注意事項
(1)由于門式剛架結構構件的抗彎剛度、抗扭剛度較小，結構的整體剛度較弱，因此設計時應考慮運輸和安裝過程中要采取的必要措施，防止構件發生彎曲和扭轉變形。
(2)要重視支撐體系和隅撐的布置，重視屋面板、墻面板與構件的連接構造，使其能參與結構的整體工作。
(3)組成構件的桿件較薄，設計中應考慮對制作、安裝、運輸的要求。
(4)設計中應充分考慮銹蝕對結構構件截面削弱的影響。
(5)門式剛架的梁柱多采用變截面桿件，梁柱腹板在設計時考慮利用屈曲后的強度，所以塑性設計不再適用。
(6)設計中對輕型化帶來的后果必須注意和正確處理，比如風力可使輕型屋面的荷載反向等。
2結構形式和結構布置
2.1結構形式
門式剛架的結構形式按跨度可分為單跨、雙跨和多跨，按屋面坡脊數可分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。屋面坡度宜取1/20~1/8。單脊雙坡多跨剛架，用于無橋式吊車的房屋時，當剛架柱不是特別高且風荷載也不是很大時，依據“材料集中使用的原則”，中柱宜采用兩端鉸接的搖擺柱方案。門式剛架的柱腳多按鉸接設計，當用于工業廠房且有橋式吊車時，宜將柱腳設計成剛接。門式剛架上可設置起重量不大于3t的懸掛吊車和起重量不大于20t的輕、中級工作制的單梁或雙梁橋式吊車。
2.2結構布置
2.2.1剛架的建筑尺寸和布置。
門式剛架的跨度宜為9~36m，當柱寬度不等時，其外側應對齊。高度應根據使用要求的室內凈高確定，宜取4.5~9m。門式剛架的合理間距應綜合考慮剛架跨度、荷載條件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、9m。縱向溫度區段小于300m，橫向溫度區段小于150m（當有計算依據時，溫度區段可適當放大）。
2.2.2檁條和墻梁的布置
檁條間距的確定應綜合考慮天窗、通風屋脊、采光帶、屋面材料、檁條規格等因素按計算確定，一般應等間距布置，但在屋脊處應沿屋脊兩側各布置一道，在天溝附近布置一道。側墻墻梁的布置應考慮門窗、挑檐、雨蓬等構件的設置和圍護材料的要求確定。
2.2.3支撐和剛性系桿的布置
(1)在每個溫度區段或分期建設的區段中，應分別設置能獨立構成空間穩定結構的支撐體系。
(2)在設置柱間支撐的開間，應同時設置屋蓋橫向支撐，以構成幾何不變體系。
(3)端部支撐宜設在溫度區段端部的第一或第二個開間。柱間支撐的間距應根據房屋縱向受力情況及安裝條件確定，一般取30~45m，有吊車時不宜大于60m。
(4)當房屋高度較大時，柱間支撐應分層設置；當房屋寬度大于60m時，內柱列宜適當設置支撐。
(5)當端部支撐設在端部第二個開間時，在第一個開間的相應位置應設置剛性系桿。
(6)在剛架的轉折處（邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱頂）應沿房屋全長設置剛性系桿。
(7)由支撐斜桿等組成的水平桁架，其直腹桿宜按剛性系桿考慮。
(8)剛性系桿可由檁條兼做，此時檁條應滿足壓彎構件的承載力和剛度要求，當不滿足時可在剛架斜梁間設置鋼管、H型鋼或其他截面形式的桿件。
(9)當房屋內設有不小于5t的吊車時，柱間支撐宜用型鋼；當房屋中不允許設置柱間支撐時，應設置縱向剛架。
3剛架設計
3.1荷載及荷載組合
3.1.1永久荷載
永久荷載包括結構構件的自重和懸掛在結構上的非結構構件的重力荷載，如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構件和剛架自重等。
3.1.2可變荷載
可變荷載包括屋面活荷載（設計屋面板和檁條時應考慮施工和檢修集中荷載，其標準值為1KN）、屋面雪荷載和積灰荷載、吊車荷載、地震作用、風荷載等。
3.1.3荷載組合
荷載組合一般應遵從《建筑結構荷載設計規范》GB50009-2002的規定，針對門式剛架的特點，《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS102:98給出下列組合原則：
(1)屋面均布活荷載不與雪荷載同時考慮，應取兩者中較大值。
(2)積灰荷載應與雪荷載或屋面均布活荷載中的較大值同時考慮。
(3)施工或檢修集中荷載不與屋面材料或檁條自重以外的其他荷載同時考慮。
(4)多臺吊車的組合應符合《建筑結構荷載設計規范》的規定。
(5)當需要考慮地震作用時，風荷載不與地震作用同時考慮。
3.2剛架內力和側移計算
3.2.1內力計算
對于變截面門式剛架，應采用彈性分析方法確定各種內力，只有當剛架的梁柱全部為等截面時才允許采用塑性分析方法。變截面門式剛架的內力通常采用桿系單元的有限元法（直接剛度法）編制程序上機計算。地震作用的效應可采用底部剪力法分析確定。
根據不同荷載組合下的內力分析結果，找出控制截面的內力組合，控制截面的位置一般在柱底、柱頂、柱牛腿連接處及梁端、梁跨中等截面。控制截面的內力組合主要有：
(1)最大軸壓力Nmax和同時出現的M及V的較大值。
(2)最大彎矩Mmax和同時出現的N及V的較大值。
(3)最小軸壓力Nmin和相應的M及V，出現在永久荷載和風荷載共同作用下，當柱腳鉸接時M=0。
3.2.2側移計算
變截面門式剛架的柱頂側移應采用彈性分析方法確定，計算時荷載取標準值，不考慮荷載分項系數。如果最后驗算時剛架的側移剛度不滿足要求，需采用下列措施之一進行調整：放大柱或（和）梁的截面尺寸，改鉸接柱腳為剛接柱腳；把多跨框架中的個別搖擺柱改為上端和梁剛接。
3.3剛架柱和梁的設計
(1)梁柱板件的寬厚比限值和腹板屈曲后的強度利用。（主要包括梁柱板件的寬厚比限值驗算、腹板屈曲后強度利用驗算、腹板的有效寬度驗算等內容）
(2)剛架梁柱構件的強度驗算。
(3)梁腹板加勁肋的配置。（梁腹板應在中柱連接處、較大固定集中荷載作用處和翼緣轉折處設置橫向加勁肋）
(4)變截面柱在剛架平面內的計算長度確定。
(5)變截面柱在剛架平面內的整體穩定計算。
(6)變截面柱在剛架平面外的整體穩定計算。
(7)斜梁和隅撐的強度和穩定性計算。
(8)節點設計。（包括斜梁與柱的連接及斜梁拼接、柱腳設計、牛腿設計、搖擺柱與斜梁的連接構造等內容）
4輔屬結構構件設計
4.1壓型鋼板設計
(1)壓型鋼板材料的選擇可根據建筑功能、使用條件、使用年限和結構形式等因素考慮，鋼板基板的材料有Q215鋼和Q235鋼，工程中多用Q235-A鋼。
(2)壓型鋼板的截面形式較多，根據波高的不同，一般分為低波板、中波板和高波板。波高越高，截面的抗彎剛度就越大，承受的荷載也就越大。
