2019鋼結(jié)構(gòu)基本概念

1、第一節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)的一些基本概念結(jié)構(gòu)是由構(gòu)件組成的構(gòu)件的種類：梁、柱、板、墻體、桁架、網(wǎng)架、懸索變力性能：拉、壓、彎、剪、扭、疲勞、裂縫擴(kuò)展(斷裂)桿件系統(tǒng)：梁、柱、桁架、網(wǎng)架都屬桿件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算的內(nèi)容包括： 強(qiáng) 度 穩(wěn) 定結(jié)構(gòu)在靜力或動(dòng)力荷載作用下的 變 形 振 動(dòng) 疲 勞其中：強(qiáng)度，穩(wěn)定和變形在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常要予以計(jì)算。振動(dòng)是在設(shè)計(jì)跨度大而輕的樓層和樓梯時(shí)考慮，主要是防止因人行走或使用時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生令人不適的振動(dòng)。疲勞計(jì)算僅在多次反復(fù)荷載下才予以考慮。§ 1 強(qiáng) 度強(qiáng)度：可指桿件的強(qiáng)度或結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。一桿件的強(qiáng)度：桿件抵抗破壞的能力。荷載引起的外力構(gòu)件的承載力(由材料強(qiáng)度，構(gòu)件截面的大小和形

2、狀確定)影響因素：荷載：大小，作用方式(拉、壓、彎、剪、扭，靜力或動(dòng)力)材料：屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、彈性模量等構(gòu)件截面的大小和形狀：截面越大，承載力越大。粗繩比細(xì)繩能承受更大的拉力。截面形狀的影響則以受彎構(gòu)件為例，梁就是建筑上應(yīng)用最廣的典型的受彎構(gòu)件。當(dāng)一塊文具橡皮被彎時(shí)，會(huì)看到橡皮的一個(gè)面伸長了，而另一個(gè)面縮短了。梁在受彎時(shí)也有同樣的表現(xiàn)。將梁看成是由一層層的纖維疊成的。沿著梁高，從伸長變到縮短，中間必有一個(gè)層面即沒有伸長也沒有縮短，這一層稱為中性層。對一般的金屬材料，如果截面對稱于中心線，則中性層就在截面的中心線上；另一方面，彈性材料(包括鋼材)的一個(gè)基本特點(diǎn)就是材料的受力與材料的變形成正比

3、，因此梁的伸長表面受到的拉力最大，縮短表面受到的壓力最大，而中性層則不受力。因此，沿著梁高，梁的應(yīng)力大小按三角形變化，梁的中性層上應(yīng)力為零，距中性層越遠(yuǎn)，應(yīng)力越大。從這樣一個(gè)事實(shí)出發(fā)，為了節(jié)約材料，從而將截面做成工字形，翼緣厚，腹板薄，截面的主要面積分布在中性層的兩側(cè)遠(yuǎn)方。因此工形截面的抗彎承載能力要比面積相同、寬度相等的矩形面積大得多，所以承受彎曲變形的構(gòu)件(梁或柱)多數(shù)做成工字形截面。 值得指出的是工字形截面有一個(gè)弱點(diǎn)，沿Y軸方向，也就是抵抗繞X軸的彎曲(強(qiáng)軸彎曲)，有較大的強(qiáng)度，同時(shí)也有較大的抗變形剛度。但是沿X方向，也就是當(dāng)彎曲繞Y軸發(fā)生時(shí)(弱軸彎曲)，構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度都很小，只是相當(dāng)

4、于一個(gè)高度為b，寬度為2t的矩形截面構(gòu)件(見右上圖)。因此當(dāng)需要構(gòu)件在兩個(gè)方向都具有一定的強(qiáng)度和剛度時(shí)，人們常使用矩形或方形的箱形截面。當(dāng)彎曲繞X軸發(fā)生時(shí)，中性層沿X軸;當(dāng)彎曲繞Y軸發(fā)生時(shí)，中性層沿Y軸。截面面積總是有效地分布在中性軸的兩側(cè)遠(yuǎn)方。 二、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度：是結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力。 結(jié)構(gòu)是由桿件組成的，但結(jié)構(gòu)中某根桿件的破壞并不一定意味著結(jié)構(gòu)破壞。結(jié)構(gòu)的破壞與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有直接關(guān)聯(lián)，通常說結(jié)構(gòu)失穩(wěn)了就意味著結(jié)構(gòu)破壞了。這個(gè)問題在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定中再予以介紹。§ 2 剛 度簡單結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在荷載作用下的變形，可近似地表示為： Q/B 式中為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形，Q為荷載效應(yīng)，B為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度由

