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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:建筑鋼結構網    
時間:2011-12-30 10:22:37 [收藏]
1、   概  述 隨著鋼結構在國內的逐漸成熟,廠房、辦公樓等鋼結構建筑物與構筑物等主結構部分越來越趨于體系化、標準化、規(guī)范化,但是次結構部分紛繁復雜,類型的多樣,像柱間支撐的設計與應用,需設
    1、    
    隨著鋼結構在國內的逐漸成熟,廠房、辦公樓等鋼結構建筑物與構筑物等主結構部分越來越趨于體系化、標準化、規(guī)范化,但是次結構部分紛繁復雜,類型的多樣,像柱間支撐的設計與應用,需設計人員先進行一些深入了解,以求設計方案更合理完善,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
         在單層鋼結構廠房中,X型柱間支撐雙向受力性能相同且連接簡單,因此在單層鋼結構廠房中較為常見。目前較為常見的X型柱間支撐的設置有圖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,當結構施加向右的縱向水平力P時,使得結構圖2產生向右的位移∆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,根據變形協調條件,縱向水平力PA桿受壓失穩(wěn)而卸載的同時B桿的受拉內力逐漸增加,將桿件AB按受拉桿件設計,最終A桿失穩(wěn)退出工作,B桿承擔全部的縱向水平力P。支撐體系為幾何不變體系,結構是安全的。若縱向水平力P反向施加于圖2-2所示的結構上時,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桿的受拉內力逐漸增加,故該支撐體系仍為幾何不變體系,結構仍是安全的。綜上所述,當柱間支撐桿件在理想狀態(tài)下按受拉桿件設計時,結構在往復水平力的作用下,A,B桿的受力狀態(tài)連續(xù)不斷交替變化。其應力變化差為∆σ=σmaxminmax-PCr(臨界力PCr2EA/λ2) [1],因此要使得應力變化差∆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計時,所選取構件的構件長細比,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,當支撐體系的桿件沒有采取張拉設備或初始安裝在自重作用下撓曲時,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AB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所示的結構上,此時A’桿受壓,而B’桿應受拉。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受壓桿A’卸載后應當承受的拉力,而是產生一個傳力的滯后現象(由桿件初始變形產生∆=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,當吊車反向運行時,縱向水平力P反向施加于圖3所示的結構上時,在A’桿的橫向變形恢復之前,桿件不能承擔拉力,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)生傳力的滯后現象[2],在往復水平力作用下,使得同一根支撐桿件的應力差變大,桿件更易發(fā)生疲勞,結構構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裂紋。
    1、   解決問題的相關建議
    (1)對于支撐按受壓桿件設計時,假設初始加工、安裝誤差產生的初始變形為∆L。胡克定律∆L=F*L/(EA),則圖2-3中由于初始變形導致的傳力的滯后現象的存在,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B’達到σmax(桿件受拉為正)時候,若反向施加P于圖2-3(b)結構時,則B’桿件中的應力馬上由σmaxσmin (桿件受壓為負),應力變化差∆σ=σmaxmin很大,如此往復施加荷載,使得構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件時,應控制其初始加工、安裝誤差,使支撐桿件不出現橫向變形。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,從而使其在往復水平力作用下不出現傳力滯后現象[2],并使得受拉設計的柱間支撐能充分發(fā)揮支撐體系的作用,滿足廠房縱向結構的穩(wěn)定和承載力要求,保證結構的空間性能。因構件加工、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計時,同樣由于初始加工、安裝誤差產生初始變形,且在往復荷載作用下,使得支撐構件的橫向變形加大,導致破壞,故此支撐按受拉桿件設計,實際工程中亦必須處于張緊狀態(tài)。
    4、總結
    1)在X型柱間支撐設計過程中,按受拉桿件的設計時,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)按受拉桿設計時的X型柱間支撐往往比按受壓桿設計要求節(jié)省鋼材,建議X型柱間支撐受拉桿設計。
    3)按受壓桿設計時,在保證加工、安裝質量的前提下,應避免出現初始變形,盡量采取措施使柱間支撐桿件張緊,使柱間支撐構件在往復荷載作用下不出現傳力滯后現象[2]。
    參考文獻
    1         孫訓方,方孝淑,關來泰。材料力學。北京:高等教育出版社。2002
    2        陳友泉,魏潮文。輕鋼結構支撐體系內力計算及設計問題探討。建筑結構,2003,337);13-15

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