(3)壓型鋼板的強度和撓度可取單槽口的有效截面按受彎構件計算。計算內容包括壓型鋼板腹板的剪應力計算、支座處腹板的局部受壓承載力計算、撓度限值驗算等。
(4)壓型鋼板尚應滿足其他相關構造規定。
4.2檁條設計
(1)檁條的截面形式可分為實腹式和格構式兩種。當檁條跨度不大于9m時，應優先選用實腹式檁條。
(2)檁條屬于雙向受彎構件，在進行內力分析時應沿截面兩個形心主軸方向計算彎矩。
(3)檁條應進行強度計算、整體穩定計算、變形計算。
(4)檁條尚應滿足其他相關構造規定。
4.3墻梁、支撐設計
(1)墻梁一般采用冷彎卷邊槽鋼，有時也可采用卷邊Z形鋼。
(2)墻梁在其自重、墻體材料和水平風荷載作用下，也是雙向受彎構件。
(3)墻梁應盡量等間距設置，在墻面的上沿、下沿及窗框的上沿、下沿處應設置一道墻梁。為減少豎向荷載作用下墻梁的豎向撓度，可在墻梁上設置拉條，并在最上層墻梁處設斜拉條將拉力傳至剛架柱。
(4)墻梁可根據柱距的大小做成跨越一個柱距的簡支梁或兩個柱距的連續梁。
(5)門式剛架結構中的交叉支撐和柔性系桿可按拉桿設計，非交叉支撐中的受壓桿件及剛性系桿按壓桿設計。
(6)剛架斜梁上橫向水平支撐的內力，根據縱向風荷載按支承于柱頂的水平桁架計算，并計入支撐對斜梁起減少計算長度作用而承受的力，對于交叉支撐可不計入壓桿的受力。
(7)剛架柱間支撐的內力，應根據該柱列所受縱向風荷載按支承于柱腳的豎向懸臂桁架計算，并計入支撐對柱起減少計算長度而應承受的力，對于交叉支撐可不計壓桿的受力。當同一柱列設有多道柱間支撐時，縱向力在支撐間可平均分配。
5小結
綜上所述，輕型門式剛架結構設計應遵守以下原則：
(1)保證結構的整體性。門式剛架屬于平面結構，它們在縱向構件、支撐和圍護結構的聯系下形成空間的穩定體系，結構只有組成空間穩定整體，才能承擔各種荷載和其他外在效應。
一般來說，材料的特性是推出新型建筑形式的出發點。鋼結構是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成的。和其它材料的結構相比，鋼結構有如下一些特點。
1.1材料的強度高，塑性和韌性好鋼材和其它建筑材料諸如混凝土、磚石和木材相比，強度要高得多。因此，特別適用于跨度大或荷載很大的構件和結構。鋼材還具有塑性和韌性好的特點。塑性好，結構在一般條件下不會因超載而突然斷裂；韌性好，結構對動力荷載的適應性強。良好的吸能能力和延性還使鋼結構具有優越的抗震性能。另一方面，由于鋼材的強度高，做成的構件截面小而壁薄，受壓時需要滿足穩定的要求，強度有時不能充分發揮。
1.2材質均勻，與力學計算的假定比較符合鋼材內部組織比較接近于勻質和各向同性，而且在一定的應力幅度內幾乎是完全彈性的。因此，鋼結構的實際受力情況和工程力學計算結果比較符合。鋼材在冶煉和軋制過程中質量可以得到嚴格控制，材質波動的范圍小。
1.3鋼結構制造簡便，施工周期短鋼結構所用的材料單純而且是成材，加工比較簡便，并能使用機械操作，因此，大量的鋼結構一般在專業化的金屬結構廠做成構件，精確度較高。構件在工地拼裝，可以采用安設簡便的普通螺栓和高強度螺栓，有時還可以在地面拼裝和焊接成較大的單元再行吊裝，以縮短施工周期。此外，對已建成的鋼結構也比較容易進行改建和加固，用螺栓連接的結構還可以根據需要進行拆遷。
1.4鋼結構的重量輕鋼材的密度雖比混凝土等建筑材料大，但鋼結構卻比鋼筋混凝土結構輕，原因是鋼材的強度與密度之比要比混凝土大得多。以同樣的跨度承受同樣荷載，鋼屋架的重量最多不超過鋼筋混凝土屋架的1/3至1/4，冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10，為吊裝提供了方便條件。對于需要遠距離運輸的結構，如建造在交通不便的山區和邊遠地區的工程，重量輕也是一個重要的有利條件。
當然任何一種材料都不是十全十美的，鋼材的耐腐蝕性和耐火性就較為欠缺，在對結構進行防護時費用比鋼筋混凝土結構高。不過在沒有侵蝕性介質的一般廠房中，構件經過徹底除銹并涂上合格的油漆，銹蝕問題也并不嚴重。近年來出現的耐大氣腐蝕的鋼材具有較好的抗銹性能，已經逐步推廣應用，并取得了良好的效果。鋼材長期經受100℃輻射熱時，強度沒有多大變化，具有一定的耐熱性能，但溫度達150℃以上時，就須用隔熱層加以保護。鋼材不耐火，重要的結構必須注意采取防火措施。例如，利用蛭石板、蛭石噴涂層或石膏板等加以防護。
2鋼結構住宅的特點
鋼結構住宅與傳統結構相比，在使用功能、設計、施工以及綜合經濟方面具有優勢，主要體現在以下方面。
2.1設計制造周期短，設計生產一體化現代結構設計借助于計算機和專業化結構分析軟件，使得設計周期大大縮短，設計中的修改和調整非常方便。同時，由于鋼結構具有工廠預制、現場安裝的特點，可以將前期設計和現業的生產手段相結合，通過網絡計算機和數控機床結合，使設計人員在工作室中完成設計后，即由工廠的生產線完成產品制作，具有極高的效率和精確度，可以大大減少項目建設周期。
2.2能夠合理布置功能區間在居住建筑中，建筑師和居民一直希望能夠有大跨的無豎向結構的空間，這樣，可以根據需求進行靈活隔斷，使室內布置呈多樣化。傳統住宅由于所用材料的性質，限制了空間布置的自由。
2.3承載強度高，抗震性能優越相同的荷載，鋼結構截面最小，相同的截面，鋼結構承載力最大。在抗震設防區，鋼筋砼結構有許多不足之處，而鋼結構重量輕，六層輕鋼住宅的重量僅相當于四層磚混結構的重量，因此，本身所受的地震作用小；而且，鋼材具有高延性，有較好的耗能能力，因此，抗震性能好，結構安全度高。
2.4施工方面優勢突出現澆砼需要連續施工，在我國北方地區受到施工季節的影響。鋼結構的大部分構件在工廠生產，運往現場通過焊接或螺栓進行整體組裝，可全天候作業。施工現場作業量小，減少了施工臨時用地，與傳統建筑材料相比，對周圍環境污染小，提高了施工的機械化水平。
2.5綜合造價低鋼結構承載力高，可以實現結構的大開間布置，構件截面小，與砼結構和磚混結構相比，自重比較輕，地基的處理比較容易，可以采用天然基礎型式。由于基礎在工程造價中占有比重比較大，上部結構重量輕可以降低基礎的造價，從而減少整個項目的投資。鋼結構施工機械化高的特點，從另一方面減少了人工費用和模板等其它輔助材料費用。
3鋼結構住宅的設計思路
3.1判斷結構是否適合用鋼結構鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經常裝拆的結構。
