巖土工程師輔導：影響鋼構用鋼量的主要因素(3)

　　影響廠房結構用鋼的主要因素

　　影響鋼結構用鋼的因素較多，對不同類型的結構，影響用鋼的因素也有區(qū)別和側重。廠房結構較為簡單，影響因素也容易敘述一些。歸納的因素，對于一般的結構來說有一定的普遍性。

　　1結構的支撐體系

　　單層單跨廠房結構(門式剛架)也可以看作是由四個桿件，即兩個柱，一個橫梁和大地組成的矩形結構。沒有吊車的單跨廠房，通常用2～4粒螺栓將柱腳與基礎相連，此時可將柱腳與基礎(大地)的連接視為鉸接。廠房內(nèi)不可能用斜拉桿，因此柱與屋面必須做成剛接，否則便成了可變體系。

　　沿廠房縱向，也要考慮結構的穩(wěn)定。在廠房縱向，各門式剛架之間通常在檐口處用剛性系桿鉸接相連。如果不用柱間支撐，在水平荷載作用下，結構在縱向是可變體系。因此通常做法是在廠房兩頭的第一柱間加上交叉的拉桿支撐，荷載通過剛性系桿傳至支撐再傳至基礎。當廠房較長時，在中間跨或相應的跨處也宜布置柱間支撐以免傳力路線大長而使結構的縱向剛度不足。一般地，使用交叉拉桿支撐的間距又宜大于50m。

　　也許有人會提出沿廠房縱向亦可做成剛節(jié)點?？梢赃@樣做，但一般不這樣做，并不是由于剛節(jié)點施工麻煩，而主要是用鋼問題。這個問題可以從下面兩方面看：轉自環(huán)球網(wǎng)校edu24ol.com

　　如果要將結構在兩個方面(橫向和縱向)做成剛接，H形截面可能不再能使用。如前所述，H形截面在弱軸方向的強度和剛度都太小，比其強軸方向小十幾倍至幾十倍。因此要用到箱形截面或管形截面。

　　由于使用支撐，對柱在縱向強度和剛度沒有特別要求，采用H型鋼截面250×300×8×6，每米用鋼量為44.8kg。若取消支撐，采用箱形截面250×300×8×6，每米用鋼量為58.2kg，與H型鋼截面相比，每米用鋼量增加30%。

　　對于提高結構強度和剛度，控制結構變形，使用支撐系統(tǒng)更有效，以下的簡單例子可以說明問題：

　　一個Q235懸臂柱在柱頂作用力P=10KN(1.0T)

　　從強度考慮，彎矩為：

　　M=10×8=80KN (2-1)

　　所要求的最小截面模量W=KM/[σ]=1.4×80×106/215=521×103mm3

　　式中，K-荷載系數(shù)，

　　M-荷載引起的彎矩

　　σ-材料設計應力

　　用H形截面300×200×8×6 W=531×103mm3

　　截面面積A=200×8×2+284×6=4904mm2

　　截面在受彎方向的慣性矩I=79.7×106mm4

　　用鋼=4904×10-6×8×7850=308kg

　　經(jīng)驗算，上述截面的穩(wěn)定臨界彎矩大于荷載引起的彎矩，因此所選截面滿足穩(wěn)定要求。

　　現(xiàn)在將上述結構改為一根鉸接柱加上纜風拉桿的方案，由上圖可知：

　　拉桿力 NT=10kN/cos60o=20kN

　　所需最小面積A=KN/[σ]=1.4×20×103/215=130.2mm2 (2-2)

　　K-荷載系數(shù)，

　　N-荷載引起的桿件力，

　　σ-材料設計應力

　　Q235直徑16的拉桿面積為201mm2

　　鉸接柱的力，NC=10kn/tg30o=17.32kn

　　試采用圓管截面 102(直徑)×2.5(壁厚)

　　面積=781mm2;回轉半徑I=35.2mm

　　長細比λ=L/r=8000/35.2=227.3

　　式中L-柱高;r-截面回轉半徑

　　受壓穩(wěn)定系數(shù)φ=0.148

　　實際應力σ=KN/A=1.4×17.32×103/781×0.148=210N/mm2 (2-3)

　　式中，K-荷載系數(shù)，轉自環(huán) 球 網(wǎng) 校edu24ol.com

　　N-荷載引起的桿件力，

　　A-桿件截面面積

　　實際應力σ=210<設計應力=215N/mm2

　　滿足要求：

　　實際用鋼=γΣ(A×L)=7850×(781×10-6×8+201×10-6×8/cos30o)

