1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干問(wèn)題探討,章啓新、程志敏、周觀根,浙江東南網(wǎng)架股份有限公司 二O一O年七月,目 錄 1、前言 2、改變傳統(tǒng)理念，提高設(shè)計(jì)水平 3、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 4、鋼網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)造 5、結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力與合攏溫度的取值討論 6、結(jié)束語(yǔ) 參考文獻(xiàn),內(nèi)容摘要 由于鋼材具有較高的強(qiáng)度、較好的延性及加工性能而被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，相對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)即混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)而言，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)起步晚，發(fā)展快，應(yīng)用廣。在其應(yīng)用過(guò)程中存在許多需要研究和探討的地方，本文從鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念、優(yōu)化設(shè)計(jì)、網(wǎng)架（殼）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)造、結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力與合攏溫度的取值等多角度、多方位對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的正確應(yīng)用進(jìn)行了全面論述。 本文供鋼

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的工程師借鑒和參考。,1 前言 近10多年來(lái)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展很快，但鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍涵蓋面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還相差甚遠(yuǎn)，中國(guó)是建筑業(yè)大國(guó)，國(guó)內(nèi)、國(guó)外的建筑市場(chǎng)十分廣闊。如何擴(kuò)大鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍，是建筑、結(jié)構(gòu)工程師在建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的“后建筑時(shí)代”也就是低碳、節(jié)能、環(huán)保建筑中所面臨的繼承和創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。 我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)大量在建筑工程中應(yīng)用可以說(shuō)是從廣州新白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)開(kāi)始，發(fā)展到今天在許多航站樓、會(huì)展中心、體育場(chǎng)館、奧運(yùn)場(chǎng)館、工業(yè)廠房、高層建筑直至現(xiàn)在的高鐵站房。 上海世博會(huì)展館的建設(shè)，對(duì)建筑、結(jié)構(gòu)業(yè)內(nèi)人士來(lái)講是一個(gè)“萬(wàn)國(guó)建筑博物館”，幾乎所有的展館均采用了鋼結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出了千姿百態(tài)、形態(tài)各異的建筑風(fēng)格，

3、也說(shuō)明鋼結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)出建筑藝術(shù)精品。,80年代中期筆者去歐洲考察時(shí)帶回了國(guó)外的門(mén)式剛架標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖紙以及H型鋼和鋼網(wǎng)架生產(chǎn)線照片。當(dāng)時(shí)有的從事設(shè)計(jì)工作20多年的工程師卻認(rèn)為是建筑模型而已。其實(shí)一些部屬設(shè)計(jì)院早在60年代后期門(mén)式剛架在援外工程中已有應(yīng)用了，角鋼、節(jié)點(diǎn)板螺栓連接的鋼網(wǎng)架在高等院校的健身房中也已推廣使用。 80年代后期隨著外資企業(yè)進(jìn)入中國(guó)后，門(mén)式剛架才逐步被設(shè)計(jì)工作者認(rèn)知，但是對(duì)門(mén)式剛架的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用蒙皮效應(yīng)設(shè)計(jì)還是難以推廣。 2 改變傳統(tǒng)理念，提高設(shè)計(jì)水平 在上世紀(jì)80年代以前，設(shè)計(jì)單層廠房和多層廠房時(shí)，往往很自然的會(huì)不加思索的采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)，屋面結(jié)構(gòu)體系采用預(yù)應(yīng)力薄腹梁、大型屋面板

4、。隨著鋼產(chǎn)量不斷,增加，門(mén)式剛架重量輕、建設(shè)周期短、造價(jià)與鋼筋砼結(jié)構(gòu)基本相同等的優(yōu)越性被人們逐步接受。但多、高層鋼結(jié)構(gòu)商住房由于深層次原因，推廣還是困難重重。 鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展勢(shì)在必行，鋼結(jié)構(gòu)一方面要得到人們的認(rèn)知，更重要的是提高從業(yè)人員的設(shè)計(jì)水平和學(xué)術(shù)交流。現(xiàn)在有一些建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系概念并不清楚。都是由建筑師在既定的建筑方案基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。結(jié)構(gòu)體系選擇的優(yōu)劣直接影響結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、合理性?，F(xiàn)在設(shè)計(jì)院的結(jié)構(gòu)工程師習(xí)慣于“平法表示”，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)來(lái)講，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和鋼承板鋪設(shè)方向?qū)Y(jié)構(gòu)影響和樓板平面剛度尚不夠重視。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造在結(jié)構(gòu)體系中無(wú)論對(duì)結(jié)構(gòu)功能和用鋼量都占有重要地位，也直接