3.2結構選型與結構布置在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是“概念設計”，它在結構選型與布置階段尤其重要.對一些難以作出精確理性分析或規范未規定的問題，可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。
3.3預估截面結構布置結束后，需對構件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。
鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據梁間側向支撐的間距按l/b限值確定時，可回避鋼梁的整體穩定的復雜計算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規范中局部穩定的構造規定預估。
柱截面按長細比預估，通常50<λ<150，簡單選擇值在100附近。根據軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。
3.4結構分析目前鋼結構實際設計中，結構分析通常為線彈性分析，條件允許時考慮P-Δ，p-δ。
新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能，這為更精確的分析結構提供了條件。
3.5構件設計構件的設計首先是材料的選擇。通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理。經濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。構件設計中，現行規范使用的是彈塑性的方法來驗算截面，這和結構內力計算的彈性方法并不匹配，當前的結構軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術的進步，一些軟件可以將驗算時不通過的構件，從給定的截面庫里選擇加大一級，并自動重新分析驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。
3.6節點設計連接節點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一。在結構分析前，就應該對節點的形式有充分思考與確定，常常出現的一種情況是，最終設計的節點與結構分析模型中使用的形式不完全一致，這必須避免.按傳力特性不同，節點分剛接，鉸接和半剛接。
3.7圖紙編制鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段，設計圖為設計單位提供，施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據設計圖編制，有時也會由設計單位代為編制。由于近年鋼結構項目增多和設計院鋼結構工程師缺乏的矛盾，有設計能力的鋼結構公司參與設計圖編制的情況也很普遍。
設計圖及施工詳圖的內容表達方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設計單位之間及其與鋼結構公司之間不盡相同。初學者可參考他人的優秀設計并參考相關的工具書，并依據規范規定編制。
本項目型鋼混凝土梁（以下簡稱鋼骨梁）內鋼骨采用焊接H型鋼，鋼材材質為Q345B。根據構造圖集規定，鋼骨梁與鋼骨梁的連接應保證主梁貫通。當主梁與次梁為剛接時，連接節點處，主梁上下翼緣連接板應根據次梁角度做好擴散角以避免應力集中。梁翼緣的連接采用全熔透坡口焊，焊縫質量等級為二級；腹板的連接可根據腹板所承受的剪力進行螺栓等強連接計算，以確定所需高強螺栓的數量。鋼梁的翼緣或腹板處，應按照施工圖要求焊好剪力釘，綁扎鋼筋時次梁的縱向鋼筋應深入主梁內并彎起，彎起高度符合鋼筋的錨固長度。
2不等高梁與柱的剛性連接
不等高梁與柱剛性連接時，如圖2所示，當兩端梁的高差不大于150mm，根據《多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖》規定，截面高度度較小一側的鋼梁，其與柱的連接牛腿應按1:3進行放坡，并在轉折處設置加勁板。當兩端梁的高差大于150mm時，如圖3所示，對應于每個梁翼緣的位置，均應設置水平加勁板。截面高度較小一側的梁還應在牛腿腹板下方設置豎直加勁板。
3梁上起柱
根據結構需要，鋼桁架的部分鋼柱需在主梁上生根，也就是所謂的梁上起柱。這種節點在深化設計之前應先建立三維模型或進行桁架放樣，以便確立鋼柱的準確定位。鋼柱的柱腳應做靴梁，將柱腳應力均勻擴散至鋼梁上翼緣。鋼梁上對應鋼柱靴梁的位置處也應設置加勁板，使力的傳遞均勻擴散。
4三維建模在深化設計階段的應用
本工程由于建筑造型復雜，其結構桿件大多高低起伏，各連接節點均為三個方向連接構件且角度不一。因此，在鋼結構部分深化設計的同時，應根據施工圖首先建立三維模型。模型中，應將各構件及連接節點按照1:1的比例輸入模型。待模型建立完畢后，整個工程的結構桿件便全部呈現于模型當中。三維模型除了能直觀的反映各構件之間的連接關系外，還能校核深化設計的準確性。若節點設計出現問題，能立刻從模型中反映出來，避免了傳統的二維放樣出現錯誤只能在構件現場安裝時才發現的失誤，從而大大提高了深化設計的準確性。
5結束語
【關鍵詞】鋼結構，穩定設計，施工原則
【 abstract 】 steel in the stability problem is steel structure design of the main problems for solving, once appear, the steel structure of the instability accident, not only for the economy caused heavy losses, but also caused the personnel casualties. This paper introduces the design of the steel structure stability basic concept, this paper analyzes the design and construction of steel structure stability principle.
