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网架（壳）及钢结构设计释义与误区的探讨（一）

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （中国航空工业规划设计院 丁芸孙）

    一、网架（壳）高次超静是否比平面结构可靠度高
    一般概念网（壳）架高次超静定要比平面结构更可靠，从美国哈特福特109×92m网架倒塌后，有的认为网架会连锁破坏，多次超静定优点发挥不出、国内也有试验做出来，一根杆件坏了另外一根跟着坏，问题是试验本身不符合实际，根据Mero规程，第一根杆坏了，第二根杆再坏时安全度K=1即行了，是体系可靠度，而试验的安全度完全靠加荷载，第一根坏了，第二根荷载无法降低，安全度不降当然跟着坏，所以网（壳）架的高次超静定安全度仍然比平面结构大，当然也不能忽略优化满应力的缺点。
    二、荷载
    1、自重分项系数为何分1.2和1.35
    分项系数用1.35是在恒载控制时，如用1.2则安全度会比活载占控制时低，因此1.35是弥补安全度。
    2、活载要不要取不利位置。平板网架不必要，历来都未考虑；一些对活荷载不利布置较敏感的结构(如拱．筒壳等)需要考虑.
    3、附加荷载何时需按集中荷载考虑。超过25kg/m2的附加荷载需考虑有无集中荷载，25kg重的空调机在檩条计算时即需按集中荷载。
    4、我国要不要考虑龙卷风。龙卷风范围小时间短破坏惊人，我国龙卷风少只好不考虑。
    5、我国风载是否比国外小很多我国目前按10分钟，美国按30-40秒两者差1.5，但美国允许风载时应力提高1.33，这样1.55/1.33=1.1, 美国风载比我国只大1.1倍。
    6、横风向效应在什么情况下考虑。风力一般只考虑顺风力，我国的风压、阵风、风振都仅考虑顺风力，而由于风的涡旋脱落引起弯与扭的耦合振动，如驰振、颤振等，有动力失稳时才考虑横向风，桥梁较多考虑，超高层钢结构房屋也要考虑。
    7、低矮房屋的风载体型系数适用于高度小于18m，且檐口高度小于房屋最小平面尺寸的房屋，此时即可按门架规程的体型系数。而有的做法以 1/h ≤ 4为分界，找不到依据，不需遵守。
    8、门架规程的风体型系数与荷载规范相比对门架有何影响。二本规范的差别，门架规范向上风大，而荷载规范水平风大，结果是门架规程偏于安全。
    9、门架规程风载为何要乘1.05国外一般低矮房屋在海岸线时应乘以1.1，而我国都乘以1.05。
    10、部分开敞与开敞建筑如何判定。部分开敞即一面墙开口超过其余墙面和屋面开口面积的总和，并大于该墙面面积的50%，在开口大时其内部风力也应加大为+0.6 ～ -0.3，开敞建筑开口超过墙面面积的5%.
    11、端部门架如何算风力。当端部风载加大区域小于柱距时，端部门架也应按风力加大考虑。
    12、门架坡度>10%能否用门架规程风体型系数。门架规程的风体型系数是考虑坡度≤10%，如果超过坡度10%，门架体型系数应按MBMA应加大10%。
    13、航空航天的风洞试验能否用于建筑
    过去风洞试验都用航空航天的试验设备、但建筑在地面高度600m以内的边界层风速是改变的与航空航天高空不同，风速变化将引起气流流动及风压值改变，对于有尖角的建筑如平顶房屋即一般厂房，其气流层的分离点与在尖角处，风速变化影响小，而曲面结构其气流风速在变。引起气流分离，其分离高度S是变化的(图1)，因此，曲面应采用风速变化的风洞试验，而平屋顶可以勉强用航天航空风洞试验。

    14、CFD（计算流体力学）能否代替风洞试验
    CFD的测量系统不会对流体产生干扰，可以避免风洞试验缩尺而带来的相似的问题，对于流动参数选择有灵活性，价格也便宜，航空航天方面已使用很成熟，土建刚起步，对于有湍流分离等复杂问题还会有一定问题，但风洞试验也存在更多问题，因此可以代替风洞试验。
    15、筒壳，球壳等风体型系数各国规范出入较大该如何办
    对筒壳目前我国规范与澳、美及前苏联都比较接近，由于风荷的复杂性与风洞试验的不完善，因此出入是正常的，目前的澳、美和前苏联的比较安全，见图2，如果有体型相似的风洞试验，也应多做一些验算。

    对弯顶即球壳，目前我国规范可以用，最好也按英国荷载手册再验算（可参考网壳设计书，尹德钰、刘善维、钱若军、中国建筑工业出版社）。
    挑棚的英国规范最安全见图3：