5、影響造價(jià)，在設(shè)計(jì)圖中節(jié)點(diǎn)構(gòu)造至少要提供剛接、鉸接的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，只要圖示清楚就可以由制造廠在深化設(shè)計(jì)中完成。,隨著城市的快速發(fā)展新的建筑不斷涌現(xiàn)，這些工程是由多專(zhuān)業(yè)交融在一起，業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工盤(pán)根錯(cuò)節(jié)，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)好的、經(jīng)得起時(shí)間檢驗(yàn)和歷史記憶的建筑工程恐怕為數(shù)不多。 中國(guó)是一個(gè)建筑業(yè)大國(guó)，無(wú)論在建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工水平在60年代的“十大建筑”和我國(guó)援外的大型公共建筑和高層建筑都曾經(jīng)走在世界前列，引起世界關(guān)注。而現(xiàn)在建筑業(yè)大發(fā)展時(shí)代很多城市地標(biāo)建筑成為外國(guó)建筑師在中國(guó)的試驗(yàn)場(chǎng)所，但并非完美，卻對(duì)中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工發(fā)展拓寬了視野，推動(dòng)了鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的快速發(fā)展。 下面介紹三種類(lèi)型的鋼結(jié)構(gòu)新穎創(chuàng)意：

6、,一、上海世博會(huì)丹麥展館，是由丹麥形態(tài)學(xué)家、皇家院士TURE WESTER的方案，由ARUP公司設(shè)計(jì)，這是由兩個(gè)非同心圓的“螺旋體”，超越了傳統(tǒng)的建筑形態(tài)，如圖1。 結(jié)構(gòu)選型是由直線形桿件組成的標(biāo)準(zhǔn)異形六面體模塊，組裝而成，如圖2、圖3。并非我們所想象的采用圓鋼管或方鋼管三維空間彎曲成形的“螺旋體”。這種設(shè)計(jì)理念既考慮到簡(jiǎn)化加工工藝的難度和熱加工成形的能耗，又提高了空間結(jié)構(gòu)安裝的便捷和精度，丹麥展館從設(shè)計(jì)、加工、制作、運(yùn)輸?shù)桨惭b的鋼結(jié)構(gòu)工程的典范。,圖1 上海世博會(huì)丹麥展館,圖2 主體結(jié)構(gòu)效果圖,圖3 標(biāo)準(zhǔn)異形六面體模塊,二、樹(shù)叉式結(jié)構(gòu) 隨著高鐵的發(fā)展，“無(wú)柱站臺(tái)”成為一種設(shè)計(jì)時(shí)尚?？缭秸九_(tái)需

7、大跨度空間鋼管桁架支承在站線之間的組合鋼柱上。高重心的屋面結(jié)構(gòu)體系用鋼量顯然高于樹(shù)叉式結(jié)構(gòu)，對(duì)抗震也極為不利，鐵路是生命線工程，其站臺(tái)的結(jié)構(gòu)抗震要求較高。而且組合鋼柱截面都很大，增加了站線占地面積。 德國(guó)某候機(jī)大廳和高鐵中轉(zhuǎn)站采用樹(shù)叉式結(jié)構(gòu)有效降低了屋面結(jié)構(gòu)體系的用鋼量。在強(qiáng)地震區(qū)樹(shù)不會(huì)傾倒樹(shù)叉式結(jié)構(gòu)是從仿生學(xué)中引入建筑結(jié)構(gòu)中來(lái)的，具有良好的抗震性能。在生命線工程中得到應(yīng)用。樹(shù)叉式結(jié)構(gòu)在我國(guó)的設(shè)計(jì)理念和加工、制作、安裝還是空白，如圖4,圖4 德國(guó)某候機(jī)大廳和高鐵中轉(zhuǎn)站,三、澳大利亞樹(shù)叉式墻體鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)置玻璃幕墻。 玻璃幕墻從上世紀(jì)60年代開(kāi)始興起，玻璃幕墻基本上為有框、無(wú)框和點(diǎn)式(虎爪式)玻璃幕