【 key words 】 steel structure, stable design, construction principle
中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號：
現代工程史上不乏因失穩而造成的鋼結構事故，其中影響最大的是1907 年加拿大魁北克一座大橋在施工中破壞， 9000 噸鋼結構全部墜入河中，橋上施工的人員75 人遇難。破壞是由于懸臂的受壓下弦失穩造成的。而美國哈特福特城的體育館網架結構，平面 92m x 110m,突然于 1978年破壞而落地，破壞起因可能是壓桿屈曲。以及1988 年加拿大一停車場的屋蓋結構塌落， 1985 年土耳其某體育場看臺屋蓋塌落，這兩次事故都和沒有設置適當的支撐有關。在我國 1988 年也曾發生 l3.2 xl7.99m網架因腹桿穩定位不足而在施工過程中塌落的事故。從上可以看出，鋼結構中的穩定問題是鋼結構設計中以待解決的主要問題，一旦出現了鋼結構的失穩事故，不但對經濟造成嚴重的損失，而且會造成人員的傷亡，所以我們在鋼結構設計中，一定要把握好這一關。目前，鋼結構中出現過的失穩事故都是由于設計者的經驗不足，對結構及構件的穩定性能不夠清楚，對如何保證結構穩定缺少明確概念，造成一般性結構設計中不應有的薄弱環節。另一方面是由于新型結構的出現，如空間網架，網殼結構等，設計者對其如何設計還沒有完全的了解。
一、鋼結構穩定設計的基本概念
1、強度與穩定的區別
強度問題是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載所引起地最大應力（或內力）是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應力問題。極限強度的取值取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料，可取它的最大強度，對鋼材則常取它的屈服點。
2、鋼結構失穩的分類
（1）第一類穩定問題或者具有平衡分岔的穩定問題（也叫分支點失穩）。完善直桿軸心受壓時的屈曲和完善平板中面受壓時的屈曲都屬于這一類。
（2）第二類穩定問題或無平衡分岔的穩定問題（也叫極值點失穩）。由建筑鋼材做成的偏心受壓構件，在塑性發展到一定程度時喪失穩定的能力，屬于這一類。
（3）躍越失穩是一種不同于以上兩種類型，它既無平衡分岔點，又無極值點，它是在喪失穩定平衡之后跳躍到另一個穩定平衡狀態。區分結構失穩類型的性質十分重要，這樣才有可能正確估量結構的穩定承載力。隨著穩定問題研究的逐步深入，上述分類看起來已經不夠了。設計為軸心受壓的構件，實際上總不免有一點初彎曲，荷載的作用點也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構件的性能，就必須了解缺陷對它的影響，其他構件也都有個缺陷影響問題。另一方面就是深入對構件屈曲后性能的研究。
二、鋼結構穩定設計和施工原則
1、結構穩定設計原則
（1）結構整體布置必須考慮整個體系以及各組成部分的穩定性要求。目前, 結構大多數是按照平面體系來設計的,如桁架、 框架都是如此。保證這些平面結構不出現失穩, 需要從結構整體布置來考慮,即必須設置必要的支撐構件。也就是說,結構構件的平面內和平面外的穩定計算必須和結構布置相一致。
（2）結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖相一致。目前設計單層和多層框架結構時, 經常不進行框架穩定分析而是代之以框架柱穩定計算。在采用這種方法時,計算框架穩定時用到的計算長度系數應通過框架整體穩定分析得出,這樣才能使柱穩定計算等效于框架穩定計算。然而,實際框架多種多樣, 而設計中為了簡化計算工作, 需要設定一些條件。框架各柱的穩定參數及桿件穩定計算的常用方法,往往是依據一定的簡化假設或者典型情況得出的, 設計者必須明確所設計的結構符合這些假設時才能正確應用。
（3）結構的細部構造和構件的穩定計算必須相互配合。結構計算和構造設計相符合一直是結構設計中大家都十分關心的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接, 應分別賦予它足夠的剛度和柔度,對桁架節點應盡量減少桿件偏心,這些都是設計者處理構造細部時經常考慮到的。但是,當涉及穩定性能時, 構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如, 簡支梁就抗彎強度來說, 對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移,同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩定時上述要求就不夠了,支座還必須能夠阻止梁繞縱軸扭轉,同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲,以符合穩定分析所采取的邊界條件。現行《鋼結構設計規范》第 4 .2.5條已明確規定梁的支座處應采取構造措施以防止梁截面的扭轉。
2、鋼結構施工安裝中的穩定問題
鋼結構構件是在特定的狀態下使用的。在相對較為隨機的施工狀態下,其系統或構件的穩定條件會發生較大的變化;所以在安裝時, 要充分考慮它在各種條件下的構件單體穩定和結構整體穩定問題, 以確保施工安全。
構件單體穩定問題是指一個構件在工地堆放、 翻身、 吊裝、 就位過程中發生彎曲、 彎扭破壞和失穩。因而對于較薄而大的構件均應考慮這一問題。必要時要用臨時支撐對構件的弱軸方向進行加固。如單片平面桁架及高寬比相當大的工字梁等。結構整體穩定問題是指結構在吊裝過程中支撐體系尚未形成,結構就要承受某些荷載 (包括自重 )。所以在擬定吊裝順序時必須充分考慮到這一因素, 保證吊裝過程中每一步結構都是穩定的。若有問題可加臨時纜風等措施解決。
