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鋼結構拱形屋頂
鋼結構拱形屋頂
一、鋼結構適用範圍及選型
1.鋼結構適用的範圍 
 
    鋼結構通常用於高層、大跨度、體型複雜、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。直觀的說:超高層建築、體育館、歌劇院、大橋、電視彩鋼拱形屋頂15米跨度塔、工業廠房和臨時建築等。這是和鋼結構自身的特點相一致的。   
 2.鋼結構的選型  
    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範未規定的問題,可依據從整體結構體係與分體係之間的力學關係、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製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於手算、概念清晰、定性正確,並可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時,它也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。  
鋼結構通常有框架、平麵 (木行)架、網架 (殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實用的設計方法,比如網殼的穩定等。
結構選型時,應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業廠房中,當有較大懸掛荷載或移動荷載,就可考慮放棄門式剛架而采用網架。基本雪壓大的地區,屋麵曲線應有利於積雪滑落(切線 50 度內需考慮雪載),如采用三心圓網殼。總雪載釋放近一半。降雨量大的地區相似考慮。建築允許時,在框架中布置支撐會比簡單的節點剛接的框架有更好的經濟性。而屋麵覆蓋跨度較大的建築中,可選擇構件受拉為主的懸索或索膜結構體係。高層鋼結構設計中,常采用鋼混凝土組合結構,在地震烈度高或很不規則的高層中,不應單純為了經濟去選擇不利抗震的核心筒加外框的形式。宜選擇周邊巨型 SRC 柱,核心為支撐框架的結構體係。我國半數以上的此類高層為前者。對抗震不利。  
結構的布置要根據體係特征,荷載分布情況及性質等綜合考慮。一般的說要剛度均勻。力學模型清晰。盡可能限製大荷載或移動荷載的影響範圍,使其以最直接的線路傳遞到基礎。柱間抗側支撐的分布應均勻。其形心要盡量靠近側向力 (風震)的作用線。否則應考慮結構的扭轉。結構的抗側應有多道防線。比如有支撐框架結構,柱子至少應能單獨承受 1/4 的總水平力。  
框架結構的樓層平麵次梁的布置,有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截麵沿短向布置次梁,但是這會使主梁截麵加大,減少了樓層淨高,頂層邊柱也有時會吃不消,此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。  
3.鋼結構構件的截麵選取
結構布置結束後,需對構件截麵作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷麵形狀與尺寸的假定。  
 
鋼梁可選擇槽鋼、軋製或焊接 H 型鋼截麵等。根據荷載與支座情況,其截麵高度通常在跨度的 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複雜計算,這種方法很受歡迎。確定了截麵高度和翼緣寬度後,其板件厚度可按規範中局部穩定的構造規定預估。  
柱截麵按長細比預估。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 型鋼截麵等。  
初學者需注意,對應不同的結構,規範中對截麵的構造要求有很大的不同。如鋼結構所特有的組成構件的板件的局部穩定問題。在鋼結構規範和輕鋼規範中的限值有很大的區別。  
 
