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X型柱間支撐失穩(wěn)因素的探討及處理方法

作者:建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間:2011-12-30 10:22:37 [收藏]
1、   概  述 隨著鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的逐漸成熟,廠房、辦公樓等鋼結(jié)構(gòu)建筑物與構(gòu)筑物等主結(jié)構(gòu)部分越來越趨于體系化、標準化、規(guī)范化,但是次結(jié)構(gòu)部分紛繁復(fù)雜,類型的多樣,像柱間支撐的設(shè)計與應(yīng)用,需設(shè)
    1、    
    隨著鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的逐漸成熟,廠房、辦公樓等鋼結(jié)構(gòu)建筑物與構(gòu)筑物等主結(jié)構(gòu)部分越來越趨于體系化、標準化、規(guī)范化,但是次結(jié)構(gòu)部分紛繁復(fù)雜,類型的多樣,像柱間支撐的設(shè)計與應(yīng)用,需設(shè)計人員先進行一些深入了解,以求設(shè)計方案更合理完善,本文著重對常用的X型柱間支撐的一些問題提出來跟大家探討一下。
     
    2、   柱間支撐的問題
         在單層鋼結(jié)構(gòu)廠房中,X型柱間支撐雙向受力性能相同且連接簡單,因此在單層鋼結(jié)構(gòu)廠房中較為常見。目前較為常見的X型柱間支撐的設(shè)置有圖2-1中的單層,與多層形式。
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     2.1理想狀態(tài)下的柱間支撐的受力分析
          若柱間支撐按受拉桿設(shè)計,在理想狀態(tài)下,柱間支撐的受力體系由僅受拉的斜桿、縱向剛性系桿或吊車梁以及柱組成,形成受力體系。如圖2-2a)所示。
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    在理想狀態(tài)下,柱間支撐的加工、安裝不存在任何缺陷,當(dāng)結(jié)構(gòu)施加向右的縱向水平力P時,使得結(jié)構(gòu)圖2產(chǎn)生向右的位移∆1。由于縱向剛性系桿或吊車梁以及柱的剛度較大,忽略其軸向變形,圖2X型柱間支撐A桿受壓,而B桿受拉。在理想狀態(tài)下,根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件,縱向水平力PA桿受壓失穩(wěn)而卸載的同時B桿的受拉內(nèi)力逐漸增加,將桿件A,B按受拉桿件設(shè)計,最終A桿失穩(wěn)退出工作,B桿承擔(dān)全部的縱向水平力P。支撐體系為幾何不變體系,結(jié)構(gòu)是安全的。若縱向水平力P反向施加于圖2-2所示的結(jié)構(gòu)上時,A桿受拉,B 桿受壓,縱向水平力PB桿受壓失穩(wěn)而卸載的同時A桿的受拉內(nèi)力逐漸增加,故該支撐體系仍為幾何不變體系,結(jié)構(gòu)仍是安全的。綜上所述,當(dāng)柱間支撐桿件在理想狀態(tài)下按受拉桿件設(shè)計時,結(jié)構(gòu)在往復(fù)水平力的作用下,A,B桿的受力狀態(tài)連續(xù)不斷交替變化。其應(yīng)力變化差為∆σ=σmaxminmax-PCr(臨界力PCr2EA/λ2) [1],因此要使得應(yīng)力變化差∆σ變小接近于∆σ=σmax-0=σmax,就必須使得受壓桿件不要太強,一受水平力P馬上退出工作。因PCrλ成反比,故在支撐桿件按受拉桿件設(shè)計時,所選取構(gòu)件的構(gòu)件長細比,在不超過規(guī)范容許值的情況下,盡量選的大一些。
    2.2工程實際中柱間支撐的受力分
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    上述柱間支撐的受力是在理想狀態(tài)下的情況,但是在實際工程中,由于加工安裝誤差等原因,當(dāng)支撐體系的桿件沒有采取張拉設(shè)備或初始安裝在自重作用下?lián)锨鷷r,必然會有初始變形,使得在開間及高度相同的情況下,圖2-3(a)中的桿件A’,B’的長度分別大于圖2-2(a)中的桿件A,B的長度,即,L2>L1。另外,對于吊車梁下柱的柱間支撐,采用圓鋼支撐其長細比較大,使得圓鋼支撐的柔度較大,其受壓能力較小,可忽略其承壓的作用。但是若采用軋制型鋼構(gòu)件,其長細比遠比圓鋼支撐要小,不能忽略其承壓的影響。
