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目前网（壳）架及钢结构中值得探讨的问题

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:32:03 [收藏]

    丁芸孙 中国航空设计研究院



    2、网架规程认为计算公式是试验回归的结果，而网壳规程认为Φ500以上的球是理论分析的结果，是理论分析，还是试验回归，或半理论半试验公式是否应明确定性，如果是试验回归，Φ500以上球试验很少就不能将公式延伸至Φ900，如果是理论分析如何说明冲剪破坏的机理，为什么同样直径的球在钢管周长的单位长度冲剪强度当直径Φ89与Φ500差到3倍，是不是复杂应力破坏，如何说明冲剪强度与钢管壁厚没有关系，而在数量极少的试验资料中Φ650的压肋球试验结果4000KN而按网壳规程验算应可达4534KN，成熟的理论计算公式不应该在仅有个别试验情况下都包络不住。
    3、即使我们认为是成熟的理论公式是否也应对超大直径球进行了一定数量破坏试验，以确保公式的科学性与可靠性。
    因此我们认为目前设计中采用超大直径球时应慎重对待。
    二、钢结构的围护结构是否要乘以阵风系数
    风分为平均风即稳定风和脉动风，由于瞬时风压可能比平均风压高出甚多，因而要乘以风压脉动的阵风系数，阵风系数各种规范不同，如我们将10分钟平均风速折算到瞬时风速即要乘以1.5系数，折算为风压阵风系数为（1.5）2＝2.25,目前我国规范阵风系数为2左右.
    钢结构在瞬时荷载下应力可提高，如地震规范规定在瞬时地震下根据结构的塑性程度钢结构可考虑承载力抗震调正系数梁柱可用0.75，其含义即考虑塑性材料在瞬时荷载下应力的提高。对于玻璃幕墙围护结构由于玻璃是脆性材料在瞬时下应力不允许提高，因此考虑阵风系数是理所当然，但目前许多设计均将钢结构的围护结构乘以阵风系数，即使设计未乘,审查单位也会要求加上，钢结构围护结构是否要乘阵风系数，乘了后有何后果很值得探讨，如果塑性的钢结构围护结构考虑阵风系数，那么脆性的玻璃幕墙阵风系数要不要再加大，现在大台风下均是围护结构掀起破坏，大部分是连接不强，很少主体结构倒塌，如果钢结构的围护结构加强了2倍多，会不会大台风下围护结构挺住了而主体结构倒塌。
    三、规范规定基本自振周期下大于0.25S 的工程结构如房屋屋盖及各种高耸结构均应考虑顺风向风振影响。风力一般有顺风力、横向力及扭力矩，对称结构虽然旋涡有不对称存在但横向风及风扭力矩影响很小可忽略，顺风效应将是主要作用，现在风振即是顺风向。脉动风属于随机动力特性，对于刚度较小风力下变形较大的结构在脉搏动风情况下会引起某种程度的共振，引起风振，一般高耸建筑即会风振，对于刚性建筑则不会引起风振，绝对刚性的建筑是不存在的，只能是风振影响小可不考虑。
    过去的经验是高宽比小于1.5的结构即不考虑风振，现规范以T?0.25S为判断，不少屋盖结构都要考虑风振。规范风振公式都仅适用于高耸建筑，风振计算又较复杂，也无统一算法，一般设计单位都难以计算，而审查单位又往往根据规范一定要设计提供风振计算，使设计单位非常为难，因此目前迫切希望规范能提供一些具体规定跨度超过多少，高宽比大于1.5的才要计算，另外也可以总结目前计算结果提出算法，如一般屋盖计算的最大风振系数约为1.4，风振系数分布对四边支承结构为锅底形，三面支承结构为菠箕形，固定柱支承附近风是振不起来的。