3、鋼結構穩定設計仍存在和需要注意的幾個問題
（1）鋼材為彈塑性材料,而目前大多數結構分析還是把結構看成完善的結構體系, 按完全彈性的材料做一階分析,忽略客觀存在的缺陷 (如殘余應力、 初彎曲、 初偏心等, 工字鋼和 H 形鋼殘余應力分布見圖 1), 使穩定計算和現實結構的穩定承載能力存在較大的差距。尤其殘余應力對穩定承載力影響非常復雜,不僅與構件生產工藝有關,還因構件幾何
尺寸不同而異。以梁、 柱構件為例, 殘余應力在常用的彈塑性失穩狀態長度下對穩定承載力有較大影響, 對以彈性狀態工作為主以及較短構件的影響較小。
（2）鋼結構穩定性研究中存在許多隨機因素的影響, 一般情況下,影響鋼結構穩定性隨機因素可分成三類:物理、幾何不確定性;統計不準確性;模型不確定性。目前在網殼結構穩定性研究中,梁——柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁——柱單元是否能真實反映網架結構的受力狀態還有待研究。只有進一步深入研究這些不穩定因素, 鋼結構穩定理論才能進一步完善。
（3）按照極限狀態設計法, 結構設計的基本表達式就是S≤R,各種建筑結構設計規范都應當執行這一規則, 規范中的設計計算公式也應當符合基本表達式的形式。然而,現行的《鋼結構設計規范》( GB 50017- 2003)中的大部分計算公式,尤其是關于穩定方面的計算表達方式是不符合這個規則的。規范中關于軸心受力構件計算公式是: ≤ f ，顯然,這個計算公式與基本表達式的形式是不符的。這樣的表達式,不僅沒有清楚地表明荷載作用應該小于抗力這一基本關系,反而攪亂了人們對穩定問題的正確理解。鋼結構設計規范只要稍微變換一下,就可以解決上述不足。比如將軸心受力構件計算公式改為: N≤ φAf 的形式。此表達式既避免概念模糊,又與按極限狀態設計方法的基本表達式一致。其它穩定計算表達式也可做類似的變動。
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近年來,隨著我國改革開放的不斷深入,經濟建設得到了迅速的發展,伴隨而起的廣告業也日益興旺。因而,在廣告牌結構設計中,對其造型、規模及效益等方面的要求也不斷提高。大型廣告牌屬永久性建筑物,其位置一般處在公共場所、繁華鬧市地帶,并且多數是建在已建建筑群中,因此,在滿足廣告效果的前提下,其結構的平安性尤其重要。另外,其基礎工程的施工一般受鄰近已建建筑物的制約影響比較大。本文根據某火車站站前廣場兩側的廣告牌結構工程設計及實際施工的經驗,對大型鋼結構廣告牌結構設計和施工特征作一些探索。
工程概況該廣告牌位于某火車站站前廣場東西兩側花壇內,花壇寬為3m,其一側為混凝土澆筑的廣場,另一側為素混凝土路面。根據現場鉆探資料,工程場地的土層自上而下分為三層摘要:表層為填土(Qm1),層厚為2.5～2.7m,含碎磚塊、塊石及有機質等,其靜力觸探比貫入阻力PS=0.83～3.65MPa,承載力fk=60～80kPa,壓縮模量ES=3.0～3.5MPa,該層填土土質松軟,結構松散,軟硬不均,強度低,未經處理不宜作建筑物的基礎持力層;第二層為粉質粘土(Qm1+p1),層厚為0.3～2.0m,含少量的氧化鐵,其靜力觸探比貫入阻力PS=0.83～1.85MPa,承載力fk=90～150kPa,壓縮模量ES=4.5～6.8MPa;第三層為粘土(Qm1+p1),位于離地面4m以下,該層未鉆穿,土質呈硬塑狀態,含大量的氧化鐵及鐵錳結核,其靜力觸探比貫入阻力PS=3.48～5.10MPa,承載力fk=250～360kPa,壓縮模量ES=10.5～15.0MPa,該層粘土分布面廣,厚度大,強度高,是良好的基礎持力層。工程場地內的地下水類型主要為埋藏于表層填土中的上層滯水,地下水主要受大氣降水及地表水入滲補給,水位、水量均受氣候變化影響。
網易設計要求該廣告牌由18m高的獨立鋼柱離地面12m后撐起6×18m的矩形鋼結構廣告燈箱。該地區基本風壓為w=0.3kN/m2,地震設防裂度為7度。
廣告牌結構設計
網易結構型式的選擇獨立鋼柱大型鋼結構廣告牌的主體結構,目前常采用的形式有兩種摘要:一種為T型,其主骨架由一根獨立鋼柱和上部一根橫向主梁呈T型焊接而成,該體系主體結構受力明確,計算簡單,由立柱頂上焊接一根橫梁形成固結于地基上的T形剛架結構體系,廣告燈箱面板通過各掛件及斜撐和T形剛架結構相連。另一種為桁架式,其主骨架由一根獨立鋼柱和上部幾道相互平行的橫向主梁焊接而成,主梁之間由水平及斜向支撐連接,形成空間桁架體系,廣告燈箱直接掛靠在主骨架上。
網易經過比選,該廣告牌結構型式采用桁架式。其理由是摘要:第一,廣告牌結構的控制設計荷載是風載,風壓直接功能在面板上,再由面板傳至骨架,此時,在不同高程上的幾道主梁可把風載較均勻地傳至立柱,因而可減小主梁和立柱連接處的應力集中;其次,平行式桁架結構主梁采用槽鋼,使結構外形平整,便于廣告面板掛靠,并可加強面板和主骨架的連接,從而減小了面板的變形,以確保廣告面的感觀效果;第三,平行式桁架結構,可在每道主梁高程設置內檢修梯,這樣給結構的維護、檢修及掛、卸廣告布帶來了極大的方便,且保證了操作人員的人身平安;除此之外,平行式桁架結構,形式簡潔、美觀,受力明確,節點構造簡單,施工方便,從而能保證施工質量。
網易結構布置本工程采用獨立鋼結構圓柱,通過節點板在三個不同高程搭焊三道橫向主梁,主梁之間設置橫隔梁和斜向支撐,形成空間桁架受力體系,主、橫梁間距主要考慮廣告面板骨架網格的布置,并使面板骨架節點和主骨架節點相一致,以加強面板和主骨架的連接。廣告牌面板的自身骨架掛焊在主體結構上,形成整體上部結構。主梁選用槽鋼,其他構件均選用角鋼,型號按構件的強度和變形條件選取。鋼立柱截面的選取,除考慮其強度及穩定性外,還要綜合考慮廣告牌整體尺寸協調及美觀等方面的因素。
結構分析
網易荷載和荷載組合結構承受的主要荷載有摘要:1)自重;2)風荷載;3)溫度荷載;4)檢修活載;5)地震荷載。