5、此可見，剛度愈大，變形愈小，剛度是衡量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抵抗變形的能力。一、 桿件的剛度：桿件抵抗變形的能力軸向剛度：桿件抵抗軸向拉伸和壓縮變形的能力彎曲剛度：桿件抵抗彎曲變形的能力扭轉(zhuǎn)剛度：桿件抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力 荷載引起的構(gòu)件變形規(guī)范容許的構(gòu)件變形值(通常以不影響結(jié)構(gòu)正常使用為依據(jù))影響因素：1 荷載：大小，作用方式(拉、壓、彎、剪、扭)引起桿件相應(yīng)的變形。2 材料：彈性模量、屈服強(qiáng)度、屈服后材料的變形能力等。3 桿件的長度、截面大小和形狀：一般地說，桿件愈長，剛度愈小，變形愈大。例如，桿件在拉伸荷載作用下的軸向變形與桿件長度成正比，而梁在跨中集中荷載作用下的撓度與梁長的三次冪成正比。截面尺寸愈小

6、，桿件剛度愈小，變形愈大。截面形狀對構(gòu)件的強(qiáng)度有影響，對桿件剛度也有影響，例如，相同長度的圓形截面的抗扭轉(zhuǎn)剛度就與面積相同的正方形截面的抗扭剛度不一樣。工字型截面在2個(gè)不同方向(強(qiáng)軸方向和弱軸方向)上的抗彎剛度相差很大，例如熱軋工字鋼I40a繞其強(qiáng)軸彎曲的剛度是繞其弱軸彎曲的剛度的32.9倍。二、 結(jié)構(gòu)剛度 結(jié)構(gòu)的剛度是結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，剛度愈大，結(jié)構(gòu)的變形就愈小，例如門式剛架是一種由橫梁和柱組成的簡單結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的剛度是由構(gòu)件剛度和構(gòu)件之間加連接形式確定的，例如，橫梁和柱的剛度以及梁柱之間的剛性連接就形成了門式剛架剛度。門式剛架要驗(yàn)算屋面豎向荷載下橫梁的撓度和風(fēng)荷載作用下剛架檐口處的側(cè)向位移

7、，因此在設(shè)計(jì)中要計(jì)算門式剛架抗下?lián)虾涂箓?cè)移的剛度。§ 3 穩(wěn) 定鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分為結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和構(gòu)件的穩(wěn)定兩個(gè)概念。一、 構(gòu)件的穩(wěn)定 一般地說，失穩(wěn)與構(gòu)件承受壓力有關(guān)，因?yàn)樵趬毫ψ饔孟?，桿件會(huì)發(fā)生局部屈曲而導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力降低或全部喪失。一個(gè)夸張的例子能形象地說明這個(gè)現(xiàn)象，一根繩子，不論多么細(xì)，總能承受一定的抗力，但繩子不能承受任何壓力，稍一施壓，繩子便彎曲失穩(wěn)了。受壓失穩(wěn)的現(xiàn)象也同樣發(fā)生在柱與梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。1 柱：壓縮失穩(wěn)a. 短柱 短柱(假定不發(fā)生失穩(wěn))強(qiáng)度為 Nf=Afy (12) Nf-短柱承載能力 A-柱面積 fy-材料的屈服強(qiáng)度圖15 柱受力圖b. 長柱 由于長，柱在壓力

8、N作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，因此柱不但受壓而且受彎。使桿件彎曲的荷載效應(yīng)叫做彎矩。彎矩的大小等于力乘上一個(gè)相關(guān)的距離。在長柱受壓的情況中，彎矩等于力N乘以相應(yīng)的撓度，在跨中截面彎矩M=N×。當(dāng)N增加時(shí)，撓度增大，從而M也增大。當(dāng)N增至其臨界值NE時(shí)，M也增加到相應(yīng)的值。在NE和M的共同作用下，柱子處在失穩(wěn)的平衡點(diǎn)上，任一微小的外界影響都會(huì)導(dǎo)致柱子失穩(wěn)。NE被稱為臨界力，兩端鉸支的彈性柱的臨界力NE為： NE=2EI/L2 (13) 式中3.1416圓周率，E材料的彈性模量 I截面慣性矩僅與截面大小和形狀有關(guān) L柱子長度 柱子愈長，NE愈小，柱子愈短，NE愈大，當(dāng)L小到某值使得NE大于或等

