巖土工程師輔導(dǎo)：影響鋼構(gòu)用鋼量的主要因素(5)

　　4 柱距

　　不少研究都表明，剛架折成每平方米的重量隨著柱距的增加而減少。減少的趨勢會隨著柱距的增加而趨于平緩。這是因為，一方面柱距增加，每榀剛架的受荷面積隨之增加，剛架梁、柱的截面尺寸，從而單榀剛架的重量亦會隨之增大。另一方面，由于柱距增加，跨度不變，則剛架折成每平方米的重量隨著面積增大而減小。當(dāng)柱距不大時，例如從6M增至8M，單榀剛架荷載增加不很大，單榀剛架的重量增加亦不很大，因此折成每平方米的重量減少較為明顯，當(dāng)柱距進(jìn)一步增加(例如超過9M)，單榀剛架的重量隨著荷載的進(jìn)一步增大而增幅較大，折算到每平方米的重量的減少就不是很明顯了，減少趨勢趨于平緩。下面的一組數(shù)據(jù)說明了這一現(xiàn)象。

　　以一30M跨，7M檐高的單層單跨廠房為例。結(jié)構(gòu)的荷載為：屋面恒載0.2kN/M2，附加吊載0.2kN/M2，屋面活載為0.3kN/M2，基本風(fēng)壓為0.5kN/M2，雪壓為0.3kN/M2。

　　柱距(M) 6M 7M 8M 9M

　　剛架用鋼(kg/m2) 17.7 15.7 14.2 13.2

　　結(jié)構(gòu)用鋼(kg/m2) 25.0 23.3 22.1 21.6

　　剛架用鋼僅指門式剛架用鋼，結(jié)構(gòu)用鋼中包括檁條以外的所有其它結(jié)構(gòu)用鋼，例如支撐、系桿、隅撐、山墻柱、門框和女兒墻等。轉(zhuǎn)自環(huán)球網(wǎng)校edu24ol.com

　　上述用鋼比較可以看出用鋼差值隨柱距增加而減少的趨勢，但仍然不能說明最終的問題，因為沒有將檁條的用鋼考慮在內(nèi)。柱距就是檁條的跨度，檁條的用鋼是絕對隨跨度增加而增加的，仍以上述廠房為例，采用由一家澳大利亞公司所制Q235檁條設(shè)計表格為依據(jù)，所選檁條如下：

　　屋面檁條(Z型連續(xù))

　　柱距(M) 6M 7M 8M 9M

　　檁條規(guī)格(mm) Z150-20 Z200-16 Z200-20 Z250-20

　　檁距(mm) @1700 @1500 @1500 @1500

　　檁條每米重量(kg/m) 4.72 4.75 6.00 6.59

　　折成每平方米重量(kg/m2) 2.78 3.17 4.00 4.39

　　墻面檁條(C型簡支)

　　柱距(M) 6M 7M 8M 9M

　　檁條規(guī)格(mm) C200-16 C200-20 C250-20 C250-25

　　檁距(mm) @1750 @1750 @1750 @1400

　　檁條每米重量(kg/m) 4.75 6.00 6.59 6.59

　　折成每平方米重量(kg/m2) 1.58 2.00 2.20 2.64

　　結(jié)構(gòu)用鋼加上檁條用鋼得到總用鋼：

　　柱距(M) 6M 7M 8M 9M轉(zhuǎn)自環(huán) 球 網(wǎng) 校edu24ol.com

　　總用鋼 29.4 28.5 28.3 28.6

　　以上例子說明了結(jié)構(gòu)用鋼隨柱距變化的趨勢。一些其它公司的研究也得出了類似的結(jié)論，例如天津萬力特的研究指出從綜合經(jīng)濟分析的角度看，當(dāng)柱高6M，跨度范圍為18～36M時，最優(yōu)剛架間距(柱距)為6～7.5M。上海ABC公司的研究文章指出，對于無吊車輕鋼結(jié)構(gòu)體系的柱距取為7.5～8m之間是合理的，有吊車的輕鋼結(jié)構(gòu)的理想柱距為7.5m左右。這時結(jié)構(gòu)用鋼量相對較低，可以得到較好的經(jīng)濟效益。各家對理想柱距的定義范圍略有不同，這是因為研究時使用的荷載情況、檐高、跨度、計算軟件以及依據(jù)的規(guī)范的不同。從這些研究中可以得出一個大致的結(jié)論，在通常使用的跨度范圍內(nèi)，7.5m左右的柱距可能得到較好的經(jīng)濟效果，超過9m以后，結(jié)構(gòu)用鋼會明顯增加。