    例如吊車沿廠房縱向運行時產(chǎn)生縱向水平力,可模擬為縱向水平力P向右施加于圖2-3所示的結(jié)構(gòu)上,此時A’桿受壓,而B’桿應(yīng)受拉。由于實際工程中加工,安裝誤差的存在,使得受拉桿件B’在受壓桿件A’受壓的同時并未立即承擔(dān)受壓桿A’卸載后應(yīng)當(dāng)承受的拉力,而是產(chǎn)生一個傳力的滯后現(xiàn)象(由桿件初始變形產(chǎn)生∆=L2-L1),從而受壓桿件A’的變形進一步加大,橫向變形也不斷的增大,桿件的軸線變成了S形;同樣,當(dāng)?shù)踯嚪聪蜻\行時,縱向水平力P反向施加于圖3所示的結(jié)構(gòu)上時,在A’桿的橫向變形恢復(fù)之前,桿件不能承擔(dān)拉力,一直到橫向變形完全消失與初始變形完全消耗,桿件A’承受的拉力才能不斷的增大。在此過程中,當(dāng)B’桿受壓卸載時,A’桿的變形還沒有消失,不能承受拉力,從而使得B’桿的橫向變形加大,B’桿的軸線也會變成S形。在實際的工程中,由于加工、安裝誤差的處在,支撐桿件發(fā)生傳力的滯后現(xiàn)象[2],在往復(fù)水平力作用下,使得同一根支撐桿件的應(yīng)力差變大,桿件更易發(fā)生疲勞,結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接部位的承載能力大大降低,桿件的軸線變成了S型,甚至在支撐的連接部位出現(xiàn)裂紋。
    1、   解決問題的相關(guān)建議
    (1)對于支撐按受壓桿件設(shè)計時,假設(shè)初始加工、安裝誤差產(chǎn)生的初始變形為∆L。胡克定律∆L=F*L/(EA),則圖2-3中由于初始變形導(dǎo)致的傳力的滯后現(xiàn)象的存在,必須使得壓桿A’具有在B’桿達到受拉時而不被壓屈服的承載能力:P/A=∆L*E/L2 ≤N/(ψ*A)≤fy。若采用Q235鋼材則f=215N/mm2,∆L*E/L2=206x103x(∆L/L)≤215,(∆L/L)≤1/1000。當(dāng)B’達到σmax(桿件受拉為正)時候,若反向施加P于圖2-3(b)結(jié)構(gòu)時,則B’桿件中的應(yīng)力馬上由σmaxσmin (桿件受壓為負),應(yīng)力變化差∆σ=σmaxmin很大,如此往復(fù)施加荷載,使得構(gòu)件的承載能力大大降低。故實際工程中若柱間X型支撐,采用長細比較小的軋制型鋼構(gòu)件時,應(yīng)控制其初始加工、安裝誤差,使支撐桿件不出現(xiàn)橫向變形。對使X型支撐桿件采取一定的措施,使得誤差控制在誤差允許的范圍之內(nèi),從而使其在往復(fù)水平力作用下不出現(xiàn)傳力滯后現(xiàn)象[2],并使得受拉設(shè)計的柱間支撐能充分發(fā)揮支撐體系的作用,滿足廠房縱向結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和承載力要求,保證結(jié)構(gòu)的空間性能。因構(gòu)件加工、安裝誤差等初始變形存在,且P/A=∆L*E/L2 ≤N/(ψ*A),所以建議將上式變形擴大2.0倍,并將上式變?yōu)?/span>2.0*P/A=1.2*∆L*E/L2=2.0*1/1000*206*103≥1/ψ*215ψ≥0.521則對于λ宜取在小于100為好。
    (2)對于支撐按受拉桿件設(shè)計時,同樣由于初始加工、安裝誤差產(chǎn)生初始變形,且在往復(fù)荷載作用下,使得支撐構(gòu)件的橫向變形加大,導(dǎo)致破壞,故此支撐按受拉桿件設(shè)計,實際工程中亦必須處于張緊狀態(tài)。
    4、總結(jié)
    1)在X型柱間支撐設(shè)計過程中,按受拉桿件的設(shè)計時,柱間支撐的長細比在不超過規(guī)范的容許值的情況下,盡量選的大一些;按受壓桿件設(shè)計時,考慮到加工,安裝的誤差存在初始變形,長細比λ宜取在小于100為好。
    2)按受拉桿設(shè)計時的X型柱間支撐往往比按受壓桿設(shè)計要求節(jié)省鋼材,建議X型柱間支撐受拉桿設(shè)計。
    3)按受壓桿設(shè)計時,在保證加工、安裝質(zhì)量的前提下,應(yīng)避免出現(xiàn)初始變形,盡量采取措施使柱間支撐桿件張緊,使柱間支撐構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下不出現(xiàn)傳力滯后現(xiàn)象[2]。
    參考文獻
    1         孫訓(xùn)方,方孝淑,關(guān)來泰。材料力學(xué)。北京:高等教育出版社。2002
    2        陳友泉,魏潮文。輕鋼結(jié)構(gòu)支撐體系內(nèi)力計算及設(shè)計問題探討。建筑結(jié)構(gòu),2003,337);13-15

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