9、于Nf時(shí)，則稱柱子為短柱，短柱不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。由上式可見，NE與屈服強(qiáng)度fy無關(guān)，與彈性模量(變形模量)E有關(guān)。對于長柱，當(dāng)荷載達(dá)到臨界力時(shí)，對應(yīng)的截面上的應(yīng)力一般都小于fy。也就是說 NENf二、 梁的彎曲失穩(wěn)一簡支梁 如前所說，梁在荷載作用下發(fā)生彎曲，一面受拉，一面受壓。在圖1-6所示的簡支梁承受向下荷載的情況下，梁是上面受壓，下面受拉。 如果梁不失穩(wěn)，則梁的抗彎強(qiáng)度可表示為： Mf=Wfy (21) 式中 Mf梁的彎曲承載力 fy材料的屈服強(qiáng)度 W梁截面抗彎模量，僅與梁截面大小和形狀有關(guān) 當(dāng)梁跨度大，而又對受壓翼緣沒有側(cè)向約束時(shí)，梁會(huì)發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞，失穩(wěn)破壞時(shí)的彎矩稱為臨界彎矩。對于

10、對稱截面簡支梁，其臨界彎矩可表示為： ME/L× EIy (GJEIw×2/L2) (2-2)式中，E材料彈性模量， G材料的剪切模量， Iy截面繞y軸(弱軸)的慣性矩，僅與截面大小和形狀有關(guān)， Iw截面抗翹曲常數(shù)，僅與截面大小和形狀有關(guān)， J截面抗扭常數(shù)，僅與截面大小和形狀有關(guān)， L梁受壓區(qū)橫向支撐(約束)的間距，若無支撐則L為梁跨跨長。 由上式可見，ME與材料屈服強(qiáng)度fy無關(guān)，但與L的平方成反比。無側(cè)向支撐時(shí)，梁跨愈大，則臨界彎矩愈小，即梁的承載能力就愈小。三、 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定 穩(wěn)定的結(jié)構(gòu) 1從穩(wěn)定的角度看待結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可分為三種體系a. 可變體系：結(jié)構(gòu)的幾何形狀是可變的，變

11、化可由外界微小的作用引起，作用移開后也不會(huì)恢復(fù)原狀。一個(gè)單鉸柱是可變體系，靠很小的摩擦力直立，用一個(gè)很小的力一推便倒下了。四根桿件用四個(gè)鉸兩兩相連形成一個(gè)矩形結(jié)構(gòu)。在每一個(gè)鉸處，桿件都可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，這也是一個(gè)可變體系。設(shè)想一對力在對角處一拉，則矩形變成了菱形。b. 瞬變體系：瞬變體系實(shí)際上是一種可變體系，之所以稱為瞬變體系是由于它的幾何形狀可變動(dòng)的幅度很小。c. 不變體系：在結(jié)構(gòu)被破壞之前，結(jié)構(gòu)的幾何形狀不會(huì)由于外界作用而改變。三桿用三鉸兩兩相連形成的三角形是一個(gè)簡單的不變體系。體系的可變與不變與結(jié)構(gòu)中桿件的數(shù)量有關(guān)。加一根斜桿(A桿)到上面提到的四桿四鉸可變體系中，結(jié)構(gòu)就變成了不變體系。如果

12、在上述結(jié)構(gòu)中再加一桿，則結(jié)構(gòu)仍是不變體系?，F(xiàn)在設(shè)想荷載加大，直到將A桿拉斷，但其它桿件尚未破壞。結(jié)構(gòu)仍為不變體系，因此可以認(rèn)為維持上述結(jié)構(gòu)為不變體系的桿件最少數(shù)量為5根。桿件數(shù)量多于不變體系要求的最少桿件數(shù)的結(jié)構(gòu)稱為贅余體系。贅余體系是不變體系中的一個(gè)類別。在贅余體系中，個(gè)別桿件的破壞并不意味整個(gè)結(jié)構(gòu)體系就破壞。只要體系是不變的，就仍能承受一定的外荷載。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種典型的贅余體系，其桿件數(shù)量比維持結(jié)構(gòu)為不變體系的最少桿件數(shù)量要多得多。但這并不是說贅余體系的桿件可以任意破壞。一根桿件破壞了，不再承擔(dān)外力，原來由其承擔(dān)的力要由其它桿件分擔(dān)。這就在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了力的重新分配。有些桿件受的力會(huì)增加。如