8、墻之分。 玻璃幕墻受外界自然條件的多變性、瞬變性和結(jié)構(gòu)膠的老化等因素的影響，導(dǎo)致玻璃碎裂和脫落的傷人事故，時(shí)有發(fā)生。設(shè)計(jì)工作者一方面從連接構(gòu)造和建筑美觀要求走了一條從有框到無(wú)框再發(fā)展到點(diǎn)式的玻璃幕墻這一過(guò)程。第二方面，玻璃屬脆性材料，玻璃碎裂時(shí)非常鋒利。在設(shè)計(jì)玻璃幕墻時(shí)常選用鋼化玻璃或夾膠的安全玻璃等的改性玻璃；第三方面玻璃幕墻的光污染及陽(yáng)光反射產(chǎn)生城市“熱島效應(yīng)”是建筑師與環(huán)保工作者爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。,澳大利亞采用樹(shù)叉式鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)置式玻璃幕墻從工程實(shí)效來(lái)講基本上解決了當(dāng)前玻璃幕墻存在的三大問(wèn)題(連接構(gòu)造、材質(zhì)改性、光污染)新的嘗試，如圖5。,圖5 澳大利亞樹(shù)叉式鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)置玻璃幕墻,現(xiàn)代建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

9、應(yīng)體現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的屬性和行至有效的時(shí)代特征的藝術(shù)品建筑。深厚的控制能力，秉承錯(cuò)綜復(fù)雜的工藝技術(shù)，創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)與精湛的施工工藝相結(jié)合。,3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)發(fā)展的必然產(chǎn)物，是一門(mén)學(xué)科，各行各業(yè)都有一個(gè)“優(yōu)化”問(wèn)題，在建筑、結(jié)構(gòu)行業(yè)中的優(yōu)化是降低工程造價(jià)為宗旨，而航天器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是減輕自重為主導(dǎo)，企業(yè)管理的優(yōu)化以企業(yè)文化為導(dǎo)向等等。 3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 a.優(yōu)化設(shè)計(jì)不應(yīng)以降低結(jié)構(gòu)安全等級(jí)和使用年限為代價(jià)，“過(guò)度優(yōu)化”必然會(huì)產(chǎn)生“樓危?！薄ⅰ皹谴啻唷钡鹊?，使建筑工程沒(méi)有達(dá)到有效生命期，不是“未老先衰”就是“英年早逝”。 b.優(yōu)化設(shè)計(jì)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，多人計(jì)算即使采用同一程序，也可以得出不同結(jié)

10、果，計(jì)算結(jié)果的分析判斷可信度只有自己知道。 c.優(yōu)化設(shè)計(jì)是以降低造價(jià)為目標(biāo)，在建筑工程中降低造價(jià)包括設(shè)計(jì)、制作、安裝、運(yùn)輸?shù)榷喾矫娴膬?yōu)化。,3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中為了降低用鋼量片面的理解為“應(yīng)力優(yōu)化”，其實(shí)不然，建筑結(jié)構(gòu)的“優(yōu)化設(shè)計(jì)”應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行考慮。 (1) 基礎(chǔ)優(yōu)化 鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)優(yōu)化有很大潛力，無(wú)論什么建筑工程甚至小高層建筑通過(guò)多種方案比較，最終能優(yōu)化出安全、可靠，又具有較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益的較佳基礎(chǔ)形式。 (2) 高層建筑抗風(fēng)力的體型優(yōu)化 高層建筑主要的水平荷載是風(fēng)載，風(fēng)載與建筑體型和高空風(fēng)力湍流有密切關(guān)系。抗風(fēng)力的計(jì)算模式如圖6、圖7。,圖6 高層建筑抗風(fēng)力計(jì)算模式 (

