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近三十年來各種類型的鋼結(jié)構(gòu)在我國獲得了大范圍的應(yīng)用,其快速發(fā)展促進(jìn)了對它們設(shè)計(jì)方法的研究。由于研究手段的現(xiàn)代化,鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論、抗震設(shè)計(jì)理論和組合結(jié)構(gòu)理論都取得了巨大的進(jìn)展,鋼結(jié)構(gòu)及其配套新技術(shù)也不斷出現(xiàn)。雖然鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范也已經(jīng)進(jìn)入第 4 個版本即 2017 版本,但是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍存在很多亟待改進(jìn)的地方,例如外露式柱腳的錨栓能否參與抗剪以及抗剪承載力如何計(jì)算,外包式柱腳的外包混凝土層是鋼柱的支座還是與鋼柱共同工作形成了鋼管混凝土(SRC)柱,抗震結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)域應(yīng)設(shè)計(jì)成強(qiáng)節(jié)點(diǎn)域還是弱節(jié)點(diǎn)域,等等。浙江大學(xué)童根樹教授在參與鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范的過程中對這些問題進(jìn)行了一些思考,并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相關(guān)深入研究,在重視理論的同時(shí)也偏向工程應(yīng)用,積累了很多很好的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。為進(jìn)一步促進(jìn)和推動我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和技術(shù)的發(fā)展,《鋼結(jié)構(gòu)(中英文)》編輯部特邀童根樹教授將其在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究中的新觀點(diǎn)、新方法和新結(jié)果進(jìn)行系列介紹,以饗讀者,并歡迎大家交流和探討。
摘 要
介紹了獨(dú)立支撐和相對支撐的概念,指出框架梁之間設(shè)置的隅撐是相對支撐,其發(fā)揮作用的前提是另一根構(gòu)件有富余度,即隅撐作用具有不確定性。故建議采用離開柱面 1.5 倍梁高處設(shè)置加勁肋來避免框架梁的畸變屈曲,同時(shí)給出了不設(shè)隅撐的條件。
1 獨(dú)立支撐和相對支撐
先介紹 “獨(dú)立支撐” 和 “相對支撐” 的概念。如圖 1a 所示,相對支撐是支撐桿的兩端都可能發(fā)生位移,圖中兩根相同截面的壓桿承受相同壓力 P ,兩個壓桿同時(shí)屈曲,中間的水平系桿(作為支撐桿)兩端位移相同,支撐桿內(nèi)無應(yīng)變、無內(nèi)力,支撐無法發(fā)揮作用。
a—相對支撐; b—獨(dú)立支撐。
圖 1 獨(dú)立支撐和相對支撐
如圖 1b 所示,獨(dú)立支撐是支撐桿的遠(yuǎn)端連接在剛度很大的部位,例如地面或者剛度很大的構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)上,壓桿屈曲時(shí)支撐桿遠(yuǎn)端無位移,此時(shí)支撐桿受壓力或受拉力,阻止壓桿屈曲,支撐桿發(fā)揮了作用。
2 相對支撐發(fā)揮作用的方式
相對支撐發(fā)揮作用的條件是:支撐桿兩端的壓桿受力不同,即不同時(shí)屈曲。此時(shí)支撐僅起 “傳遞”作用,或 “變形協(xié)調(diào)” 作用,僅僅是把受力較小壓桿的“富余剛度” ,傳遞給受力較大的壓桿,提高受力較大壓桿的臨界荷載。
圖 2 右側(cè)壓桿軸力小于左側(cè)壓桿,設(shè) α = 0.5,支撐桿把右側(cè)壓桿的富余度提供給了左側(cè)壓桿,使得左側(cè)壓桿臨界荷載提高了 33.33%。注意這個提高部分是右側(cè)柱子提供的,不是支撐本身提供的。臨界荷載為:
式中:E、I、L、P 分別為彈性模量、柱截面慣性矩、無桿總長和柱上軸力。
圖 2 相對支撐發(fā)揮作用的方式:變形協(xié)調(diào)作用
3 相互垂直的鋼梁之間的隅撐
再看圖 3 所示設(shè)置在兩個方向的框架梁之間的隅撐。這是 JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》允許的做法,但是這種做法是否有效,應(yīng)進(jìn)行分析。
圖 3 框架梁之間的隅撐 首先可以明確,這種框架梁之間的隅撐是相對支撐,當(dāng)兩根梁同時(shí)發(fā)生畸變屈曲時(shí),隅撐內(nèi)沒有拉壓力,因此不發(fā)生作用,它僅僅是隨動而已。而它發(fā)揮作用的前提是: 1) 垂直方向梁的負(fù)彎矩較小,有潛力; 2) 此時(shí)它僅僅是起“變形協(xié)調(diào)”作用,或 “傳遞”作用,真正起作用的是垂直方向梁的下翼緣的平面外剛度; 3) 如果垂直方向的鋼梁很窄,腹板很薄或受力已經(jīng)很大,則通過隅撐從垂直方向的梁借力就變得不可能。 當(dāng)垂直方向梁有富余度時(shí),如何計(jì)算畸變屈曲的問題? 目前還沒有相關(guān)研究。但從圖 2 可知,圖3 隅撐連接的兩根梁的彎矩、剛度、腹板對各自下翼緣的約束作用都要合并。將兩根梁作為一個整體來研究,理論上并不難,但是得到的結(jié)果應(yīng)用價(jià)值并不大。 歐洲、美國的建筑案例中設(shè)置相關(guān)隅撐,日本的文獻(xiàn)資料中也未見有。所以不建議用設(shè)置隅撐的方法來防止畸變屈曲。
4 彈性地基梁模型 對于工字形截面框架梁,翼緣強(qiáng)時(shí)腹板得到了翼緣的側(cè)向約束,梁腹板變?yōu)樗倪呏С邪?。下翼緣平面外剛度弱時(shí),就可能發(fā)生如圖 4b 所示的畸變屈曲。它實(shí)際上是下翼緣作為一字形截面壓桿發(fā)生側(cè)向彎扭屈曲,但是受到了腹板作為懸臂板的約束。下翼緣作為壓桿支承在腹板這一彈性地基上:特殊之處在于腹板是一塊板,不是簡單的 Winkle 地基;另外腹板有受壓區(qū),腹板自身也有屈曲的可能。 a—框架梁; b—畸變屈曲; c—加勁肋防畸變。 圖 4 框架梁畸變屈曲及加勁肋防畸變 雖然如此,仍可以采用簡化模型: 將下翼緣簡化為側(cè)向彎曲屈曲的壓桿,腹板簡化為一條條豎向懸臂梁,且相互間不影響,采用 Winkle 彈性地基梁公式求臨界荷載,鋼梁純彎負(fù)彎矩時(shí)下翼緣軸力的臨界值為: 畸變屈曲的半波長較長,實(shí)際工程中負(fù)彎矩區(qū)段小,因此總是一個半波,式(3)由求最小值得到,結(jié)果非常保守;在箱形柱和鋼管混凝土柱時(shí)支座可以認(rèn)為是剛接,彎矩沿長度變化,這兩個因素都使臨界荷載大幅度增加,假設(shè)荷載增加到純彎剛接的1.333 倍,則臨界應(yīng)力為: 5 構(gòu)造措施 由于畸變屈曲精確計(jì)算比較麻煩,所以往往采用加勁肋來防止結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變屈曲。只要在離柱面1.5 倍梁高處設(shè)置一道加勁肋(圖 4c)即可,設(shè)置一道薄加勁肋,即可使得畸變屈曲的正則化長細(xì)比小于 0.25。
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