13、果受力增加的桿件不破壞，則結(jié)構(gòu)仍是安全的。但如果有的桿件由于受的力增加而出現(xiàn)了新的破壞，就可能會(huì)發(fā)生桿件破壞的連鎖反映，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最終破壞。因此，即使是贅余體系也應(yīng)認(rèn)真設(shè)計(jì)。2. 只受拉桿件還有一個(gè)概念問題需要說明：前面提到的桿件都是即可受拉又可受壓，但在實(shí)際工程中，常用到一種只能受拉不能受壓的桿件。例如懸索、鋼絞線、鋼鏈和長而細(xì)的圓鋼(常用直徑范圍為1230mm)。此時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定對桿件數(shù)量的要求會(huì)與荷載方向有關(guān)。仍以四桿鉸節(jié)的結(jié)構(gòu)為例，布置在周邊的四桿均為普通桿，即可承拉又可受壓。在結(jié)構(gòu)的對角線上布置拉桿(只能受拉)。在圖1-10A中，外力與拉桿方向一致，結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。在圖1-10B中，外力與

14、拉桿不在同一對角，導(dǎo)致拉桿受壓，由于拉桿不能承壓，發(fā)生屈曲，結(jié)構(gòu)形狀發(fā)生改變，成為可變體系。在圖1-10C中兩對角處均設(shè)置拉桿，不論外力作用在哪個(gè)方向，結(jié)構(gòu)都是穩(wěn)定的。但此時(shí)與前述相比，維持結(jié)構(gòu)為不變體系的桿件最少數(shù)量不再是5根而是6根。3. 桿件的連接形式。確定結(jié)構(gòu)是否為不變體系的因素不僅僅是桿件的數(shù)量，與桿件之間的連接形式也有關(guān)系。如果在上述四桿可變體系中將任意兩桿相連的節(jié)點(diǎn)由鉸節(jié)改為剛節(jié)點(diǎn)，則結(jié)構(gòu)成為了不變體系。若有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)改為剛節(jié)點(diǎn)，則結(jié)構(gòu)為一次贅余體系。鉸節(jié)點(diǎn)：桿件可繞節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，即各桿的相對角度可任意改變而又不引起桿件受力。剛節(jié)點(diǎn)：桿件不可繞節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。桿件之間的相對角度不發(fā)生變化。兩

15、種節(jié)點(diǎn)相比較，不論是從工程費(fèi)用上還是從施工的難易程度上，鉸節(jié)點(diǎn)要比剛節(jié)點(diǎn)經(jīng)濟(jì)和容易做得多。從圖1-10中就可以看出這一事實(shí)。在施工中，對鉸節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量控制要比控制剛節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量來得容易，因此在工程設(shè)計(jì)中，如果不是由于穩(wěn)定或剛度的要求，節(jié)點(diǎn)多被做成鉸接形式。第二節(jié) 影響廠房結(jié)構(gòu)用鋼的主要因素影響鋼結(jié)構(gòu)用鋼的因素較多，對不同類型的結(jié)構(gòu)，影響用鋼的因素也有區(qū)別和側(cè)重。廠房結(jié)構(gòu)較為簡單，影響因素也容易敘述一些。歸納的因素，對于一般的結(jié)構(gòu)來說有一定的普遍性。§1結(jié)構(gòu)的支撐體系單層單跨廠房結(jié)構(gòu)(門式剛架)也可以看作是由四個(gè)桿件，即兩個(gè)柱，一個(gè)橫梁和大地組成的矩形結(jié)構(gòu)。沒有吊車的單跨廠房，通常用24粒

16、螺栓將柱腳與基礎(chǔ)相連，此時(shí)可將柱腳與基礎(chǔ)(大地)的連接視為鉸接。廠房內(nèi)不可能用斜拉桿，因此柱與屋面必須做成剛接，否則便成了可變體系。沿廠房縱向，也要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在廠房縱向，各門式剛架之間通常在檐口處用剛性系桿鉸接相連。如果不用柱間支撐，在水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)在縱向是可變體系。因此通常做法是在廠房兩頭的第一柱間加上交叉的拉桿支撐，荷載通過剛性系桿傳至支撐再傳至基礎(chǔ)。當(dāng)廠房較長時(shí)，在中間跨或相應(yīng)的跨處也宜布置柱間支撐以免傳力路線大長而使結(jié)構(gòu)的縱向剛度不足。一般地，使用交叉拉桿支撐的間距又宜大于50m。 也許有人會(huì)提出沿廠房縱向亦可做成剛節(jié)點(diǎn)?？梢赃@樣做，但一般不這樣做，并不是由于剛節(jié)點(diǎn)施工麻煩

