钢结构设计标准中关键术语的解释与说明

   日期:2024-06-23     来源:网络整理    作者:佚名    浏览:530    
核心提示:《钢结构设计标准》(“钢标”)翻到第2页就能看到术语一节。在原“钢规”的基础上,“钢标”增加了不少的新术语。显然新术语和“钢标”的条文内容直接相关,本专题对其中关键的一些术语进行解释和说明。经典的钢结构稳定教科书中都有这个方法。因此,有必要来具体说说整个钢结构体系中,哪儿是塑性耗能区。

翻开《钢结构设计标准》(简称《钢标准》)第2页可以看到术语部分。《钢标准》在原有《钢标准》的基础上,新增了不少术语。显然,新增的术语都与《钢标准》的内容有直接关联。本专题对其中的一些关键术语进行了解释和说明。

1. 标准化长细比或标准化宽厚比

其实这只是名称的修饰和延伸。

原《钢结构规范》中有“规范化腹板细长比”一词,从英文翻译中可以看出钢结构设计,其实它代表的是腹板高厚比,主要用于计算梁的腹板局部稳定性。新术语改为“规范化”,这是稳定性理论中常用的术语。同时,由于影响板的稳定性的不仅仅是腹板,“高厚比”一词被废弃,而用更通用的“宽厚比”代替。

“钢材标准”的定义没有改变。正则化长细比或正则化宽厚比是一个参数,其值等于钢材在弯曲、剪切或压缩时的屈服强度除以相应的腹板弯曲、剪切或局部压缩弹性屈曲应力的商的平方根。这是稳定性理论中正则化参数的标准解释。简单地说,就是钢材强度与稳定应力的比值。这样,稳定性问题中不同强度的影响就被剥离掉了,只剩下稳定性因素本身。正则化长细比/宽厚比的值越大,越容易失稳,理想条件下的临界值为1.0:大于1.0,表示构件或板材在达到屈服强度值之前,就已经发生弹性屈曲;小于1.0,则材料达到屈服强度,不会发生弹性屈曲,非弹性屈曲只能发生在弹塑性阶段。 如果采用上一节中提到的型材板宽厚比等级,则S4截面的极限状态对应的弯曲规范化宽厚比为1.0。

2. 设计的直接分析方法

即直接考虑初始几何缺陷、残余应力、材料非线性、节点连接刚度等对结构稳定性和强度性能有重大影响的因素,对整个结构体系进行二阶非线性分析的设计方法。

这是《钢结构标准》引入的一种与国外标准接轨的新计算方法。从稳定性理论的角度看,原因很简单,如果在计算模型中考虑影响结构稳定性的主要因素,直接进行结构受力分析,就能把握结构的整体稳定性。这种方法在钢结构稳定性的经典教材中都有记载。

众所周知,旧《钢规范》的柱曲线也是将这些缺陷考虑进去,得出稳定系数,进而将结构的整体稳定问题分解为构件级的稳定考虑,俗称计算长度法。当然,原有的计算长度法只适用于某些特定的结构,或者说它有几个适用的前提条件,这也是为什么仍然需要直接分析设计法。

关于《钢结构标准》的直接分析设计法,目前在规范层面存在一个争议,就是关于长细比的极限问题。《钢结构标准》和《防腐规范》出于各种原因,对一些构件的长细比作出了规定,计算得到的长细比是按照计算长度系数,按照传统的计算长度法得到的。《钢结构标准》虽然目前提供了直接计算分析法,但是对于计算长度极限的规定仍然存在,此时如何考虑计算长度极限就成了一个问题。我个人的看法是,长细比本身其实是一个结构要求,只是在稳定性计算不成熟的情况下的一个补充,如果采用直接分析设计法,那么干脆放开那些长细比结构要求,最多只是对几何长细比(构件自然长度的长细比)作出一些极限规定,就可以很宽了。

另外,设计单位目前在操作层面还存在一个问题,就是如何实现在计算程序中直接分析(好像现在很多结构工程师=计算软件操作员+CAD描图人员,不能一键搞定的就没戏了)。不过这个好像只是暂时的问题,不是大问题。我觉得万能的PK之类的很快就能解决这个问题。真的准确吗?呵呵,你问我?我怎么知道?!

3. 支撑架

无支撑框架、支撑结构、框支结构、强支撑框架、支撑体系,这是几个需要一起讨论的相关术语。

此前颁布的包括《抗震规范》等在内的规范,更为严重的是,模糊了工程技术人员对所谓“框架”概念的理解——“框架”可以是纯框架,也可以是支撑框架,甚至是框架-支撑。这种模糊性导致了《抗震规范》条文在实际应用中的模糊性。例如,纯框架与支撑结构或框架-支撑结构的抗震结构要求就有很大不同,因为它们的耗能方式完全不同。这在第五项“塑性耗能区”中有专门讨论。

我先说一下它们各自的定义:

无支撑框架——利用节点和构件的抗弯刚度来抵抗荷载的结构。其实就是纯框架,受力特点是依靠构件节点的抗弯刚度来形成抗侧力的结构体系,例如门式刚架。

支撑结构 - 在梁、柱构件所在平面内,斜向设置支撑构件,以轴向刚度抵抗侧向荷载。其实这是一种纯支撑结构,如果去掉支撑,结构抗侧力体系就没有了,类似脚手架,如果没有支撑,就会倒塌。