11、a)風(fēng)壓高度變化系數(shù)； (b)高層建筑； (c)沿高度水平剪力和彎矩分布； (d)沿高度位移分布。,圖7 美國(guó)西爾斯大廈,美國(guó)西爾斯大廈是筒中筒全鋼結(jié)構(gòu)，其建筑立面沿高度體型變化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗風(fēng)力的較佳受力狀態(tài)，所以美國(guó)西爾斯大廈高度443.2m，共110層，用鋼量為159.5kg/m2，鋼材的強(qiáng)度為290340Mpa，這樣的高層建筑并沒(méi)有用高強(qiáng)鋼材，用鋼量較低，而且“舒適度”的限值比我國(guó)“高鋼規(guī)”的限值高10多倍。 (3) 高層建筑優(yōu)化 a.柱網(wǎng)優(yōu)化：高層綜合樓商業(yè)大廳的大柱網(wǎng)轉(zhuǎn)換成商住樓的小柱網(wǎng)； b.樓層剛度優(yōu)化：采用鋼承砼樓板(有三個(gè)特點(diǎn)：波形鋼板具有較大剛度；減少砼用量；節(jié)約模板)，鋼

12、承波形板交錯(cuò)方向布置，以提高樓面剛度減少層間位移值，如圖8、圖9。,圖8 美國(guó)西爾斯大廈樓板結(jié)構(gòu),圖9 上海金茂大廈標(biāo)準(zhǔn)層樓板結(jié)構(gòu),(4) 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化 鋼結(jié)構(gòu)梁、柱連接節(jié)點(diǎn)，其用鋼量占總用鋼量的12%18%，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的優(yōu)劣，直接影響鋼結(jié)構(gòu)的安全度和抗震性能。 (5) 鋼網(wǎng)架的優(yōu)化 雙層或多層網(wǎng)架一般下弦層或中間層采用抽空網(wǎng)格；在局部玻璃采光頂處，可按玻璃的承載能力及玻璃區(qū)格對(duì)網(wǎng)格轉(zhuǎn)換，以避免桿件交錯(cuò)，取得良好的室內(nèi)視覺(jué)效果。 (6) 弦支穹頂預(yù)應(yīng)力優(yōu)化 徑向預(yù)應(yīng)力：如上海南站、北京南站。環(huán)向預(yù)應(yīng)力：如北京奧體羽毛球館和濟(jì)南體育館，環(huán)向預(yù)應(yīng)力的效能比徑向預(yù)應(yīng)力效能更經(jīng)濟(jì)合理。環(huán)向預(yù)應(yīng)力其索的平面

13、布置和標(biāo)高也可優(yōu)化，還有張拉程序的優(yōu)化。,東南網(wǎng)架博士后工作站鄭君華博士研究的“預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的施工張拉及優(yōu)化結(jié)構(gòu)”在實(shí)際工程建設(shè)中具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值和創(chuàng)新性。 (7) 桿件截面優(yōu)化 增加截面剛度，減少用鋼量，如悉尼機(jī)場(chǎng)管桁架結(jié)構(gòu)采用空腹桁架和交叉柔性腹桿。推廣波型腹板H型鋼梁，但關(guān)鍵是翼緣與波型腹板的機(jī)械化焊接問(wèn)題有待開(kāi)發(fā)。 (8) 節(jié)點(diǎn)計(jì)算優(yōu)化 計(jì)算假定與構(gòu)造相一致，結(jié)構(gòu)構(gòu)造與施工安裝相一致，節(jié)點(diǎn)功能與結(jié)構(gòu)受力相一致。東南網(wǎng)架博士后工作站劉堅(jiān)博士研究的“鋼結(jié)構(gòu)高階分析理論及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究”具有前瞻性，其中梁、柱節(jié)點(diǎn)半剛性連接的二階彈性分析，可作為鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)在工程應(yīng)用中的理論依

14、據(jù)。,(9) 應(yīng)力優(yōu)化 提高構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)力，降低結(jié)構(gòu)安全度，這是“低俗化”的優(yōu)化，正確的優(yōu)化是提高構(gòu)件的剛度，或?qū)簭潣?gòu)件轉(zhuǎn)換成拉、壓二力構(gòu)件。,4 鋼網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)造 鋼網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，應(yīng)用范圍已十分廣闊，應(yīng)用領(lǐng)域如體育場(chǎng)館、航站樓、工業(yè)廠房等等。該結(jié)構(gòu)形式由于具有較好的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性，且包裝、運(yùn)輸及安裝簡(jiǎn)易便捷，因此，特別適用于海外工程。 目前，鋼網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)軟件有很多版本，各有所長(zhǎng)，如MST網(wǎng)架(殼)專(zhuān)用程序經(jīng)過(guò)數(shù)次版本升級(jí)已日臻完善。 4.1 國(guó)內(nèi)鋼網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型。 我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范有四種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，即螺栓球節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)、嵌入式轂節(jié)點(diǎn)及

