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X型柱間支撐失穩因素的探討及處理方法

作者:建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間:2011-12-30 10:22:37 [收藏]
1、   概  述 隨著(zhù)鋼結構在國內的逐漸成熟,廠(chǎng)房、辦公樓等鋼結構建筑物與構筑物等主結構部分越來(lái)越趨于體系化、標準化、規范化,但是次結構部分紛繁復雜,類(lèi)型的多樣,像柱間支撐的設計與應用,需設
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    隨著(zhù)鋼結構在國內的逐漸成熟,廠(chǎng)房、辦公樓等鋼結構建筑物與構筑物等主結構部分越來(lái)越趨于體系化、標準化、規范化,但是次結構部分紛繁復雜,類(lèi)型的多樣,像柱間支撐的設計與應用,需設計人員先進(jìn)行一些深入了解,以求設計方案更合理完善,本文著(zhù)重對常用的X型柱間支撐的一些問(wèn)題提出來(lái)跟大家探討一下。
     
    2、   柱間支撐的問(wèn)題
         在單層鋼結構廠(chǎng)房中,X型柱間支撐雙向受力性能相同且連接簡(jiǎn)單,因此在單層鋼結構廠(chǎng)房中較為常見(jiàn)。目前較為常見(jiàn)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(chē)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(shí),使得結構圖2產(chǎn)生向右的位移∆1。由于縱向剛性系桿或吊車(chē)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(xié)調條件,縱向水平力PA桿受壓失穩而卸載的同時(shí)B桿的受拉內力逐漸增加,將桿件A,B按受拉桿件設計,最終A桿失穩退出工作,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(shí),A桿受拉,B 桿受壓,縱向水平力PB桿受壓失穩而卸載的同時(shí)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(shí),結構在往復水平力的作用下,A,B桿的受力狀態(tài)連續不斷交替變化。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(shí),所選取構件的構件長(cháng)細比,在不超過(guò)規范容許值的情況下,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,當支撐體系的桿件沒(méi)有采取張拉設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(kāi)間及高度相同的情況下,圖2-3(a)中的桿件A’,B’的長(cháng)度分別大于圖2-2(a)中的桿件A,B的長(cháng)度,即,L2>L1。另外,對于吊車(chē)梁下柱的柱間支撐,采用圓鋼支撐其長(cháng)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(cháng)細比遠比圓鋼支撐要小,不能忽略其承壓的影響。
    例如吊車(chē)沿廠(chǎng)房縱向運行時(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所示的結構上,此時(shí)A’桿受壓,而B’桿應受拉。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)并未立即承擔受壓桿A’卸載后應當承受的拉力,而是產(chǎn)生一個(gè)傳力的滯后現象(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(xiàn)變成了S形;同樣,當吊車(chē)反向運行時(shí),縱向水平力P反向施加于圖3所示的結構上時(shí),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(guò)程中,當B’桿受壓卸載時(shí),A’桿的變形還沒(méi)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(xiàn)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(xiàn)變成了S型,甚至在支撐的連接部位出現裂紋。
    1、   解決問(wèn)題的相關(guān)建議
    (1)對于支撐按受壓桿件設計時(shí),假設初始加工、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(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,∆L*E/L2=206x103x(∆L/L)≤215,(∆L/L)≤1/1000。當B’達到σmax(桿件受拉為正)時(shí)候,若反向施加P于圖2-3(b)結構時(shí),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(shí)際工程中若柱間X型支撐,采用長(cháng)細比較小的軋制型鋼構件時(shí),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(mǎn)足廠(chǎng)房縱向結構的穩定和承載力要求,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(shí),同樣由于初始加工、安裝誤差產(chǎn)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(shí)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(guò)程中,按受拉桿件的設計時(shí),柱間支撐的長(cháng)細比在不超過(guò)規范的容許值的情況下,盡量選的大一些;按受壓桿件設計時(shí),考慮到加工,安裝的誤差存在初始變形,長(cháng)細比λ宜取在小于100為好。
    2)按受拉桿設計時(shí)的X型柱間支撐往往比按受壓桿設計要求節省鋼材,建議X型柱間支撐受拉桿設計。
    3)按受壓桿設計時(shí),在保證加工、安裝質(zhì)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(guān)來(lái)泰。材料力學(xué)。北京:高等教育出版社。2002
    2        陳友泉,魏潮文。輕鋼結構支撐體系內力計算及設計問(wèn)題探討。建筑結構,2003,337);13-15

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