    由于风的复杂性，各国规范不一致，一般应求取最大值来验算。
    16、围护结构是否要考虑阵风
    阵风是瞬时风，一般加大2倍，瞬时下塑性材料的钢材应力可以提高，因此阵风下钢材是安全的，不需考虑阵风系数，而玻璃是脆性材料就不能提高应力必须考虑阵风。如果钢的围护结构考虑了阵风，就在可能大风时不是吹掀围护结构而会危及主体结构反而不利，当然加强围护结构的连接和螺栓是需要的。
    17、风振系数怎样计算
    风分稳定风与脉动风，体型系数是假定结构是刚性的，因此就考虑稳定风，实际上结构并非刚性的，风是非定常的，在有一定柔性的结构上会引起风力改变，风力又将引起结构变形和振幅的加大，造成某些共振，也即是风振。大跨度屋盖现要求考虑风振，但并无统一算法，设计很是为难，计算又比较复杂，根据北京市设计院分析，24×21～60×88m网架风振系数为1.2；同济大学对200m长挑看台,其跨中悬臂部分风振系数也仅1.9。因为挑蓬的柔度要比大跨屋盖大得多,因此目前大跨屋盖暂时考虑最大点风振系数1.5,并按挠度曲线求出对应的风振系数，可以作为验算参数。
    18、筒壳敞开二端时风荷如何取
    目前规范没有这样的数据，但可以想象风从筒壳内经过时必然将屋盖向下吸。现根据罗尧治教授做的鸭河口108m筒壳风洞试验，是考虑了二端开口时，风与平行于筒壳线150风向下压的数据可作参考（见图4），由于煤不可能堆满，因此有煤堆与无堆没有差别。

    19、屋面上雪载与地面雪载哪个大
    屋面由於风会吹去一部分雪，厚度比地面小但由于雪融化后吸收在积雪的海绵体内使密度加大，国外一般取屋面雪载为0.7倍地面雪载；美国采暖房屋为1.0，非采暖则乘以1.2；我国采用雪载分布系数反映屋面雪载，对采暖和非采暖房屋则未加区别。
    20、筒壳等网壳雪堆如何考虑
    雪载资料目前比风载少，而且也无法做类似的风洞试验，尢其不均匀的雪载影响难以判断。目前筒壳的雪载取值，我国与前苏联比较接近，可以采用，也反映了雪堆。球壳我国没有规范，目前只有英国瑟雷大学的（可见网壳设计书），所以对于雪载大的地区雪堆应引起注意。最近北京航站楼是一个扁平的壳，同济大学利用两相流理论，模拟风载对雪漂作用，雪堆达到1.2-1.5。
    三、稳定
    1、稳定为何复杂
    稳定是“混沌”问题，比随机、模糊都要复杂，欧拉公式至今已236年，但在稳定理论方面进展不大。随机问题可用概率法来解决，事先不知；事后可知；模糊问题属于有些说不清的问题，属于经验的问题如专家系统等，可以用模糊数学解决，但混沌问题理论较深，缺乏数理资料，当前还无法解决。混沌的特点是非线性、解的多样性、初始值敏感，因此振动、地震均是混沌。
    2、第二类失稳是否是强度问题
    从现象看似乎是强度问题，但应是稳定问题。强度与稳定的区分：强度是截面承载力；而稳定是整体杆件承载力问题，伴随大变形，过去规范用δ= N/φA是混淆概念，将稳定表达为强度，现已改进。
    3、二阶效应与非线性分析有什么区别
    二者本质一样，都是由变形后的轴线来求得平衡条件，但二者在概念上有区别。非线性分析有几何非线性与物理非线性之分，二阶仅对一阶而言，只有几何非线性。对于柔性结构根本就没有一阶二阶之分，就是非线性。
    4、计算长度与非线性关系
    计算长度是在一阶基础上考虑变形引起的附加弯矩，是近似的非线性分析，如悬臂柱计算长度Lo=2L，也就是悬臂柱所产生的附加弯矩与一个跨度2L的筒支柱的附加弯矩等效。以筒支柱的附加弯矩作为标准，计算长度是近似的，如一个悬臂柱设计取Lo=2L,但在图5情况下,左柱上下各有1个铰，要倾倒，必须由右柱加以支持，精确计算右柱L0=2.69h，一个框架再加一个摇摆柱，要保证其不失稳必然靠框架支撑。因此按一般规范所给的框架计算长度即不对。应该取

    其合力延长线与曲线交点才是计算长度。这些情况无法一一反映，因此计算长度是近似的。
    5、网壳稳定是混沌问题，为何稳定问题能解决
    沈土钊院士、陈昕教授最大的贡献是经过2800次试算，采用“一致缺陷摸态法”即结构缺陷分布正好与结构最低阶的模态一致，得到在一般正常缺陷下稳定承载数值不小于下临界点，这样就使计算工作简化。当然网壳稳定的解决并不是从理论上解决，而是从工程处理上解决了难题，因为数值分析时人为假定失稳的荷载位移曲线，以控制变形来解决稳定。