15、板式節(jié)點(diǎn)，其中焊接球節(jié)點(diǎn)又分為加肋焊接球節(jié)點(diǎn)和不加肋焊接球節(jié)點(diǎn)。,螺栓球節(jié)點(diǎn)、焊接空心球節(jié)點(diǎn)是應(yīng)用最廣泛的兩種節(jié)點(diǎn)形式，一般單獨(dú)應(yīng)用，但也可混合應(yīng)用，如北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)T3航站樓，在其他工程中也較常見(jiàn)。嵌入式轂節(jié)點(diǎn)類(lèi)似加拿大的Triodetic節(jié)點(diǎn)，一般很少采用。板式節(jié)點(diǎn)在20世紀(jì)6070年代使用較多，現(xiàn)仍有使用價(jià)值。 4.2 國(guó)外鋼網(wǎng)架(殼)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)介。 國(guó)外鋼網(wǎng)架(殼)節(jié)點(diǎn)體系十分豐富，如英國(guó)的Spacedeck節(jié)點(diǎn)體系和Nodus節(jié)點(diǎn)體系、德國(guó)的Mero節(jié)點(diǎn)體系、法國(guó)的SDC節(jié)點(diǎn)體系、美國(guó)的Unistrut節(jié)點(diǎn)體系、加拿大的Triodetic節(jié)點(diǎn)體系、日本的 Obayashi節(jié)點(diǎn)體系等等。

16、上述節(jié)點(diǎn)體系有些屬于專(zhuān)利產(chǎn)品，有專(zhuān)門(mén)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和定點(diǎn)工廠生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)如果設(shè)計(jì)需要，可以進(jìn)口。圖10、圖11為日本熊本縣綜合公園室內(nèi)運(yùn)動(dòng)廣場(chǎng)鋼網(wǎng)殼焊接心球節(jié)點(diǎn)應(yīng)用情況。,圖10 網(wǎng)格膜部分鋼結(jié)構(gòu)建筑場(chǎng)景,圖11 節(jié)點(diǎn),4.3 焊接球與螺栓球混合應(yīng)用的問(wèn)題 當(dāng)同根桿件的一端為焊接球另一端為螺栓球(如圖12)混合使用時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D13所示施工程序進(jìn)行施工，以防焊接收縮變形而使另一側(cè)螺栓無(wú)法擰到位，應(yīng)嚴(yán)格掌握施工程序。,圖12 焊接球與螺栓球節(jié)點(diǎn)在同一網(wǎng)格連接詳圖,圖13 焊接空心球與螺栓球混合應(yīng)用時(shí)的施工程序,4.4 角鋼、節(jié)點(diǎn)板組成的鋼網(wǎng)架 角鋼桿件與節(jié)點(diǎn)板之間用螺栓連接，螺栓承受剪力，一些工程仍

17、在應(yīng)用。 4.5 鋼木組合式網(wǎng)架(殼) 采用木材或厚層膠合板作為桿件，用螺栓、銷(xiāo)釘和專(zhuān)用配件的鋼木組合式網(wǎng)架(殼)國(guó)外應(yīng)用也較多。 4.6 鋼網(wǎng)架(殼)桿件接長(zhǎng)與焊接球連接問(wèn)題 4.6.1鋼管桿件的選用 有的設(shè)計(jì)要求全部桿件均采用無(wú)縫鋼管，其實(shí)無(wú)縫鋼管壁厚很不均勻，難以控制桿件的強(qiáng)度，而高頻直縫焊管壁厚較均勻，易于控制桿件的強(qiáng)度。但是高頻焊管大部分是冷彎成型，其延伸率有所下降；同時(shí)還有人擔(dān)心高頻焊管在壓力作用下會(huì)裂開(kāi)，其實(shí)只要是正規(guī)廠家生產(chǎn)的高頻直縫焊管，質(zhì)量是可靠的。另外冷彎薄壁鋼管有時(shí)效,現(xiàn)象，以后延伸率會(huì)上升，與冷彎前非常接近，達(dá)到了節(jié)能和降低成本的效果。 4.6.2 桿件的對(duì)接接長(zhǎng) 現(xiàn)