17、，而主要是用鋼問題。這個(gè)問題可以從下面兩方面看：1 如果要將結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方面(橫向和縱向)做成剛接，H形截面可能不再能使用。如前所述，H形截面在弱軸方向的強(qiáng)度和剛度都太小，比其強(qiáng)軸方向小十幾倍至幾十倍。因此要用到箱形截面或管形截面。 以上圖為例，由于使用支撐，對柱在縱向強(qiáng)度和剛度沒有特別要求，采用H型鋼截面250×300×8×6，每米用鋼量為44.8kg。若取消支撐，采用箱形截面250×300×8×6，每米用鋼量為58.2kg，與H型鋼截面相比，每米用鋼量增加30。2 對于提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，控制結(jié)構(gòu)變形，使用支撐系統(tǒng)更有效，以下的簡單

18、例子可以說明問題：a. 一個(gè)Q235懸臂柱在柱頂作用力P10KN(1.0T)從強(qiáng)度考慮，彎矩為： M10×880KN (2-1) 所要求的最小截面模量WKM/1.4×80×106/215=521×103mm3 式中，K荷載系數(shù)， M荷載引起的彎矩 材料設(shè)計(jì)應(yīng)力用H形截面300×200×8×6 W531×103mm3截面面積A200×8×2284×64904mm2截面在受彎方向的慣性矩I79.7×106mm4用鋼4904×106×8×7850308

19、kg經(jīng)驗(yàn)算，上述截面的穩(wěn)定臨界彎矩大于荷載引起的彎矩，因此所選截面滿足穩(wěn)定要求。b. 現(xiàn)在將上述結(jié)構(gòu)改為一根鉸接柱加上纜風(fēng)拉桿的方案，由上圖可知：拉桿力 NT10kN/cos60o=20kN所需最小面積AKN/1.4×20×103/215130.2mm2 (2-2)K荷載系數(shù)，N荷載引起的桿件力，材料設(shè)計(jì)應(yīng)力Q235直徑16的拉桿面積為201mm2 鉸接柱的力，NC10kn/tg30o=17.32kn試采用圓管截面 102(直徑)×2.5(壁厚)面積781mm2；回轉(zhuǎn)半徑I35.2mm長細(xì)比L/r8000/35.2227.3式中L柱高；r-截面回轉(zhuǎn)半徑受壓穩(wěn)定系數(shù)

20、0.148實(shí)際應(yīng)力KN/A1.4×17.32×103/781×0.148210N/mm2 （2-3）式中，K荷載系數(shù)， N荷載引起的桿件力， A桿件截面面積 實(shí)際應(yīng)力210<設(shè)計(jì)應(yīng)力215N/mm2滿足要求：實(shí)際用鋼(A×L)7850×(781×106×8201×106×8/cos30o) 63.6kg式中，材料凈重， A桿件截面面積，L桿件長度求和號，指對結(jié)構(gòu)中所有桿件的計(jì)算求和。鉸接柱加上拉桿支撐的用鋼，僅為懸臂柱用鋼的20.6%。c. 以上假定柱頂力是作用在某一個(gè)固定的方向。如果力可以作用在任

21、一個(gè)方向，例如風(fēng)荷載，則懸臂柱要設(shè)計(jì)成為管形或箱形截面。箱形截面較圓形截面有效一些。采用正方箱形截面如下： 截面慣性矩：I73.6×106mm4 截面彎曲橫量：W545×103mm3 (>521×103mm3，強(qiáng)度計(jì)算所需截面模量) 面積A6336mm2 用鋼388kg對于鉸接柱要在四個(gè)方向拉上纜風(fēng)拉桿，此時(shí)，用鋼A(781×106×84×201×106×8/cos30o)×7850107.3kg為懸臂柱用鋼的27%。d.從結(jié)構(gòu)變形(剛度)上考慮問題：(1)對于c中的方管懸臂柱在柱頂作用10KN(1

22、噸)水平力時(shí)，柱頂位移為：PL3/3EI=10×83×1012 /3×2.05×105×73.6×106113.1mm(L/70)(2-4) 式中，P力， L柱高， E彈性模量， I截面慣性矩 (2)對鉸接柱加纜風(fēng)的結(jié)構(gòu)，在同樣荷載作用下，柱頂位移為：NNL/EA20×2×8/201×cos30o+17.32×1.732×8/781×106/2.05×10510.5mm (2-5)式中， N荷載引起的桿件力， N單位力在位移方向上引起的桿件力， L桿件長度 E彈性模