    四、目前我们的计算均是“满应力优化设计”，因此有的相邻杆截面大小相差较大，现有规定认为这不利于塑性重分布，因此要求相邻截面之差限制在1-2级规格，这样给设计带来了“为难”如按此要求所有的设计程序计算后均需进行人工调正，设计工作量大为增加难以实行，是否有此必要也值得探讨。我们分析内力塑性重分布是有一定规律的，基本根据载面大小来分布，如在一条力线上如果断了一根杆，力就难以分配到前后杆，只能分配给左右杆，一般与力线平行的左右杆其截面不可能相差很大，这样断杆的力分到左右杆。根据Mero规程，当一根杆已断内力重分布时已属于体系可靠性，其安全度达到K=1.0即可，而断的杆件通过横向杆传到左右杆，虽然横向断面与主杆可能相差较大，但短距离传到左右杆还是能保证的，因此不需要因塑性重分布将相邻杆均加大到只差1-2级。
    前一阶段由于美国哈特福特109.7×91.4m网架倒塌，虽然查明倒塌原因是支撑布置不当，腹杆失稳，支撑偏心，但国内外仍有人提到网架会“渐进破坏”“多米诺效应”即一根杆失稳会引起连锁反应逐步失稳倒塌，国内还有试验验证了一根杆破坏连续引起其它杆破坏而倒塌，但我们认为这是由于试验受条件限制，即安全度均用加大荷载来表达，实际上安全度是包括材料的匀质，计算的准确性及其它因素，从失效概念来分析，即一根杆断后，第二杆断的安全度可降低，因为极端不利条件使第一根杆断裂，而第二根杆就不可能那么巧又碰上同样极端不利条件，根据mero规程第二根断裂时安全度可降低1.8倍，那么第二根杆坏时试验荷载应降低1.8倍才对，而现在试验并不是这样做的，而是继续在试验荷载不变下，当然第二根杆就连续断裂而连锁破坏，这不符合真实情况，上述观点也可由国外用正确方法做试验的结果来证实，如英国cheddet国家塔试验站20.4×18M网架足尺试验，加荷载到206%下弦杆屈服及断裂，但立即卸荷后再加荷到137%才有其它杆件破坏。实践也证明几千个“优化满应力”设计的工程并没有因这个原因而倒塌。
    当然也有观点认为二根杆断面相差大可能会造成与节点假定铰接出入增大，其实这个假定不符合实际是客观存在，即使二根杆断面一样也存在，这是次应力问题，主要取决于杆件长度L与杆件截面高h之比，桥涵规范早规定即L/h不考虑次应力，钢结构一般也按此原则。
    五、门式刚架规程CESS.102：2002经过修改采用了欧洲规范ENV1993-1-31996计算风向上吸力下檩条下翼缘失稳，该公式是考虑蒙皮效应对檩条受扭的约束，蒙皮效应是客观存在的，据国外资料介绍蒙皮作用可提高网架上弦承载力10%，下弦腹杆6%，对门式刚架会有更大的提高，但门式刚架规程提出“由于有关屋面板抗剪性能和板与构件螺拴连接性能资料尚不充分，目前不宜考虑应力蒙皮作用”，但在檩条的失稳中，例外的考虑蒙皮效应，所以有工程误用于屋盖上以屋面板代替支撑因而加固。
    综上所述考虑蒙皮是有利的，但门式刚架规程考虑蒙皮效应的计算檩条结果反而比没有考虑蒙皮效应的冷弯薄壁型型钢设计规程GB50018-2002反而保守显然不合理。

    门式刚架K高于冷弯薄壁是不合理的，而且计算公式的复杂性也超过冷弯薄壁，因此建议不用，我们建议采用澳大利亚规范AS/N25 4600：1996考虑了蒙皮效应结果也非常合理，计算公式计算不繁杂，但可惜澳洲规范不普遍，目前现实的可采用BHP来实公司檩条设计手册，手册承载力以W01 表达其中0即表示风向上吸力时，1表示加一根撑杆，二根撑杆即W02 ，根据跨度及断面即可查出檩条单位长度的承载力