18、行“網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”和即將發(fā)布的“空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”規(guī)定，對(duì)接桿件數(shù)允許不超過(guò)桿件總數(shù)的20%，但不得集中使用，每根桿件只允許一條對(duì)接焊縫，焊縫等級(jí)要求達(dá)到一級(jí)焊縫，比過(guò)去只允許10%接長(zhǎng)大大放松，降低了鋼材的損耗率。 4.6.3 桿件與焊接空心球的連接 “網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程”規(guī)定當(dāng)桿件匯交相貫時(shí)，主桿要求全截面焊接在球面上，另一桿件與主桿坡口焊接連接，但必須保證另一桿件有3/4的截面焊接在球面上，這就是搭接率只允許15%，與鋼管桁架允許的搭接率25%QV100%嚴(yán)格得多，是否可以放松，值得商榷。,4.7 鋼網(wǎng)架(殼)支座設(shè)計(jì) 支座作為上部鋼網(wǎng)架(殼)與下部結(jié)構(gòu)連接的重要部件，理論上是一個(gè)

19、具有“運(yùn)動(dòng)副”的機(jī)構(gòu)，廣泛的應(yīng)用于鋼網(wǎng)架(殼)工程中。鋼網(wǎng)架(殼)的支座設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)講應(yīng)認(rèn)真研究解決支座的計(jì)算假定和支座選型。 4.7.1 主要功能及選型準(zhǔn)則 (1) 將上部結(jié)構(gòu)反力可靠地集中傳遞到下部結(jié)構(gòu)，固定支座可起到這種作用； (2) 有些反力傳遞給下部結(jié)構(gòu)時(shí)，將使下部結(jié)構(gòu)處于非常不利的復(fù)雜受力狀態(tài)，在各種隨機(jī)荷載作用下，釋放這些反力使其不至于傳遞到下部結(jié)構(gòu)。鉸接支座和橡膠支座可釋放彎矩或水平推力作用；,(3) 大跨度鋼網(wǎng)架(殼)基于風(fēng)力或溫度應(yīng)力在支座上產(chǎn)生較大水平剪力，可采用有限滑移、轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸接支座，釋放部分水平剪力； (4) 很多有關(guān)網(wǎng)架(殼)的書(shū)本上都介紹一種弧形支座。隨著

20、網(wǎng)架(殼)的撓度，允許支座有微量轉(zhuǎn)動(dòng)，改善網(wǎng)架(殼)的受力情況，這就是變形協(xié)調(diào)的作用。 但是支座的微量轉(zhuǎn)動(dòng)是柱頂?shù)念A(yù)埋螺栓外套彈簧控制如圖14(a)，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)往往疏忽了控制微量轉(zhuǎn)動(dòng)的彈簧系數(shù)。施工安裝時(shí)隨意置入彈簧或彈簧系數(shù)隨著使用年限而下降，導(dǎo)致網(wǎng)架(殼)支座球節(jié)點(diǎn)與下弦桿連接的高強(qiáng)螺栓斷裂或焊接球與下弦桿的焊縫受剪拉破壞如圖14(b)。,圖14 弧板支座 (a) 正常工作狀態(tài)； (b) 轉(zhuǎn)動(dòng) 角的病態(tài)；,(5) 支座還應(yīng)具有抗震、減震和隔振作用的功能，以減少隨機(jī)荷載峰值，以確保下部結(jié)構(gòu)的安全度； (6) 支座的安全等級(jí)及設(shè)計(jì)使用年限與鋼網(wǎng)架(殼)的安全等級(jí)及設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)相一致，特別