網易荷載組合有三類摘要:1)基本組合;2)非凡組合;3)施工吊裝。
網易應力分析由于鋼立柱為壓彎構件,其承載力取決于柱的長細比、支承條件、截面尺寸以及功能于柱上的荷載等,計算表明,鋼立柱的承載力一般由穩定控制。上部結構的主梁可簡化為剛結或鉸結在鋼立柱上的懸臂結構,主梁之間由橫梁及斜撐鉸結形成空間平行組合桁架。內力計算采用有限元程序在計算機上完成。根據鋼結構設計理論,對接焊縫在截面不減小的情況下,其強度可達到母材的強度,因而無需驗算焊縫應力,但應嚴格檢查焊縫質量及飽滿度。上部桁架桿件間的連接主要是角焊縫焊縫承受桿件間的應力傳遞,其受力大小已由上部結構計算得出,對廣告牌之類結構,上部結構桿件受力一般不大,為施焊方便,可用圍焊,并統一取焊腳尺寸為hf=10mm,可滿足規范要求;但對廣告牌面板骨架和主骨架掛點處焊接須逐一核算。
變位控制
網易廣告牌立柱高18m,在水平風載功能下會產生順風向水平位移,上部結構為懸臂桁架,在風載及自重功能下,懸臂端部也會產生相應的變位,假如這些變位過大,將直接影響到廣告牌的使用及感觀效果,重要的是,這些變位還將引起附加內力,增大結構內部的應力,降低結構的平安性,為此,在廣告牌設計中應嚴格限制變位。根據《鋼結構設計規范》(GBJ17%26amp;#0;88)的規定,廣告牌水平向設計變位應控制在10mm以內為宜。
基礎工程設計
網易基礎型式及布置作為該類型廣告牌的基礎型式主要有兩種摘要:一種是平衡重力式,即上部荷載主要由大體積基礎重力來平衡,開挖方量大,混凝土用量也較多,但施工簡單,節省鋼材,適宜在土質松軟且有開闊的施工場地時利用。另一種為樁基式,其中又以擴孔樁為主,該類基礎可在施工場地受限的情況下采用,其優點是基礎施工場面很小,混凝土用量僅為平衡重力式基礎的三分之一左右,但施工難度略有增大。
網易由于本廣告牌建在某火車站站前廣場兩側花壇內,花壇寬僅3m,若放坡開挖基坑,勢必破壞兩側的廣場混凝土地坪和水泥混凝土路面,其修復工程造價可觀,還可能破壞地下埋管,經綜合比較,選用了人工挖孔擴底樁基礎,使基坑開挖只限在花壇內進行。為了減小孔壁支護的困難,基礎上部4m深范圍內(表層填土和第二層粉質粘土)不擴孔,采用直徑為1.5m的圓孔;從4m深以下(第三層粘土)開始擴孔,以增大基底的受荷面積,來滿足地基承載力要求。基底采用方形,尺寸為3×3m,總孔深為6m,基礎底下設置十字正交齒墻,以增強基礎的抗扭和抗剪切能力。樁基礎結構計算在樁基礎結構計算中,采用C法和m法兩種計算方法。結果表明,兩種方法計算結果比較一致,樁身最大彎矩出現在距地面62mm(m法為82mm)處,樁頂最大水平位移為4.86mm(m法為4.78mm)。樁身材料強度和配筋計算,按一般鋼筋混凝土結構的偏心受壓構件進行。基礎設計須考慮軸力、彎矩、扭矩等不同組合的功能,以保證基礎本身的強度、剛度及地基的承載力和抗剪強度均滿足規范要求。
施工工藝
網易基礎工程根據現場地形、地質條件,本基礎采用人工挖孔擴底樁,基礎底面置于第三層粘土中。基坑開挖時,采用孔壁支護和排水辦法,以確保樁孔成形和施工人員的人身平安。基坑開挖完成并經驗槽后,馬上鋪設100mm厚碎石墊層,吊放鋼筋骨架,并及時澆筑基礎混凝土,預埋錨固螺栓,鋪設基礎頂部鋼筋加強網,在澆至設計標高時,其頂面需用20mm厚1摘要:3水泥砂漿找平,然后加蓋螺栓定位及墊座鋼板。待基礎混凝土養護到規定齡期,需對預埋螺栓進行抗拔試驗,以確認螺栓的抗拔承載力是否滿足設計要求。鋼結構工程所有鋼結構構件的連接均采用焊接,上部結構均采用工廠化生產。鋼柱用鋼板在工廠卷焊而成,上部桁架結構可在工廠拼焊;當梁柱主骨架焊接完成,形成整體上部結構時,應做適當的加載試驗,以驗證焊縫的質量和主骨架的強度;廣告牌面板骨架和鍍鋅鐵皮面板拼接好后,可在地面直接掛焊到主骨架上,以便校正面板表面的不平整度,控制上部結構整體外觀效果。吊裝定位廣告牌的立柱和上部結構在工廠制成后,運往現場進行整體對接。在地面形成的整體廣告牌,可用兩臺吊車從頂、底兩個吊位進行整體起吊安裝,在廣告吊裝就位后,用兩臺經緯儀從相互垂直的兩個方向進行糾斜、定位。每個方向的垂直度宜控制在h/2000(h為廣告牌高度)以內,且小于20mm。螺栓定位緊固后,宜在適當時機,澆筑素混凝土密封,以防螺栓外露銹蝕。本文提及的廣告牌建成后,經過數次臺風考驗,其垂直度和變位均滿足規定要求,而其總造價比同類廣告牌節省了20%,現已投入商業使用。
結束語
網易大型鋼結構廣告牌是在改革開放的經濟大潮中產生的新型結構物,具有較強的生命力。大型鋼結構廣告牌的上部結構構件尺寸,主要受變形、穩定和外觀效果控制。對受已建建筑物約束的大型鋼結構廣告牌,挖孔樁基礎是比較平安且經濟的基礎形式之一。
關鍵詞:鋼結構 穩定性 設計
一、鋼結構穩定性設計的原則
1、結構整體布置必須必須兼顧整個體系以及組成部分的穩定性要求
我國目前鋼結構設計大多都是以平面體系設計為主,設計中的結構體系是結構各組成部分構件構成的。因此在大跨度結構穩定性設計中,結構局部穩定性是保證整體穩定性的關鍵前提。在設計中需要注意結構各組成部分構件的整體布置,設計有針對性的支撐構件,來保證平面結構構件的結構布置與平面穩定計算之間的一致性。
2、結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖保持一致
目前設計單層和多層框架結構時,一般以框架柱的穩定計算為準,而不作框架穩定分折。在采用這種方法時,必須通過框架整體穩定分析計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數,才能使柱穩定計算等效于框架穩定計算。但是在實際設計工程中,這種操作方法簡便。GBJl7-88規范對單層或多層框架給出的計算長度系數采用了五條基本假定中包括:“框架中所有柱子是同時喪失穩定的,即各柱同時達到其臨界荷載”。根據這條假定,當設計單層或多層框架結構時,框架各柱的桿件穩定和穩定參數計算的常用方法是依據一定的簡化假設或者典型情況得出的,保持結構參數計算方法與前提假設和具體計算對象一致,設計者需確認所設計的結構符合這些假設時才能正確應用。
