2010年岩土工程师：影响钢构用钢量的主要因素（3）

影响厂房结构用钢的主要因素
影响钢结构用钢的因素较多，对不同类型的结构，影响用钢的因素也有区别和侧重。厂房结构较为简单，影响因素也容易叙述一些。归纳的因素，对于一般的结构来说有一定的普遍性。
1结构的支撑体系
单层单跨厂房结构(门式刚架)也可以看作是由四个杆件，即两个柱，一个横梁和大地组成的矩形结构。没有吊车的单跨厂房，通常用2～4粒螺栓将柱脚与基础相连，此时可将柱脚与基础(大地)的连接视为铰接。厂房内不可能用斜拉杆，因此柱与屋面必须做成刚接，否则便成了可变体系。
沿厂房纵向，也要考虑结构的稳定。在厂房纵向，各门式刚架之间通常在檐口处用刚性系杆铰接相连。如果不用柱间支撑，在水平荷载作用下，结构在纵向是可变体系。因此通常做法是在厂房两头的第一柱间加上交叉的拉杆支撑，荷载通过刚性系杆传至支撑再传至基础。当厂房较长时，在中间跨或相应的跨处也宜布置柱间支撑以免传力路线大长而使结构的纵向刚度不足。一般地，使用交叉拉杆支撑的间距又宜大于50m。
也许有人会提出沿厂房纵向亦可做成刚节点。可以这样做，但一般不这样做，并不是由于刚节点施工麻烦，而主要是用钢问题。这个问题可以从下面两方面看：
如果要将结构在两个方面(横向和纵向)做成刚接，H形截面可能不再能使用。如前所述，H形截面在弱轴方向的强度和刚度都太小，比其强轴方向小十几倍至几十倍。因此要用到箱形截面或管形截面。
由于使用支撑，对柱在纵向强度和刚度没有特别要求，采用H型钢截面250×300×8×6，每米用钢量为44.8kg。若取消支撑，采用箱形截面250×300×8×6，每米用钢量为58.2kg，与H型钢截面相比，每米用钢量增加30％。
对于提高结构强度和刚度，控制结构变形，使用支撑系统更有效，以下的简单例子可以说明问题：
一个Q235悬臂柱在柱顶作用力P＝10KN(1.0T)
从强度考虑，弯矩为：
M＝10×8＝80KN (2-1)
所要求的最小截面模量W＝KM/[σ]＝1.4×80×106/215=521×103mm3
式中，K－荷载系数，
M－荷载引起的弯矩
σ－材料设计应力
用H形截面300×200×8×6 W＝531×103mm3
截面面积A＝200×8×2＋284×6＝4904mm2
截面在受弯方向的惯性矩I＝79.7×106mm4
用钢＝4904×10－6×8×7850＝308kg
经验算，上述截面的稳定临界弯矩大于荷载引起的弯矩，因此所选截面满足稳定要求。
现在将上述结构改为一根铰接柱加上缆风拉杆的方案，由上图可知：
拉杆力 NT＝10kN/cos60o=20kN
所需最小面积A＝KN/[σ]＝1.4×20×103/215＝130.2mm2 (2-2)
K－荷载系数，
N－荷载引起的杆件力，
σ－材料设计应力
Q235直径16的拉杆面积为201mm2
铰接柱的力，NC＝10kn/tg30o=17.32kn
试采用圆管截面 102(直径)×2.5(壁厚)
面积＝781mm2；回转半径I＝35.2mm
长细比λ＝L/r＝8000/35.2＝227.3
式中L－柱高；r-截面回转半径
受压稳定系数φ＝0.148
实际应力σ＝KN/A＝1.4×17.32×103/781×0.148＝210N/mm2 （2-3）
式中，K－荷载系数，
N－荷载引起的杆件力，
A－杆件截面面积
实际应力σ＝210<设计应力＝215N/mm2
满足要求：
实际用钢＝γΣ(A×L)＝7850×(781×10－6×8＋201×10－6×8/cos30o)
＝ 63.6kg
式中，γ－材料净重，
A－杆件截面面积，
L－杆件长度
Σ－求和号，指对结构中所有杆件的计算求和。
铰接柱加上拉杆支撑的用钢，仅为悬臂柱用钢的20.6%。
以上假定柱顶力是作用在某一个固定的方向。如果力可以作用在任一个方向，例如风荷载，则悬臂柱要设计成为管形或箱形截面。箱形截面较圆形截面有效一些。采用正方箱形截面如下：
截面惯性矩：I＝73.6×106mm4
截面弯曲横量：W＝545×103mm3

本新闻共2页,当前在第1页 1 2