本人自参加工作以来设计了多栋钢结构建筑,其中包括门式刚架、钢框架、钢结构加层、钢结构加电梯、大型广告牌等。随着设计经验的积累,对规范认识的逐步加深,从中总结了一些对钢结构设计的认识,提出来供大家参考及讨论。
1门式刚架
⑴门式刚架应首先确定是否有吊车,如厂房工艺要求需要布置吊车,则应注意以下几点:①柱脚应设计成刚性柱脚; ②柱应设计成等截面柱; ③柱间支撑应由吊车纵向水平荷载控制设计,而不是简单的构造设计,当有不小于5 t的桥吊时,宜采用型钢支撑。如门式刚架无吊车,则按楔形柱等常规设计,不再赘述。
⑵柱间支撑的布置
柱间支撑与屋面支撑应布置在同一柱间,使刚架纵向形成稳定体系,便于刚架安装且增加纵向刚度。支撑应布置在第一柱间或第二柱间,当布置在第二柱间时第一柱间相应布置刚性系杆,且刚性系杆与抗风柱沿纵向位置一致,使风荷载直接传递。在刚架转折处(单跨房屋边柱柱顶及屋脊以及多跨房屋某些中间柱柱顶和屋脊)应沿房屋全长设置刚性系杆。当门架的跨度较大时,在布置支撑的柱间,应适当增加刚性系杆的数量,使支撑的夹角在45°左右。当受建筑功能限制无法布置柱间支撑时,应布置纵向刚架。本人就曾经做过一个在端部柱间做刚接钢梁,从而取消柱间支撑的工程,使建筑布置更加灵活,应用效果良好。
⑶屋面、墙面构造
屋面及墙面构造措施是增大刚架刚度,防止刚架平面外失稳的关键措施。檩条、墙梁一般由冷弯薄壁构件制成,当柱距小于6 m 时,设一道拉条,大于6 m时,设两道拉条。在这里应特别提到斜拉条,在校图过程中,常常可以看到许多钢结构厂家或设计者设斜拉条而不设撑杆的情况。原因是结构概念不是很清楚,因为通过结构力学知识,在斜拉条间设置撑杆,方可形成稳定体系。在屋面、墙面设计中还应注意隅撑布置,隅撑不是可有可无,它是为防止受压翼缘屈曲而设置。研究表明门式刚架的破坏首先是由于受压最大翼缘屈曲引起的。斜梁下翼缘与刚架柱内翼缘连接处是出现屈曲的关键部位,该处设隅撑十分重要。另外,《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002 (以下简称CECS102:2002)中规定:在斜梁下翼缘受压区亦设置隅撑,其间距不得大于相应受压翼缘宽度的16(235/fy)0.5倍。按一般的门式刚架,檩距1500 mm左右时,隔一个檩条设一道隅撑可满足上述条件。
⑷抗剪键
《CECS102: 2002》中规定:柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力,水平剪力可由底板与混泥土基础间的摩擦力(摩擦系数可取0. 4)或设抗剪缝承受。这就是我们计算门架时,往往出现警告提示:“柱脚需要设抗剪! ”
分析上述原因,主要是门架结构一般自重较轻,柱脚底板与基础混凝土间的摩擦力较小,不足以抵抗水平的风荷载与地震作用,所以应设置抗剪键。抗剪键一般用角钢或工字钢制成,其截面与焊缝的抗剪承载力应进行计算,柱脚底板与基础表面间的空隙进行二次注浆。具体做法可参考《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》01SG519图集中第30页大样1、2的做法。
⑸柱脚锚栓的安装定位
这是设计人员往往忽视的问题,而在实际工程中锚栓定位不准确造成刚架或框架安装困难的工程案例比比皆是,本人也遇到过这种情况,后来不得不加固处理。分析原因,主要是锚栓之间无连接,整体刚度差,在浇筑混凝土的过程中锚栓难免移位。针对上述原因,采取浇筑混凝土前预埋柱脚锚栓固定支架处理,具体做法见图1。固定支架与锚栓形成一个小的格构柱,这样锚栓的定位就方便准确了。⑹抗风柱与刚架的连接目前门式刚架的抗风柱设计存在两种错误的做法:一种是将抗风柱与刚架做成一样,抗风柱与刚架梁或铰接或刚接,抗风柱既参与抗风又参与竖向荷载作用及横向水平作用。而设计人员往往又不做这样刚架的纵向抗风验算。这样做是漏算荷载的,是工程设计的一大忌。本人认为一个受力明确的排架结构不应让它的受力复杂化。这种做法是欠妥的;另一种做法是抗风柱与刚架在一条轴线上,但不考虑抗风柱受竖向荷载作用,抗风柱与刚架梁之间用一块钢板通过焊缝相连。这种做法仍然将一部分竖向荷载传给了抗风柱,而且钢板的侧向刚度很小,在竖向荷载的作用下发生屈曲后就很难保证有效地传递风荷载了。以上两种做法都存在弊端。在这里推荐以下做法:
采用厂房做法定轴网,第一榀刚架轴线与抗风柱错开500～600 mm,抗风柱翼缘通过连接板与刚架梁腹板加劲肋相连,且连接板及加劲肋上开竖向长圆孔,连接螺栓采用普通螺栓,做法见图2。图2 抗风柱与刚架连接大样
2 钢框架的设计
⑴钢框架体系的选择
常用钢结构框架可分为纯框架体系和框架—支撑体系两大类 。体系的选择与建筑物的高度、使用功能密切相关。这就要求结构工程师应与建筑师密切配合,当由于建筑功能限制无法设置支撑时,则应采用纯框架体系。纯框架体系由于无抗侧移支撑,纵横两个方向要满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2001 (以下简称《抗规》)第5.5节弹性层间位移角小于等于1 /300的要求,梁与柱在纵横两个方向均应刚接;又因《抗规》第8. 3. 4 条规定:“柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时,宜采用箱型截面”,所以采用纯框架体系时,柱往往设计成箱型柱,但箱型柱内部防锈及使用过程中的维护相当困难,这是钢结构设计中的一大难题。本人也试图在设计中采用柱内浇筑混凝土的方法,但由于箱型柱在节点区设置加劲隔板,浇筑混凝土很困难;另一方面,钢管混凝土在国内仍处于研究阶段,常用设计软件无法计算,计算理论在各学报中不尽相同。基于以上原因,在设计纯钢结构框架时,大部分仍采用不灌混凝土的箱型截面柱。本人在试算过程中采用工字柱强、弱轴均刚性连接的算法,依据是《抗规》第8.3.4 条采用的文字是“宜”,参考内地大设计院图纸亦有采用上述设计方法的,但计算结果并不理想,弱轴方向的弹性层间位移角仍然无法满足《抗规》第8. 3. 4的要求。由于箱型柱在构造上的一些困难,故建议在设计多层钢结构房屋时尽量采用工字型柱,设计成框架—支撑体系。结构工程师与建筑师尽量协调,通过在需要布置支撑位置布置楼、电梯间等不开大洞口墙体来实现支撑的隐形。实际工程计算结果表明,支撑对框架的位移控制效果非常好,加之采用工字形柱使得材料节省、防锈,使用中维护方便,弱轴方向的连接简单易行,实在是一个有效的方法。
⑵节点设计
钢结构节点设计是钢结构设计的关键。铰接节点简单,力学关系明确,在这里不做过多赘述,重点讨论一下刚接节点的设计。梁柱刚性连接设计中,《抗规》8. 3. 4条推荐使用规范中图8. 3. 4 - 1的节点形式,在工程实际中采用的也大部分是这类节点。这种节点有两种计算依据:精确设计法和常用设计法。二者的区别是前者考虑腹板抗弯和抗剪,后者考虑腹板仅抗剪。精确设计法在实际设计中,腹板抗弯很难满足要求,必须较大程度地加厚腹板。加厚腹板的做法很不经济,所以工程中大多采用常用设计法,这种计算模型力学关系明确,计算简单,但是在设计中一定要注意采取抗震加强措施,如采用使塑性铰外移的梁端增强式连接或在离梁端不远处削弱梁上下翼缘的犬骨式连接。这是因为,在不做任何加强梁端翼缘的情况下,只考虑腹板连接螺栓承担剪力,弯矩由翼缘焊缝承担,那么翼缘焊缝的抗弯能力只有梁抗弯能力的80 %左右(即梁翼缘截面模量只有梁全截面模量的80 %左右) ,再按《钢结构设计规范》第3. 2. 2条,考虑现场施工条件焊缝强度设计值乘以折减系数0. 9,则其连接的抗弯承载力只有梁抗弯承载力的70%～75%。这种节点比等强连接还要低30% ～25% ,违背了“强节点,弱杆件”“大震不倒”的抗震基本原则。基于以上原因,应采用《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》01SG519图集第19、20页所示的抗震加强措施。
另外
我国在《抗规》及《钢规》中均未规定钢框架的抗震等级,只是分12层以下和12层以上两个标准。笔者认为这相对于我国地域辽阔、各地设防烈度差异大的特点是不合适的。新旧《钢规》中对多、高层钢结构房屋均未规定伸缩缝的设置范围,仅对单层工业厂房做了一些规定。以上两点都是概念性的大问题,《钢规》不强调这两点是不合适的。