23、量A桿件截面面積求和號，指對結(jié)構(gòu)中所有桿件的計(jì)算求和 鉸接柱加纜風(fēng)的結(jié)構(gòu)的位移值是懸臂柱結(jié)構(gòu)的10分之一。懸臂柱的柱頂位移過大，是柱高的70分之一。若將柱頂位移控制在柱高的100分之一，即80mm，則柱截面還要加大。需要的截面為310×6mm，面積為7296mm2，8m長的重量為458kg。鉸接柱加上四條纜風(fēng)拉桿的重量僅為其的23.4%。如果將懸臂柱的柱頂位移也控制在10.5mm左右，則方管截面要做到540×8mm。從以上的計(jì)算比較可見，使用支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用鋼比不使用支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)用鋼要小得多，從而可節(jié)約建筑造價(jià)。但其缺點(diǎn)是支撐系統(tǒng)要占據(jù)一定空間位置，這一點(diǎn)，常與建筑美觀和

24、使用方便產(chǎn)生矛盾。 一個(gè)實(shí)際工程例子非常有效地說明了使用支撐系統(tǒng)節(jié)約用鋼的事實(shí)。馬來西亞一家設(shè)計(jì)事務(wù)所設(shè)計(jì)了一幢三層辦公樓，最初設(shè)計(jì)采用框架結(jié)構(gòu)抵抗水平力(風(fēng)力和地震力)，平均每平方米的用鋼達(dá)到65kg/m2。后改用支撐系統(tǒng)傳遞水平力，平均每平方米的用鋼降到45kg/m2。高層結(jié)構(gòu)的水平力是設(shè)計(jì)中要予以考慮的主要問題之一，支撐系統(tǒng)也被廣泛地使用在高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。下面例舉了國內(nèi)外高層結(jié)構(gòu)的一些例子。圖2-6上圖是美國休斯敦的聯(lián)合銀行大廈的立面和結(jié)構(gòu)體系圖。圖2-6下圖是該大廈支撐體系的大樣圖。圖2-7是香港中銀大廈和廣州某大樓的結(jié)構(gòu)體系圖。這些圖說明了支撐體系在高層中的運(yùn)用。 圖27 帶斜支撐的

25、高層建筑因此，當(dāng)銷售人員與業(yè)主討論結(jié)構(gòu)布局等問題時(shí)，應(yīng)該說明支撐體系的優(yōu)越性和經(jīng)濟(jì)性。有一點(diǎn)應(yīng)予注意，對于雙跨和多跨廠房結(jié)構(gòu)，邊跨必須布置縱向柱間支撐的要求，已在前面提到，中間跨在原則上亦應(yīng)布置縱向柱間支撐，只有當(dāng)兩跨跨度之和較小(例如小于40M)，且無吊車荷載，而邊跨剛度相對較大時(shí)，經(jīng)計(jì)算后可以略去中間跨的柱間支撐。有時(shí)由于使用上的要求，例如門和通道等，十字形斜撐不能使用。國內(nèi)外工程師們創(chuàng)造使用了不同形式的支撐。這些支撐的共同特點(diǎn)是支撐桿件直接與柱腳或基礎(chǔ)相連，以將上部結(jié)構(gòu)承受的水平力直接傳入基礎(chǔ)。§2 荷載不言而喻，荷載的大小對于結(jié)構(gòu)用鋼有著直接的影響。荷載增加，用鋼會(huì)隨之增加。

26、這是一個(gè)定性的概念。但增加多少，則不容易給出一個(gè)確切的回答。荷載雖然與截面應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形成正比例，但并不一定與截面尺寸和用鋼量成正比。以下仍以門式剛架為例。先說明一下幾個(gè)名詞的意義：屋面恒載-指屋面板和檁條重量。屋面吊載-指另掛在屋面系統(tǒng)上的附加荷載，通常有防火噴水裝置，燈光照明，通風(fēng)排氣裝置，空調(diào)管道等。有時(shí)還由于工藝上的特別要求，在屋面系統(tǒng)上懸掛其它附加荷載。屋面活載-指屋面施工或檢修產(chǎn)生的荷載，當(dāng)施工檢修完畢，荷載便不存在了。上述荷載中屋面恒載是容易確定的，屋面活載按規(guī)范取值。但附加吊載則常因廠房而異，且常在初步設(shè)計(jì)階段不明確，應(yīng)在投標(biāo)中予以特別注意。1 單層單跨門式剛架1：18M跨，6