    q，来实手册考虑了蒙皮效应，并立足于大批试验，与澳大利亚规范计算结果计算接近，但采用中要注意设计手册中设计荷载要打0.9折采用才安全，这是由于澳大利亚规范与我国规范有出入，我国钢材设计强度比标准强度低，抗力系数打了0.9折，而澳大利亚是设计强度即是标准强度，所以算出的设计荷载偏高，但澳大利亚的荷载分项系数却比我们的高，静载为1.4，活载1.6我国只为1.2，1.4。
    六、网壳规程中规定网壳挠度控制在 并且是黑体字，我国规范大部分是强制性条文多达15万条。只好又取“黑体字”一般条文违反只要不造成后果就不惩罚，而黑体字只要违反即给惩罚，因此设计必须遵守，有工程较扁平的双层网壳挠度总也控制不住 ,只好请专家开会制定网壳按网架控制，单层网壳按 是正确的，因为单层网壳稳定中假定初始缺陷为 ,变形对稳定非常敏感，变形大稳定公式即控制不住，双层网壳变形并不敏感，希望适当放宽。
    七、网壳规程规定单层网壳一定要刚性节点并且也是黑体字，从国外情况单层螺栓球网壳用到36M的很多，但矢高均≈1/5 Dusseblofs大学36m单层网壳，个别也有50m的。国内单层螺栓球网壳也用得不少接近30m，现有些标志性建筑跨度不大20m左右，矢高比＞1/5是否出可适当放宽用螺栓球。
    八、过去焊缝等级规范未作规定，全由设计决定。有的设计一律要求Ⅰ级焊缝反而抓不住重点，现钢结构规范作了规定，这是方便设计的好事，但规范规定受拉拼接对接焊可以采用Ⅱ级焊缝值得探讨，过去我们对受拉对接焊均采用Ⅰ级，因为受拉焊缝对缺陷的敏感超过受压而对接焊均限制加厚、加厚会引起热应力，受拉对接焊一般靠清根、熔合，焊透及焊缝强度比母材大5-10%来保证等强，有的为了美观要求焊缝打平保证等强更为困难，因此设计对受拉对接焊缝不放心，有的还用外加强板加强，而现规定为Ⅱ级，设计会更不放心，因为Ⅰ级，焊缝100%超声波探伤而Ⅱ级仅为20%怎能放心，据了解可能规范由Ⅰ级改为Ⅱ级也是不得已，因为工地反映Ⅰ级达不到。我们在现场也经常遇到达不到Ⅰ级标准，国为Ⅰ级焊缝要求超声波Ⅱ级其气孔夹渣达不到要求，但我们不采取降低焊缝等级的办法，而是将超声波Ⅱ级，气孔夹渣标准降为Ⅲ级即解决了问题，我们考虑超声波探伤标准原采用于高压容器，为了防止高压气孔要求十分严格，现焊缝超标准后铲掉重焊，其危害性超过气孔，气孔危害对静载并不大，如单独气孔反而对微裂纹的扩展起阻挡作用有利而无害，因此我们不宜将Ⅰ级降为Ⅱ级，目前“网架超声波探伤及质量分级法”，正在修订，希望能将气孔加以放宽，当然超声波判断气孔与夹渣尚有困难，但一般还可尽量区分，其实夹渣的危害也不是很严重，我们曾将夹渣达12-29%试验，均坏在母材，而相对未焊透20%可降低强度50%以上，所以我们建议受拉对接焊缝要求Ⅰ级，但对气孔夹渣适当放宽。
    九、目前钢结构规范要求焊接的承重结构钢材必须有冷弯试验，并为黑体字，但钢管生产厂所依循的国标GB/T8162-1999“结构用无缝钢管”和GB/T13793-92“直缝焊接钢管”，均不要求冷弯，仅为压扁试验，设计的国标与钢管生产的国标二者要求矛盾，我们现在只好理解，钢结构规范所提比较笼统，钢管有具体情况，焊接钢管的钢板已经冷弯，无缝钢管材料及加工质量均比较好，压扁可代替冷弯，但这个理解至今未得到规范组解释。
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