框架支撑结构:框架和支撑共同形成抗侧力体系的结构。

在我国抗震规范中,由于要求采用双抗侧力体系,如果支撑破坏,框架部分还能承受一定的侧力。因此,上述纯支撑结构由于框架部分侧向刚度不足而被排除使用(实际工程中往往是禁止的)。但在工程实际中,这样的结构形式很多,特别是牛腿等结构。当然,国外标准中也有这样的结构,如美国建筑钢结构抗震规范AISC341,对单抗侧力体系和双抗侧力体系进行了严格的区分。上述支撑结构就是单抗侧力体系。我国《抗震规范》中的框支结构就是双抗侧力体系,等于无支撑框架与支撑结构的组合。

强支撑框架framebracedwithstrongbracingsystem——在框架支撑中,支撑结构(支撑桁架、剪力墙、筒体等)具有较大的侧向位移刚度,框架可看作没有侧向位移的框架。

众所周知,强支撑框架就是强支撑框架,这不是废话吗?强支撑框架对应弱支撑框架。本质上,强弱对应的是不同的失稳模式,而不是侧向位移的实际大小,也就是稳定理论中说的有侧向位移和无侧向位移的框架。顺便说一句,1998版《高钢规范》曾规定,如果层间位移角小于1/1000,可以按无侧向位移计算。从稳定理论的角度看钢结构设计,这似乎是不恰当的。

《钢结构标准》原本就有弱支撑,大家可以看征求意见稿。考虑到弱支撑框架不推荐,所以最后取消了弱支撑框架柱稳定系数计算公式。另外还有一个事实,就是一旦设置支撑,常见的一般框架支撑结构就是强支撑。

支撑体系——由梁(包括基础梁)和柱组成的支撑并传递其内力的抗侧力体系。

这是一个新的概念,强调支撑体系不是由两根斜杆组成,而必须是一个完整的体系,才能形成支撑体系,起到抵抗侧向移动的作用。在设计结构时,必须注重整个体系,缺少任何一个环节,支撑体系就无法建立。

4. 扭曲屈曲

扭曲屈曲——一种屈曲形式,其中横截面形状发生变化,并且板的至少一条相交线将产生位移。

只要看一下图片你就会明白。

对于框架结构的梁,上翼缘采用板,在正弯矩区不存在稳定性问题,但在负弯矩区下翼缘存在稳定性问题,即上图所示的畸变屈曲。以往我们的规范没有考虑这一点,但国外规范有此规定。与畸变屈曲相关的研究内容,可参考童根树教授的专著《钢结构平面外稳定性》。

《钢标准》第6.2.7条新增了框架主梁负弯矩区畸变屈曲的规定,将下翼缘视为受压杆,腹板作为对下翼缘提供侧向弹性支撑的构件,上翼缘视为固定。给出了畸变屈曲的简易临界应力公式,并给出了需要考虑畸变屈曲的情形及不满足时的做法。

《钢标准》抗震设计第17章相应章节对框架梁端部负弯矩区畸变屈曲也有相关要求。

5.塑性耗能区与弹性区

我们先看一下定义:

塑性能量耗散区塑性能量耗散区——在强震作用下,结构构件首先进入塑性变形和消耗能量的区域。

弹性区 elasticregion——在强震作用下结构构件仍处于弹性工作状态的区域。

说白了,塑性耗能区就是在大地震作用下进入塑性状态,耗散地震输入能量的构件,而弹性区则是无论地震如何发生,都不进入塑性的构件。因此,按照这个思路,抗震结构其实可以分为塑性耗能区和非塑性耗能区两个部分,非塑性耗能区也可以设计成弹性区,当然,也可能存在一些可能或潜在的塑性区。

不同地区抗震做法与要求不同,抗震设计的思路是控制塑性结构,可以说《钢结构标准》第17章抗震基本都是围绕塑性耗能区写的,从性能等级目标、延性等级、抗震计算到抗震结构。非塑性耗能区构件、节点的设计,都是根据既定的结构体系和塑性耗能区的性能,再决定如何设计。

所以这里就需要具体讲一下整个钢结构体系中塑性耗能区在什么位置,当然也要注意塑性耗能区和抗震设计的意图有关,说白了就是看你设计的时候想把塑性耗能设在什么位置。

对于纯框架结构,大家最熟悉的是可以形成塑性铰的位置,也就是塑性耗能区,一般在梁柱节点和柱脚附近。但对于抗震设计,为了保证“强柱弱梁”,防止形成倒塌机制,一般将单层和顶层框架以外的框架梁端设计为塑性耗能区。

前面说过,支撑结构是抵抗侧向力的支撑,那么塑性耗能区实际上就是那个支撑,从抗震性能上讲,希望成对设置的支撑都设计成塑性耗能区。

对于框架-中心支撑结构,按照上述双重抗侧力体系的设计目标,塑性耗能区为框架的成对支撑和梁端。

对于框架—偏心支撑结构,支撑框架部分必须为剪切屈服的耗能梁截面,且框架梁端的塑性铰区也必须为塑性耗能区。

例如,对于装有阻尼器的框架,毫无疑问,最先屈服的阻尼器就是塑性耗能区。

6. 焊接部分

你知道这个术语在旧《钢铁法》里叫什么吗?叫“组合构件”。

啥?很多人会觉得奇怪:“组合构件”,不就是钢筋混凝土做成的东西吗?不信?查一下老《钢结构规范》,组合构件——由多块钢板(或型钢)相互连接构成的构件,如工字型或箱形型钢组合梁或柱。

本来我并没有打算把这个列出来,但是想想,工作中很多人问过我《钢材规格》的组合成分是什么,所以我就讲一下。

这应该是历史的延续,最早的钢结构分为型钢、钢板、型钢焊接而成,当时钢-混凝土组合结构很少,所以就叫“组合构件”,一直延续到《钢铁标准》中,《钢铁标准》修订时可能发现容易产生歧义,所以就改了。

(PS,可能解释得不够透彻,欢迎回复,讨论,交流!)

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