27、M柱距，7M檐高a. 0.2kN/M2屋面荷載0.2kN/M2附加吊載0.3kN/M2屋面活載， 單榀剛架用鋼為1.39T（噸），折成每平方米重量為12.9kg/M2。b. 0.2kN/M2屋面荷載0.5kN/M2附加吊載0.3kN/M2屋面活載， 單榀剛架用鋼為1.63T（噸），折成每平方米重量為15.1kg/M2。c. 0.2kN/M2屋面荷載0.8kN/M2附加吊載0.3kN/M2屋面活載， 單榀剛架用鋼為1.73T（噸），折成每平方米重量為16.0kg/M2。2 單層單跨門式剛架2： 36M跨，6M柱距，7M檐高a. 0.2kN/M2屋面荷載0.2kN/M2附加吊載0.3kN/M2屋面

28、活載， 單榀剛架用鋼為4.19T（噸），折成每平方米重量為19.4kg/M2。b. 0.2kN/M2屋面荷載0.5kN/M2附加吊載0.3kN/M2屋面活載， 單榀剛架用鋼為4.85T（噸），折成每平方米重量為22.5kg/M2。c. 0.2kN/M2屋面荷載0.8kN/M2附加吊載0.3kN/M2屋面活載， 單榀剛架用鋼為5.29T（噸），折成每平方米重量為24.5kg/M2。將上面兩個(gè)例子的剛架用鋼作一個(gè)比較，可以看到當(dāng)附加吊載從0.2kN/M2增加到0.5kN/M2，即增值為0.3kN/M2時(shí)，剛架重量提高1.17倍左右。當(dāng)附加吊載增值為0.6kN/M2時(shí)，剛架重量提高1.25倍左右。由

29、此可見用鋼隨荷載的增加是非常顯著的。銷售人員和設(shè)計(jì)人員在收集初步設(shè)計(jì)資料時(shí)應(yīng)盡可能將荷載情況了解清楚。因?yàn)楹奢d對用鋼的影響很大。荷載估計(jì)不足則導(dǎo)致初步報(bào)價(jià)偏低，會(huì)做賠本生意。荷載估計(jì)過高，則報(bào)價(jià)過高，不易中標(biāo)。此外荷載的大小直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全乃至用戶的生命財(cái)產(chǎn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須慎重荷載的取值，應(yīng)從業(yè)主或設(shè)計(jì)院得到文字依據(jù)。§3 結(jié)構(gòu)跨度從前面的例子中，可以看到廠房跨度對用鋼的影響?？缍却?，用鋼也大。下面展示了單層單跨廠房(6M柱距，7M檐高)的主剛架用鋼(折成每平方米重量)在不同屋面吊載下隨跨度變化的曲線。圖29 主鋼跨度變化曲線圖示非常明確地顯示了每平方米主鋼用鋼量隨跨度增加而增長

30、的現(xiàn)象。例如在屋面附加吊載為0.2kN/M2時(shí)，用鋼量由18M跨每平米13kg/M2增至45M跨每平米25kg/M2。上述描述是指廠房的總跨度增加，用鋼隨之增加的情況。下面再舉例說明當(dāng)廠房總跨度不變時(shí)，增設(shè)中間柱對用鋼的影響。這是一個(gè)常被顧客問及或是銷售人員應(yīng)主動(dòng)向顧客介紹的內(nèi)容。以下是5組算例的數(shù)據(jù)，這些算例除跨度不同外，柱距均為6M，檐高亦為6M。廠房總寬度 跨度分布 每平方米用鋼(kg/m2)136M 1818M (二跨) 11.3 36M (一跨) 18.32. 42M 1824M (二跨) 13.1 42M (一跨) 21.73. 60M 1824+18M(三跨) 11.7 30+3

31、0M (二跨) 15.64. 72M 2424+24M(三跨) 11.7 36+36M (二跨) 20.65. 90M 3030+30M(三跨) 16.2 45+45M (二跨) 23.2 以上每平方米用鋼為主剛架用鋼折算成每平方米的重量(不包含支撐、系桿、山墻柱等次鋼重量)，以上的對比表現(xiàn)，增加中間柱，減少廠房跨度，降低用鋼的效果非常顯著。當(dāng)然設(shè)不設(shè)中間柱要根據(jù)工藝等各方面的要求作綜合考慮。在方案確定之前，向業(yè)主(建設(shè)方)提供專業(yè)咨詢信息，幫助業(yè)主合理安排建設(shè)資金應(yīng)該是會(huì)受到業(yè)主歡迎的。§4 柱距 不少研究都表明，剛架折成每平方米的重量隨著柱距的增加而減少。減少的趨勢會(huì)隨著柱距的增