　　§5 檐高

　　當(dāng)荷載跨度、柱距等因素相同時，檐高(柱長度)愈高，用鋼愈大。這不僅僅是由于柱加長了一節(jié)。柱高增加，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度降低，柱頂在水平荷載下的側(cè)移增大，要控制柱頂位移值，必須增加柱截面尺寸。柱長度愈大，柱愈容易受壓失穩(wěn)，其臨界壓力是與柱長度的平方成反比的。從前面的鉸接柱臨界力公式(1-2)中可以看出，當(dāng)L不能改變時，要提高柱的臨界力，只有增大I，即截面慣性矩(與截面尺寸和截面形狀有關(guān))。對于受壓構(gòu)件,多采用對稱截面如H截面管形截面，箱形截面等，增大臨界力必須要加大截面尺寸，或者減少柱在兩個垂直方向上的約束長度，例如增加系桿或隅撐等，這些都會導(dǎo)致用鋼量的增加。

　　下面仍以廠房結(jié)構(gòu)為例，描述一下結(jié)構(gòu)用鋼隨檐高(柱長度)增加的現(xiàn)象。廠房承受的荷載為：屋面恒載0.2kN/M2，附加吊載0.2kN/M2，屋面活載為0.3kN/M2，基本風(fēng)壓為0.5kN/M2，雪壓為0.3kN/M2。結(jié)構(gòu)用鋼 隨檐高變化如下：

　　檐高 18M跨度8M柱距 36M跨度8M柱距

　　(M) 結(jié)構(gòu)用鋼(kg/m2) 結(jié)構(gòu)用鋼(kg/m2)

　　5 16.8 21.1

　　6 18.0 22.4

　　7 19.4 23.8

　　8 20.7 25.5

　　一般地說，建筑物的檐高或?qū)痈呤怯山ㄖ熁蚬に噹熕?。但在方案確定之后，提供一些結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的概念給顧客或建筑師是會受到歡迎的。

　　§6 鋼材強度

　　這里鋼材強度是指鋼的屈服強度，因為鋼材的設(shè)計強度是根據(jù)其屈服強度而確定的。國內(nèi)建筑常用鋼材為Q235和Q345，即鋼材的屈服強度fy=235N/mm2和fy=345N/mm2。以軸心受拉的公式來說明一下材料強度對用鋼的影響，一個拉桿的強度可表示為：

　　NL=Afy (2-6)

　　式中，NL-桿件所能承受的拉力，

　　A-桿件截面積，

　　fy-鋼材的屈服強度

　　當(dāng)NL為荷載引起的拉力時，桿件所需的截面面積可以由式(2-6)得到。

　　A=NL/fy (2-7)

　　如果NL一定，則Q235與Q345鋼所需面積的比例為：

　　AQ235/Aq345= NL/235/NL/345=345/235=1.47

　　即Q235鋼所需的桿件截面面積為Q345鋼的1.47倍。面積乘以桿件長度即為用鋼量，當(dāng)長度確定時，則Q235的用鋼為Q345用鋼的1.47倍。

　　值得指出的是，當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的用鋼是由其強度控制時，Q345的用鋼要比Q235節(jié)約，可用上述的數(shù)值概念來衡量。但當(dāng)構(gòu)件的尺寸是由變形(剛度)和穩(wěn)定控制時，鋼材強度的影響就不十分顯著，如前面所述，構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定與fy無關(guān)。但是構(gòu)件由強度控制轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定或剛度控制常常不是一個明確的界限而是一個范圍，同時構(gòu)件在滿足穩(wěn)定和剛度要求時，也需對其強度或組合強度(例如，彎、剪、壓共同作用)進(jìn)行檢查或校核。因此材料強度對構(gòu)件的影響是存在的，只是不如軸心受拉構(gòu)件那樣簡單明了而已。在如今Q345與Q235價格相差不多的情況下，使用強度高一些的鋼對節(jié)余鋼材會有明顯的效果。

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