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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)與應(yīng)用，需設(shè)
    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(biāo)準(zhǔn)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(jì)與應(yīng)用，需設(shè)計(jì)人員先進(jìn)行一些深入了解，以求設(shè)計(jì)方案更合理完善，本文著重對(duì)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。    \
     
     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(jì)，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2-2（a）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(shí)，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2中X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P在A桿受壓失穩(wěn)而卸載的同時(shí)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(jì)，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(shí)，A桿受拉，B 桿受壓，縱向水平力P在B桿受壓失穩(wěn)而卸載的同時(shí)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(jì)時(shí)，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=σmax-σmin=σmax-PCr(臨界力PCr=π2EA/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(qiáng)，一受水平力P馬上退出工作。因PCr與λ成反比，故在支撐桿件按受拉桿件設(shè)計(jì)時(shí)，所選取構(gòu)件的構(gòu)件長細(xì)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(shí)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(shí)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(shí)，必然會(huì)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(duì)于吊車梁下柱的柱間支撐，采用圓鋼支撐其長細(xì)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(xì)比遠(yuǎn)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(yùn)行時(shí)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(shí)A’桿受壓，而B’桿應(yīng)受拉。由于實(shí)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(shí)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(gè)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(jìn)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\(yùn)行時(shí)，縱向水平力P反向施加于圖3所示的結(jié)構(gòu)上時(shí)，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(shí)，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(huì)變成S形。在實(shí)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(duì)于支撐按受壓桿件設(shè)計(jì)時(shí)，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(dá)到受拉時(shí)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,則∆L*E/L2=206x103x(∆L/L)≤215，(∆L/L)≤1/1000。當(dāng)B’達(dá)到σmax(桿件受拉為正)時(shí)候，若反向施加P于圖2-3(b)結(jié)構(gòu)時(shí)，則B’桿件中的應(yīng)力馬上由σmax變σmin (桿件受壓為負(fù))，應(yīng)力變化差∆σ=σmax-σmin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(shí)際工程中若柱間X型支撐，采用長細(xì)比較小的軋制型鋼構(gòu)件時(shí)，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(duì)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(jì)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(kuò)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*215得ψ≥0.521則對(duì)于λ宜取在小于100為好。
    （2）對(duì)于支撐按受拉桿件設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)，實(shí)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(jì)過程中，按受拉桿件的設(shè)計(jì)時(shí)，柱間支撐的長細(xì)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(jì)時(shí)，考慮到加工，安裝的誤差存在初始變形，長細(xì)比λ宜取在小于100為好。
    （2）按受拉桿設(shè)計(jì)時(shí)的X型柱間支撐往往比按受壓桿設(shè)計(jì)要求節(jié)省鋼材，建議X型柱間支撐受拉桿設(shè)計(jì)。
    （3）按受壓桿設(shè)計(jì)時(shí)，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(xiàn)
    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(jì)算及設(shè)計(jì)問題探討。建筑結(jié)構(gòu)，2003,33（7）；13-15
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