21、是支座設(shè)計(jì)時(shí)其輔助材料必須考慮耐久性和可更換性。 4.7.2 幾個(gè)典型案例 (1) 鋼網(wǎng)架(殼)不允許所有支座假定為雙向滑移，計(jì)算軟件難以反映出其雙向滑移的結(jié)果，但實(shí)際情況會(huì)產(chǎn)生鋼網(wǎng)架(殼)整體浮動(dòng)，不受任何方向水平力，實(shí)際上是分離狀態(tài)； (2) 鋼網(wǎng)架支承在排架柱頂上，即使柱頂設(shè)置了連系梁，其抗側(cè)剛度不滿足柱頂位移情況時(shí)： a. 應(yīng)研究下部結(jié)構(gòu)，設(shè)置相應(yīng)的支座如圖15。,圖15 鋼網(wǎng)架支承在排架上,b. 鋼網(wǎng)架跨越伸縮縫且下部結(jié)構(gòu)采用雙柱構(gòu)造時(shí)：方案一，鋼網(wǎng)架隨伸縮縫斷開(kāi)分成二個(gè)區(qū)塊或若干個(gè)區(qū)塊如圖10；,圖16 鋼網(wǎng)架隨伸縮縫斷開(kāi)(方案一),方案二，鋼網(wǎng)架跨越伸縮縫時(shí)柱頂都設(shè)置支座，如圖1

22、7；,圖17 雙柱伸縮縫柱頂均設(shè)支座(方案二),方案三，鋼網(wǎng)架既要跨越伸縮縫，又要使網(wǎng)格劃分合理。在雙柱一側(cè)設(shè)置支座，另一側(cè)不可能設(shè)置支座時(shí)，其不設(shè)支座的柱頂應(yīng)采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施。以防另一側(cè)不設(shè)支座的柱成懸臂柱對(duì)下部結(jié)構(gòu)帶來(lái)不安全因素，如圖18。,圖18 雙柱伸縮縫柱頂一側(cè)不設(shè)支座(方案三),(3) 鋼網(wǎng)架支承在框架結(jié)構(gòu)上 a. 鋼網(wǎng)架支座直接支承在框架柱頂如圖19。 b. 鋼網(wǎng)架混合支承(即支承在柱頂又支承在框架橫梁上)如圖20。,圖19 鋼網(wǎng)架直接支承在框架柱上,在非地震區(qū),鋼網(wǎng)架作用在框架橫梁上的支座反力RZ、RX對(duì)框架橫梁的剛度和強(qiáng)度應(yīng)進(jìn)行校核，如圖20。 在地震區(qū)，鋼網(wǎng)架作用在框架橫

23、梁上的抗地震作用的支座反力RSZ、RSX很難進(jìn)行精確計(jì)算，而且地震荷載的不確定性等因素影響，根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)采用“抗”的理念設(shè)計(jì)成如圖21。,圖20 鋼網(wǎng)架混合支座,當(dāng)然也可采用“放”的理念設(shè)計(jì)，框架橫梁具有抗地震水平力要求，如圖22。,圖21 在地震區(qū)鋼網(wǎng)架支座用“抗”的理念設(shè)計(jì),圖22 在地震區(qū)鋼網(wǎng)架采用“放”的理念設(shè)計(jì),4.8 鋼網(wǎng)架(殼)的展望 近年來(lái)空間管桁結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，在室內(nèi)獲得通透悅目的視覺(jué)效果，建筑造型豐富，得到了建筑師的青睞。其實(shí)鋼網(wǎng)架(殼)同樣可以滿足建筑師的建筑藝術(shù)造型要求，而且全部可工廠化生產(chǎn)，重量輕、運(yùn)輸、安裝簡(jiǎn)易、便捷。筆者前面已經(jīng)介紹了國(guó)外有很多獨(dú)特的鋼網(wǎng)架(殼)節(jié)