3、設計結構的細部構造和構件的穩定計算必須相互配合
設計者處理構造細部時要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接,應分別賦與它足夠的剛度和柔度,對桁架節點應盡量減少桿件偏心。但是,當涉及穩定性能時,構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如,簡支梁就抗彎強度來說,對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移,同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉,同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲,以符合穩定分析所采取的邊界條件。
二、鋼結構穩定性設計的特點
鋼結構穩定性設計的重點在于找出結構內部抵抗力與外荷載間的不穩定平衡狀態。主要從下面幾個特點進行設計:
1、計算臨界荷載:臨界荷載是理想構件平衡路徑分支點所對應的載荷。鋼結構穩定問題中有一類分支點失穩問題,即完善平板中面受壓時的屈曲以及完善直桿軸心受壓時的屈曲。這一問題是由建筑鋼材做成的偏心受壓構件在彈縮性變形時喪失穩定的能力造成的。因此在鋼結構穩定性設計中要求得鋼結構的臨界荷載,避免分支點失穩。根據臨界荷載的定義,通常按以下兩個基本原理求得臨界荷載:①建立構件在微曲狀態下屈曲位移與荷載間的微分方程,求其在滿足邊界條件下的臨界載荷解。②在構件微曲狀態下建立以屈曲位移和載荷的總勢能式:E=U+V(U為變形體應變能;V為外力勢能,它等于外力功的負值),然后根據能量法原原理,由總勢能一次微分為零,即E0=0的條件可求得臨界荷載。
2、失穩和整體剛度:現行規范通用的軸心壓桿的穩定計算法是臨界壓力求解法,臨界壓力是由著名歐拉公式給出的:
,式中E為鋼材料特性,I為截面特性,L 為桿的長度。它表明軸心受壓的桿件,壓力使桿件的彎曲度下降,而當壓力達到臨界值NE時,桿的彎曲度就會消失。
3、對穩定性進行整體分析:必須從整體著眼進行穩定分析,因為桿件的穩定性來自結構的整體穩定性。
4、二階彈性分析:這種分析對柔性構件尤為重要,這是因為柔性構件的大變形量對結構內力產生了不能忽視的影響。可按照以下步驟完成:
(1)根據《規范》得,應在每層柱頂附加考慮由下式計算的假想水平力Hni:
其中,Qi為第i樓層的總重力荷載設計值; ns為框架總層數,當0.2+1/ns>1時,取此根號值為1.0;αy為鋼材強度影響系數,Q235鋼為1.0,Q345鋼為1.1,Q390鋼為1.2。
(2)①對有側移的純框架結構,當采用二階彈性分析時,各桿桿端的彎矩MⅡ可按下式近似計算:其中MⅠb為假定框架無側移時按一階彈性分析求得的各桿端彎矩;MⅠs為各節點側移時按一階彈性分析求得的各桿端彎矩;
為考慮二階效應第i層的側移彎矩增大系數。
②對于有側移的純框架,當采用二階彈性分析方法計算內力,且在每層柱頂附加假想水平力Hni時, P―Δ效應已在內力分析中計入,柱計算長度系數取1.0,因此柱穩定計算的計算長度就可取其幾何長度。
(3) 在解決了以上問題的基礎上,根據壓彎構件穩定性驗算公式進行穩定性設計驗算:
三、鋼結構穩定性設計中的難點
1、目前梁-柱單元理論已成為網殼結構穩定性的研究中的主要研究工具,但是梁-柱單元并不能確保真實反映網殼結構的受力狀態,因此如何反映軸力和彎矩的耦合效應是目前網殼結構穩定性設計中的主要問題。
2、目前結構隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結構參數、隨機荷載輸入這樣一個格局范圍,而在實際工程中,由于如材料(彈性模量,屈服應力,泊松比等)、桿件尺寸、截面積、殘余應力、初始變形等不確定性會引起結構響應的顯著差異。所以應著眼于考慮隨機參數的結構極值失穩、跳躍型失穩、干擾型屈曲等問題的研究。
3、在統計與穩定性有關的幾何量和物理量時,一般只是根據有限樣本來選擇概率密度分布函數,帶有很大程度上的統計信息局限性,造成對穩定性設計的數據依據不夠準確。因此在統計時,要結合實踐經驗和相關規范確定統計信息的準確性。
四、總結
在實際設計中,設計人員應把握鋼結構穩定性設計的原則,明確知道結構構件的穩定性能,完善設計方案,達到穩定性要求。同時針對結構構件的失穩的問題進行研究,不斷完善鋼結構穩定設計理論。
參考文獻:
關鍵詞波形鋼腹板預應力混凝土組合結構結構設計
1引言
隨著體外預應力技術的日趨成熟和新型建筑材料的發展，許多國家的工程師都在對大跨徑橋梁的主梁輕型化問題進行研究。在上世紀八十年代，法國首先設計并建造了以波形鋼腹板代替箱梁的混凝土腹板的新型組合結構橋梁－Cognac橋，其后又相繼建造了Maupre高架橋、Asterix橋和Dole等數座波形鋼腹板的組合結構橋梁，該形式箱梁的典型結構如圖1所示。自上世紀九十年代起，日本也對該類形式的橋梁進行了研究，在參考法國同類橋梁的基礎上，先后修建了新開橋、本谷橋、松木七號橋等一系列橋梁，其中有連續梁橋，也有連續剛構橋，拓寬了其使用范圍，發展了設計和施工技術。
波形鋼板即折疊的鋼板，具有較高的剪切屈曲強度，用它作為混凝土箱梁的腹板，不但充分滿足了腹板的力學性能要求，而且大幅度減輕了主梁自重，縮減了包括基礎在內的下部結構所承受的上部恒載，還省去了施工時在腹板中布置鋼筋、設置模板等繁雜的工作。此外，波形鋼板縱向伸縮自由的特點使得其幾乎不抵抗軸向力，能更有效地對混凝土橋面板施加預應力，提高了預應力效率。這種組合結構能減少工程量、縮短工期、降低成本，在施工性能和經濟性能方面都具有很大的吸引力。
2設計方法