除此之外,構件截麵形式的選擇沒有固定的要求,結構工程師應該根據構件的受力情況,合理的選擇安全經濟美觀的截麵。  
    二、鋼結構設計簡單步驟和設計思路
1.設計計算的手段 
    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。並不是所有的結構都需要使用軟件:典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內力和變形。簡單結構通過手算進行分析。複雜結構才需要建模運行程序並做詳細的結構分析。  
2.計算結果的判定  
    要正確使用結構軟件,還應對其輸出結果的做"工程判定".比如,評估各向周期、總剪力、變形特征等。根據"工程判定"選擇修改模型重新分析,還是修正計算結果。  
    不同的軟件會有不同的適用條件。初學者應充分明了。此外,工程設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離,為了獲得實用的設計方法,有時會用誤差較大的假定,但對這種誤差,會通過"適用條件、概念及構造"的方式來保證結構的安全。鋼結構設計中,"適用條件、概念及構造"是比定量計算更重要的內容。  
    工程師們不應該過分信任與依賴鋼結構拱形屋頂結構軟件。美國一位學者曾警告說:“誤用計算機造成結構破壞而引起災難隻是一個時間的問題。”  
    注重概念設計和工程判定是避免這種工程災難的方法。  
3.判斷結構是否適合用鋼結構 
    鋼結構通常用於高層建築、大跨度、體型複雜、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。直觀的說:超高層公共建築、大跨度的公共建築、橋梁、電視塔、倉棚、工業廠房和臨時建築等。這是和鋼結構自身的特點相一致的。
4.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"鋼結構拱形屋頂概念設計",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範未規定的問題,可依據從整體結構體係與分體係之間的力學關係、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製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於手算、概念清晰、定性正確,並可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時,它也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。  
鋼結構拱形屋頂
    鋼結構通常有框架、平麵 (木行)架、網架 (殼)、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式。  
    其理論與技術大都成熟。亦有部分難題沒有解決,或沒有簡單實用的設計方法,比如網殼的穩定等。  
    框架結構的樓層平麵次梁的布置,有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截麵沿短向布置次梁,但是這會使主梁截麵加大,減少了樓層淨高,頂層邊柱也有時會吃不消,此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。  
5. 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,就應該對鋼結構拱形屋頂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。初學者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者。  
    連接的不同對結構影響甚大。比如,有的剛接節點雖然承受彎矩沒有問題,但會產生較大轉動,不符合結構分析中的假定。會導致實際工程變形大於計算數據等的不利結果。  
    連接節點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法,初學者可偏安全選用前者。鋼結構設計手冊中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設計者查用,比較方便。也可以使用結構軟件的後處理部分來自動完成。  
    具體設計主要包括以下內容:  
    5.1 焊接:對焊接焊縫的尺寸及形式等,規範有強製規定,應嚴格遵守。焊條的選用應和被連接金屬材質適應。E43 對應 Q235,E50 對應 Q345. Q235 與 Q345 連接時,應該選擇低強度的 E43,而不是 E50.  
    焊接設計中不得任意加大焊縫。焊縫的重心應盡量與被連接構件重心接近。其他詳細內容可查規範關於焊縫構造方麵的規定。  
    5.2 栓接:  
    鉚接形式,在建築工程中,現已很少采用。  
    普通螺栓抗剪性能差,可在次要結構部位使用。  
    高強螺栓,使用日益廣泛。常用 8.8s 和 10.9s 兩個強度等級。根據受力特點分鋼結構拱形屋頂承壓型和摩擦型。兩者計算方法不同。高強螺栓最小規格 M12.常用 M16~M30.超大規格的螺栓性能不穩定,設計中應慎重使用。  
    自攻螺絲用於板材與薄壁型鋼間的次要連接。國外在低層牆板式住宅中,也常用於主結構的連接。  
    5.3 連接板:可簡單取其厚度為梁腹板厚度加 4mm.然後驗算淨截麵抗剪等。  
    5.4 梁腹板:應驗算栓孔處腹板的淨截麵抗剪。承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。  
    5.5 節點設計必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及鋼結構拱形屋頂構件吊裝順序等。構件運到現場無法安裝是初學者長犯的錯誤。此外,還應盡可能使工人能方便的進行現場定位與臨時固定。  
    5.6 節點設計還應考慮製造廠的工藝水平。比如鋼管連接節點的相貫線的切口需要數控機床等設備才能完成。 
6.構件設計  
構件的設計首先是鋼結構拱形屋頂材料的選擇。比較常用的是Q235 (類似 A3)和 Q345 (類似 16Mn)。通常主結構使用單一鋼種以便於工程管理。經濟考慮,也可以選擇不同強度鋼材的組合截麵。當強度起控製作用時,可選擇 Q345;穩定控製時,宜使用 Q235.  
構件設計中,現行規範使用的是彈塑性的方法來驗算截麵。這和結構內力計算的彈性方法並不匹配。  
當前的結構軟件,都提供截麵驗算的後處理功能。由於程序技術的進步,一些軟件可以將驗算時不通過的構件,從給定的截麵庫裏選擇加大一級。並自動重新分析驗算,直至通過,如 sap2000 等。這是常說的截麵優化設計功能之
一。它減少了結構師的很多工作量。但是,初學鋼至少應注意兩點:   
    6.1 軟件在做構件 (主要是柱)的截麵驗算時,計算長度係數的取定有時會不符合規範的規定。目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以,尤其對於節點連接情況複雜或變截麵的構件,結構師應該逐個檢查。  
    6.2 當上麵預估的截麵不滿足時,加大截麵應該分兩種情況區別對待。  
     (1)強度不滿足,通常加大組成截麵的板件厚度,其中,抗彎不滿足加大翼緣厚度,抗剪不滿足加大腹板厚度。  
     (2)變形超限,通常不應加大板件厚度,而應考慮加大截麵的高度,否則,會很不經濟。  
    使用軟件的前述自動加大截麵的優化設計功能,很難考慮上述強度與剛度的區分,實際上,常常並不合適。 
    7.圖紙編製  
    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,主要是原理圖和杆件示意圖。施工詳圖通常由鋼結構專業製造公司,根據設計圖來進行具體的深化設計內容。現在的深化設計程序和先進,可以同時完成所有杆件的加工、製作等內容。有時無梁拱形波紋屋頂也會由設計單位代為編製。由於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製的情況也很普遍。  
    7.1 設計圖:是提供製造廠編製施工詳圖的依據。深度及內容應完整但不冗餘。在設計圖中,對於設計依據、荷載資料 (包括地震作用)、技術數據、材料選用及材質要求、設計要求 (包括製造和安裝、焊縫質量檢驗的等級、塗裝及運輸等)、結構布置、構件截麵選用以及結構的主要節點構造等均應表示清楚,以利於施工詳圖的順利編製,並能正確體現鋼結構拱形屋頂設計的意圖。主要材料應列表表示。  
    7.2 施工詳圖:又稱加工圖或放樣圖等。深度須能滿足車間直接製造加工。不完全相同的另構件單元須單獨繪製表達,並應附有詳盡的材料表。  
設計圖及施工詳圖的內容表達方法及出圖深度的控製,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並參考相關的工具書,並依據規範規定編製。  
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