　　= 63.6kg

　　式中，γ-材料凈重，

　　A-桿件截面面積，

　　L-桿件長度

　　Σ-求和號，指對結構中所有桿件的計算求和。

　　鉸接柱加上拉桿支撐的用鋼，僅為懸臂柱用鋼的20.6%。

　　以上假定柱頂力是作用在某一個固定的方向。如果力可以作用在任一個方向，例如風荷載，則懸臂柱要設計成為管形或箱形截面。箱形截面較圓形截面有效一些。采用正方箱形截面如下：

　　截面慣性矩：I=73.6×106mm4

　　截面彎曲橫量：W=545×103mm3

　　(>521×103mm3，強度計算所需截面模量)

　　面積A=6336mm2

　　用鋼=388kg

　　對于鉸接柱要在四個方向拉上纜風拉桿，此時，

　　用鋼=A(781×10-6×8+4×201×10-6×8/cos30o)×7850=107.3kg

　　為懸臂柱用鋼的27%。

　　d.從結構變形(剛度)上考慮問題：

　　(1)對于’c’中的方管懸臂柱在柱頂作用10KN(1噸)水平力時，柱頂位移δ為：

　　δ=PL3/3EI=10×83×1012 /3×2.05×105×73.6×106=113.1mm(≈L/70)(2-4)

　　式中，P-力，

　　L-柱高

　　E-彈性模量來

　　I-截面慣性矩

　　(2)對鉸接柱加纜風的結構，在同樣荷載作用下，柱頂位移δ為：

　　δ=ΣNNL/EA=[20×2×8/201×cos30o+17.32×1.732×8/781]×106/2.05×105=10.5mm (2-5)

　　式中， N-荷載引起的桿件力，

　　N-單位力在位移方向上引起的桿件力，

　　L-桿件長度

　　E-彈性模量

　　A-桿件截面面積

　　Σ-求和號，指對結構中所有桿件的計算求和鉸接柱加纜風的結構的位移值是懸臂柱結構的10分之一。懸臂柱的柱頂位移過大，是柱高的70分之一。若將柱頂位移控制在柱高的100分之一，即80mm，則柱截面還要加大。需要的截面為310×6mm，面積為7296mm2，8m長的重量為458kg。鉸接柱加上四條纜風拉桿的重量僅為其的23.4%。如果將懸臂柱的柱頂位移也控制在10.5mm左右，則方管截面要做到540×8mm。

　　從以上的計算比較可見，使用支撐系統(tǒng)的結構用鋼比不使用支撐系統(tǒng)的結構用鋼要小得多，從而可節(jié)約建筑造價。但其缺點是支撐系統(tǒng)要占據(jù)一定空間位置，這一點，常與建筑美觀和使用方便產(chǎn)生矛盾。

　　一個實際工程例子非常有效地說明了使用支撐系統(tǒng)節(jié)約用鋼的事實。馬來西亞一家設計事務所設計了一幢三層辦公樓，最初設計采用框架結構抵抗水平力(風力和地震力)，平均每平方米的用鋼達到65kg/m2。后改用支撐系統(tǒng)傳遞水平力，平均每平方米的用鋼降到45kg/m2。高層結構的水平力是設計中要予以考慮的主要問題之一，支撐系統(tǒng)也被廣泛地使用在高層結構設計中。下面例舉了國內(nèi)外高層結構的一些例子。圖2-6上圖是美國休斯敦的聯(lián)合銀行大廈的立面和結構體系圖。圖2-6下圖是該大廈支撐體系的大樣圖。圖2-7是中國香港中銀大廈和廣州某大樓的結構體系圖。這些圖說明了支撐體系在高層中的運用。

　　因此，當銷售人員與業(yè)主討論結構布局等問題時，應該說明支撐體系的優(yōu)越性和經(jīng)濟性。有一點應予注意，對于雙跨和多跨廠房結構，邊跨必須布置縱向柱間支撐的要求，已在前面提到，中間跨在原則上亦應布置縱向柱間支撐，只有當兩跨跨度之和較小(例如小于40M)，且無吊車荷載，而邊跨剛度相對較大時，經(jīng)計算后可以略去中間跨的柱間支撐。

　　有時由于使用上的要求，例如門和通道等，十字形斜撐不能使用。國內(nèi)外工程師們創(chuàng)造使用了不同形式的支撐。這些支撐的共同特點是支撐桿件直接與柱腳或基礎相連，以將上部結構承受的水平力直接傳入基礎。

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