當橋梁上部采用波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁的結構形式時，和普通的鋼筋混凝土箱梁橋一樣，其設計需要針對施工和使用階段的不同要求。施工階段的計算要結合具體的施工形式，比如，連續梁橋可以采用懸臂施工、頂推法施工或其它的方法，主要的計算荷載有自重、預應力、混凝土不同齡期的收縮徐變、施工荷載等。使用階段則要考慮汽車荷載、風荷載、溫度荷載等。箱梁內通常同時設置體內和體外預應力，由混凝土頂板和底板內的體內預應力抵抗施工荷載和恒載，箱內的體外預應力用來抵抗活載。這樣考慮的原因之一，是為了滿足更換體外預應力鋼束時結構的受力要求。
2．1縱向抗彎計算
波形鋼腹板在軸向力的作用下，軸向變形很大，表現出來的等效彈性模量很小。波形鋼板在縱向的等效彈性模量和板厚、波紋形狀有關，可由下式計算
Ex＝αE(t／h)2（1）
式中，Ex為等效軸向彈性模量；E為鋼材的彈性模量；t為鋼板厚度；α為波紋的形狀系數。根據此式，日本新開橋Ex＝E／617。已進行的模型實驗和有限元計算的結果，進一步證實波形鋼腹板在受彎時縱向正應力、正應變很小，可以忽略，即在進行截面抗彎設計時，只考慮混凝土頂板和底板的作用，并近似的認為混凝土頂板和底板內的縱向正應變符合線性分布規律，仍然按照平截面假定計算應力、布置預應力鋼束。
2．2抗扭計算
箱梁在偏心荷載作用下，截面將發生扭轉變形。在混凝土腹板箱梁中，扭轉的影響并不大，但在波形鋼腹板箱梁中，由于腹板的彎曲剛度和混凝土頂板、底板相比小得多，這對截面扭轉變形的影響顯著增大，會在混凝土板內產生較大的扭轉翹曲應力。到目前為止，關于波形鋼腹板箱梁扭轉剛度的計算還沒有明確的結論。通過對建成的該類橋梁的技術總結和研究，日本工程師上平等人提出了一種計算其抗扭剛度的方法(2)式中，Jt為抗扭剛度；Am為箱梁的橫截面面積；b1為箱體的寬度；h1為波形鋼腹板的高度；ns為鋼材和混凝土剪切模量的比值；t為構件的厚度；α為修正系數(3)實際設計當中，鑒于截面扭轉剛度和橫隔板布置有密切關系，在不過于增加主梁自重的前提下，適當增加橫隔板數量并調整間距可以有效的保證箱梁抗扭剛度。
2．3波形鋼腹板的應力計算
波形鋼腹板主要承受剪應力。在設計中可以偏保守地假定結構所有的剪應力都由波形鋼腹板承受，忽略混凝土頂板和底板對剪應力的抵抗作用，從而計算出波形鋼腹板所需的最小厚度。
波形鋼腹板不僅承受上述剪應力，同時也承受橫向彎曲所引起的彎曲應力，因此必須對波形鋼腹板的合成應力進行驗算，公式為(4)式中，σb為拉應力；σa為抗拉強度；τb為剪應力；τa抗剪強度；γ為安全系數，建議取值為1．2。
2．4波形鋼腹板的屈曲穩定性計算
波形鋼腹板的屈曲破壞主要有三種模式(如圖2所示)。
（1）局部屈曲模式
波形鋼腹板的某一個波段部分出現屈曲破壞的現象。局部屈曲強度的計算可按下式
(5)
式中，τcr?熏L為局部屈曲強度；E為鋼材的彈性模量；ν為鋼材的泊松比；b為腹板的高度；a為波段長；K為屈曲系數，有
(6)
（2）整體屈曲模式
波形鋼腹板整體出現屈曲破壞的現象。整體屈曲強度的計算可按照下式
(7)
式中，τcr?熏G為整體屈曲強度；β為波形鋼腹板兩端的固定度系數；E為鋼材的彈性模量；Iy為y軸的慣性矩；Ix為x軸的慣性矩，t為鋼板的厚度；b為腹板的高度。
（3）合成屈曲模式
波形鋼腹板同時出現局部屈曲破壞和整體屈曲破壞的現象，是處于局部屈曲和整體屈曲中間的屈曲模式。合成屈曲強度由下式計算
(8)式中，τcr為合成屈曲強度；τcr?熏L為局部屈曲強度；τcr?熏G為整體屈曲強度。
2．5波形鋼腹板和混凝土頂板、底板的連接
模型實驗表明，在加載后期，除了底板橫向開裂外，波形鋼腹板與底板交界處沿縱向開裂，隨著裂縫的發展，結構剛度迅速降低，最終導致破壞，破壞特征為腹板和底板的連接部碎裂（如圖3所示）。波形鋼腹板和混凝土頂板、底板的連接直接關系到結構的承載力，是設計此類橋梁中非常關鍵的環節。
對于連接部的設計，通常的做法是在波形鋼腹板的上下端焊接鋼制翼緣板，翼緣板上焊接剪力釘，使之與混凝土板結合在一起（圖4－a）。還可以采用在鋼腹板上鉆孔，穿過鋼筋，再在鋼板的上下端部焊接縱向約束鋼筋后埋入混凝土板的做法（圖4－b）。在此基礎上，還可衍生出其它的連接方法。
3工程實例
自1993年起，日本從法國引進了波形鋼腹板組合結構的技術，目前，日本大力鼓勵設計人員在主要高速公路中采用這種結構形式。
正在建設中的中野高架橋是日本關西地區阪神高速公路段的一部分，為采用波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁的四跨連續梁橋。全橋的立面布置見圖5。主梁為單箱單室的變高度箱梁，同時設置了體外和體內預應力體系。支點梁高4．0～4．6m，跨中梁高2．0～2．2m，梁高按照二次拋物線變化。波形鋼腹板采用抗拉強度490MPa、抗剪強度205MPa的耐腐蝕鋼板，波長1．2m，波高200mm，鋼板厚度9～19mm。為了提高主梁的橫向抗變形能力，除在支點和體外預應力的轉向處設置橫隔板，還在縱向的不同位置加設了橫隔板。主梁截面和波形鋼腹板的一般構造見圖6。
該橋的上部結構采用懸臂澆筑法施工，墩頂的0號節段長12m，在墩架上現澆。其余節段分別長3．6m和4．8m，均在掛籃上懸臂澆筑混凝土及拼裝鋼腹板。
4結語
鋼－混凝土組合結構橋梁的設計和建造在國內起步比較晚，尤其是本文介紹的波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋在國內尚無實橋。與此同時，法國、德國，尤其是日本相繼建設了數座此種類型的橋梁，設計和施工技術日益成熟。波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁，特別適合于中、大跨徑的連續梁橋。隨著國內對這種結構的研究分析工作的開展，波形鋼腹板預應力混凝土組合箱梁橋將會在我國的橋梁建設中得到應用。
參考文獻
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