24、點(diǎn)，特別是這次上海世博會(huì)的沙特展館選用英國(guó)的剛性節(jié)點(diǎn)單層網(wǎng)殼建筑造型奇特，節(jié)點(diǎn)重量輕、安裝非常方便，且可拆卸，如圖23。,圖23 拆卸式剛性節(jié)點(diǎn),我國(guó)經(jīng)過(guò)30多年的鋼網(wǎng)架(殼)的迅速發(fā)展，結(jié)合筆者80年代中期曾在歐洲考察和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為鋼網(wǎng)架 (殼)應(yīng)當(dāng)向更深層次發(fā)展。 (1) 加工工藝改革。由軟件控制采用全自動(dòng)或半自動(dòng)從下料加工制作校正檢驗(yàn)分類(lèi)包裝的工藝生產(chǎn)線，提高鋼網(wǎng)架(殼)桿件精度，避免安裝積累誤差。 (2) 網(wǎng)格劃分的創(chuàng)新，將下弦層網(wǎng)格與上弦層網(wǎng)格斜交，使一些通風(fēng)管道和功能性馬道，或檢修馬道在網(wǎng)格上能自由布置，獲得較好的通行功能。 (3) 鋼管桿件的改進(jìn)，在鋼管桿件內(nèi)設(shè)置加勁肋，減小大直

25、徑的鋼管，加強(qiáng)鋼網(wǎng)架(殼)桿件平面內(nèi)外的穩(wěn)定，使桿件均稱(chēng)美觀。 (4) 螺栓球節(jié)點(diǎn)的改進(jìn)：一是適應(yīng)圓鋼管和方鋼管桿件的連接；二是防止螺栓松動(dòng)的有效措施；三是適應(yīng)單層鋼網(wǎng)架(殼)剛接或半剛性連接需要。,5 結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力與合攏溫度的取值討論 我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)溫度應(yīng)力采取“放”的原則，也就是設(shè)置溫度伸縮縫，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)無(wú)需進(jìn)行溫度應(yīng)力的計(jì)算。 隨著現(xiàn)代超高層、大跨度鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)對(duì)溫度十分敏感，要設(shè)置伸縮縫在技術(shù)難度上很大，構(gòu)造措施成本高，可靠度較低。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)大，鋼構(gòu)件在冷熱循環(huán)作用下，截面受力較均勻，鋼材的線膨脹系數(shù)與溫差成線性關(guān)系這一特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)工程師對(duì)鋼結(jié)構(gòu)一般不再設(shè)伸縮縫，而是將

26、溫差作為一種可變荷載參與結(jié)構(gòu)計(jì)算，現(xiàn)行“鋼規(guī)”中溫度應(yīng)力的計(jì)算為： 式中： 鋼材彈性模量(N/mm2)； 線膨脹系數(shù)(以每計(jì))； 溫差()。 根據(jù)上式可以算出溫差越大，溫度應(yīng)力隨之加大，反之減小。,眾所周知，溫差的取值直接影響用鋼指標(biāo)，現(xiàn)在一些設(shè)計(jì)人員對(duì)溫差的取值往往不夠重視，當(dāng)然有客觀原因，要取得擬建的鋼結(jié)構(gòu)所在地設(shè)計(jì)使用年限相同的以前年限和近百年的異常氣象資料，有的資料不全，還要有償服務(wù)，導(dǎo)致業(yè)主的麻煩和破費(fèi)，難以取得完整準(zhǔn)確的氣象設(shè)計(jì)資料。有的設(shè)計(jì)人員即使有了氣象資料，一般也是設(shè)定一個(gè)“保守溫差”進(jìn)行設(shè)計(jì)。 5.1 溫差的取值 在一些施工圖說(shuō)明中溫差取值往往用“25”或“35”這樣不妥當(dāng)?shù)谋硎龇椒āＪ紫扔械匿摻Y(jié)構(gòu)擬建地區(qū)根本不可能出現(xiàn)“-25”或“-35”的氣溫；其二是鋼結(jié)構(gòu)在 -20的地區(qū)要做低溫沖擊韌性試驗(yàn)。如果鋼結(jié)構(gòu)施工圖中標(biāo)注“-35”的話，那就要做“-40”的低溫沖擊試驗(yàn)；其三設(shè)計(jì)圖中選用的鋼材如為Q345B，而溫差取值為“-25”，選材不合理。相關(guān)規(guī)范對(duì)溫差取值的建議：,“鋼橋梁規(guī)范”的規(guī)定是鋼橋梁在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)擬建地區(qū)同等年限極端最低溫度和極端最高溫度絕對(duì)值之和為設(shè)計(jì)溫差。 “英國(guó)規(guī)范”的規(guī)定是：對(duì)于不是開(kāi)敞式建筑鋼結(jié)