    6、用几何非线性如何考虑物理非线性影响
    单层网壳是多次超静定，千百个自由度解决稳定问题已属非常困难，如果再考虑物理非线性是不可能的，因此考虑物理非线性及缺陷敏感总的安全度取4.2。对于其他结构，稳定分析的公式如何考虑，看法不一，我们分折网壳安全度取K=4.2是包括外部荷 载及抗力不确定性，也即一般结构的安全度1.64，而由于复杂的稳定性不也包括缺陷敏感及工作条件为1.2，而强塑性影响取1/10.47=2.12.
    1.64×1.2×2.12=4.2,因此其他结构计算中已考虑了强塑性，缺陷不如网壳敏感，如采用正则长细比按柱子曲线考虑稳定，已考虑了强塑性，有的结构完全按强性非线性分折，而断面计算按规范已考虑了强塑性，像以上结构只要在原有安全度和附加安全度1.2左右即可，当然如果有类似的于网壳又对缺陷非常敏感的结构，应按网壳采用安全度。
    7、钢管立体框架平面稳定如何考虑
    根据罗尧治教授研究与跨度L有关（图8）

    8、棱形柱、格构式柱、园弧实腹拱的平面内稳定如何计算。
    根据郭彦林教授研究，这些结构稳定分析仍沿着实腹柱设计思路，将受压直线等价归纳到计算长度，但结构特性λ用正则化长细比，然后代入柱子稳定公式（详见清华大学郭彦林教授文章，棱形柱的稳定性能研究和应用，第十一届空间结构论文，“采实腹圆弧拱平面内稳定极限承载力设计”，清华大学论文钢结构技术总鉴（建筑篇），日本钢结构协会，中国建筑出版社）。
    9、交叉拱的稳定如何考虑
    根据罗尧治教授分析：交叉拱的屈曲荷载比单拱高出4倍。
    10、人行道的受压弦杆平面外不稳定如何办
    人行桥有的希望上面弦杆外全无支撑，因此是难以解决的问题(图9)。现国外资料利用腹杆的刚度及受拉弦杆的扭转刚度作为上弦压杆的支撑，具体算法可见（JA，Packer J.E Headerson J.J CAO，“空心管结构连接设计指南”，科学出版社）

    1、网（壳）架支座假定与排架有何不同
    排架柱子都是悬臂柱承受水平力后整个排架靠悬臂柱承受，悬臂柱承受很大弯距，而网架柱则设定网架是一块板，将水平力传至二侧的柱间支撑承受(图10)，因此网架原则上不承受弯距，只要考虑P-Δ效应。二者有本质区别：设计网架一定要摒弃排架概念。
    2、网（壳）架是否一定要整体计算，即网（壳）架与柱子一起算
    整体计算应该是最理想的计算，但由于有些程序没有梁元，计算有困难；另外，对于独立柱来说，把柱子当一个弹簧与整体计算，其差别在10%左右，工程是可以接受的，对于下部结构是框架或更复杂的结构，必须整体计算。
    3、平行墙面的支座能否假定都不动
    平行墙面的支座设定不动，这样水平力如何分配到各支座算不清，只好与柱子整体计算，而一般30-40m的网壳，受力不大，算不清就算了，可以当不动支座。跨度大、力大，最好是在二侧柱间支撑取2个支座不动，其他支座均假定可动，这一方面对释放温度力有利，更主要的是不动支座处力很明确，就是W/4（图11），为果柱间支撑是二跨这样算又不准了，因为力会集中在前面柱间支撑不符合实际情况（图12）。当水平力很大时，一般就将柱间支撑斜杆直接焊到下弦球上，这样避免了支座受弯。这时如果其他支座沿墙是不动的，则要注意从构造上、下部结构柱子间还应加连梁，否则柱头平面内就不稳定了。当支座采用球，二边加斜撑撑到圈梁上也能避免支座受弯，但要进行验算。
    4、所有支座都用可动支座行不行
    不少工程所有支座均做成任意方向可动，建成后也未发现问题，这种情况属于约束不稳定，整个结构是可动的，在水平力不大时不会有问题，但风力大时是不允许的。

    5、支座什么情况下该考虑转动
    根据过去经验，60m钢屋架就在支座处考虑转动，当时的条件只能在构造上放松螺栓允许转动，杆件并要考虑附加弯距。目前一般50m的结构就应考虑支座转动，空间结构应多向转动。
    6、有没有拱没有水平推力的
    现有的结构介绍，通过予应力安装的拱就没有水平推力，事实上看起来没有水平推力，从而引起力学基本概念的混乱，为什么看起来没有水平推力，因为实际上水平推力由地面摩擦力承受，因为荷载很轻，拱矢高很高，有些拱结构在拱架下弦加了予应力P，这种结构与在拱架处外加予应力P的结构是不同的，不能讲会没有水平推力；只有外荷及自重的弯距M （本文为问题探讨，难以列出参考文献，可参考作者其他文章）
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