32、加而趨于平緩。這是因?yàn)椋环矫嬷嘣黾?，每榀剛架的受荷面積隨之增加，剛架梁、柱的截面尺寸，從而單榀剛架的重量亦會(huì)隨之增大。另一方面，由于柱距增加，跨度不變，則剛架折成每平方米的重量隨著面積增大而減小。當(dāng)柱距不大時(shí)，例如從6M增至8M，單榀剛架荷載增加不很大，單榀剛架的重量增加亦不很大，因此折成每平方米的重量減少較為明顯，當(dāng)柱距進(jìn)一步增加(例如超過9M)，單榀剛架的重量隨著荷載的進(jìn)一步增大而增幅較大，折算到每平方米的重量的減少就不是很明顯了，減少趨勢趨于平緩。下面的一組數(shù)據(jù)說明了這一現(xiàn)象。 以一30M跨，7M檐高的單層單跨廠房為例。結(jié)構(gòu)的荷載為：屋面恒載0.2kN/M2，附加吊載0.2kN/M2

33、，屋面活載為0.3kN/M2，基本風(fēng)壓為0.5kN/M2，雪壓為0.3kN/M2。 柱距(M) 6M 7M 8M 9M 剛架用鋼(kg/m2) 17.7 15.7 14.2 13.2 結(jié)構(gòu)用鋼(kg/m2) 25.0 23.3 22.1 21.6 剛架用鋼僅指門式剛架用鋼，結(jié)構(gòu)用鋼中包括檁條以外的所有其它結(jié)構(gòu)用鋼，例如支撐、系桿、隅撐、山墻柱、門框和女兒墻等。 上述用鋼比較可以看出用鋼差值隨柱距增加而減少的趨勢，但仍然不能說明最終的問題，因?yàn)闆]有將檁條的用鋼考慮在內(nèi)。柱距就是檁條的跨度，檁條的用鋼是絕對隨跨度增加而增加的，仍以上述廠房為例，采用由一家澳大利亞公司所制Q235檁條設(shè)計(jì)表格為依據(jù)，

34、所選檁條如下： 屋面檁條(Z型連續(xù)) 柱距(M) 6M 7M 8M 9M 檁條規(guī)格(mm) Z150-20 Z200-16 Z200-20 Z250-20 檁距(mm) 1700 1500 1500 1500檁條每米重量(kg/m) 4.72 4.75 6.00 6.59折成每平方米重量(kg/m2) 2.78 3.17 4.00 4.39 墻面檁條(C型簡支) 柱距(M) 6M 7M 8M 9M 檁條規(guī)格(mm) C200-16 C200-20 C250-20 C250-25 檁距(mm) 1750 1750 1750 1400檁條每米重量(kg/m) 4.75 6.00 6.59 6.59

35、折成每平方米重量(kg/m2) 1.58 2.00 2.20 2.64結(jié)構(gòu)用鋼加上檁條用鋼得到總用鋼： 柱距(M) 6M 7M 8M 9M總用鋼 29.4 28.5 28.3 28.6以上例子說明了結(jié)構(gòu)用鋼隨柱距變化的趨勢。一些其它公司的研究也得出了類似的結(jié)論，例如天津萬力特的研究指出從綜合經(jīng)濟(jì)分析的角度看，當(dāng)柱高6M，跨度范圍為1836M時(shí)，最優(yōu)剛架間距(柱距)為67.5M。上海ABC公司的研究文章指出，對于無吊車輕鋼結(jié)構(gòu)體系的柱距取為7.58m之間是合理的，有吊車的輕鋼結(jié)構(gòu)的理想柱距為7.5m左右。這時(shí)結(jié)構(gòu)用鋼量相對較低，可以得到較好的經(jīng)濟(jì)效益。各家對理想柱距的定義范圍略有不同，這是因?yàn)檠芯繒r(shí)使用的荷載情況、檐高、跨度、計(jì)算軟件以及依據(jù)的規(guī)范的不同。從這些研究中可以得出一個(gè)大致的結(jié)論，在通常使用的跨度范圍內(nèi)，7.5m左右的柱距可能得到較好的經(jīng)濟(jì)效果，超過9m以后，結(jié)構(gòu)用鋼會(huì)明顯增加。§5 檐高當(dāng)荷載跨度、柱距等因素相同時(shí)，檐高(柱長度)愈