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《钢结构设计标准》解说专题(2)——新术语解释

2019-04-01  zhaxx

《钢结构设计标准》(“钢标”)翻到第2页就能看到术语一节。在原“钢规”的基础上,“钢标”增加了不少的新术语。显然新术语和“钢标”的条文内容直接相关,本专题对其中关键的一些术语进行解释和说明。

一、正则化长细比或正则化宽厚比 normalized slenderness ratio

实际上这只是名称的修改和延伸。

原“钢规”中有“通用高厚比 normalized web slenderness”,从英文翻译可以看到,实际上它代表的是腹板高厚比,主要是梁腹板局部稳定计算时用的。新术语名称改为了稳定理论中常用的术语“正则化”,同时由于板件稳定不光是腹板,于是弃用“高厚比”,改用更通用的“宽厚比”一词。

“钢标”对其定义没变正则化长细比或正则化宽厚比 normalized slenderness ratio——参数,其值等于钢材受弯、受剪或受压屈服强度除以相应的腹板抗弯、抗剪或局部承压弹性屈曲应力之商的平方根。这是稳定理论中对于正则化类参数的标准解释,简单讲就是钢材强度与稳定应力的比值,这样把稳定问题中不同强度的影响剥离,只剩下稳定因素自身。正则化长细比/宽厚比的值越大,越容易失稳,而理想状态下的临界值是1.0:如果大于1.0,表示构件或板件的弹性屈曲在达到屈服强度值之前;小于1.0,则可达到材料屈服强度,而不发生弹性屈曲,只能在弹塑性阶段发生非弹性屈曲。如果用上一个专题讲的截面板件宽厚比等级来说,那么,S4级截面的限值状态,对应的就是抗弯的正则化宽厚比为1.0。

二、直接分析设计法 direct analysis method of design

即,直接考虑对结构稳定性和强度性能有显著影响的初始几何缺陷、残余应力、材料非线性、节点连接刚度等因素,以整个结构体系为对象进行二阶非线性分析的设计方法

这是本次“钢标”新引进的与国外规范接轨的计算方法。从稳定理论来说,道理很简单,把影响结构稳定的主要因素在计算模型中考虑,直接进行结构的受力分析,应该就能把握结构的整体稳定。经典的钢结构稳定教科书中都有这个方法。

大家知道,老“钢规”的柱子曲线也是考虑了这些缺陷以后得到的稳定系数,然后把结构的整体稳定化解为构件层面的稳定考虑,俗称计算长度法。当然,原来的计算长度法只是对某些结构适用,或者说它有几个适用的前提条件,这也就是为啥还要直接分析设计法的原因。

关于“钢标”直接分析设计法,目前从规范条文层面存在一点争议,就是关于长细比的限值问题。“钢规”、“抗规”等由于种种原因,规定了一些构件的长细比值。而计算长细比又是基于传统的计算长度法根据计算长度系数得到的。目前“钢标”虽然给了直接计算分析法,但计算长度限值的规定依旧存在,此时的计算长度限值如何考虑,成了问题。个人意见是,实际上长细比本身就是构造要求,是稳定计算不成熟条件下的一个补充而已。如果按直接分析设计法,那就干脆放开那些长细比构造要求,最多,仅仅对几何长细比(按构件自然长度的长细比)作一些限值规定,而且可以放得很宽。

另外,设计单位目前在操作层面还存在一点问题,也就是,如何在计算程序中实现直接分析(貌似现在好多结构工程师=计算软件操作员+CAD描图员,不能一键搞定的免谈)。但这个似乎只是暂时的问题,不算大问题,我想,万能的PK等等,会很快解决这个问题的吧。是不是真的算得准,嘿嘿,你问我?我哪知道?!

三、关于支撑框架

无支撑框架、支撑结构、框架-支撑结构,强支撑框架,支撑系统,这是相关的几个术语,有必要放在一起扯扯。

前面已出的规范,包括“抗规”等等,更严重的是在工程技术人员的理解中,已经把所谓的“框架”概念给模糊化了——“框架”,可以是纯框架、支撑框架,更可以是框架-支撑。这种模糊化导致了抗规等规范条文在应用上的模糊。比如,纯框架的抗震构造要求,和支撑结构、框架-支撑是有很大区别的,因为耗能模式完全不同。这个具体在第五个术语“塑性耗能区”中具体说。

先说一下各自的定义:

无支撑框架 unbraced frame——利用节点和构件的抗弯能力抵抗荷载的结构。其实就是纯框架,受力特征是靠构件节点的抗弯刚度来形成抗侧力结构体系,典型如门式刚架

支撑结构 bracing structure——在梁柱构件所在的平面内,沿斜向设置支撑构件,以支撑轴向刚度抵抗侧向荷载的结构。实际这就是纯支撑结构,支撑拿掉了,结构抗侧力体系就没了,类似于脚手架,没东西扶着它,就倒了。

框架-支撑结构 frame- bracing structure——由框架及支撑共同组成抗侧力体系的结构

在我们的抗震规范中,因为要求双重抗侧力体系,如果支撑坏了,框架部分还能承担一些侧向力。因此,上述的纯支撑结构由于缺少框架部分的抗侧刚度,是被排斥使用的(实际工程中往往给禁止使用)。但工程实践中又存在不少这样的结构形式,尤其是构筑物,比如支架。当然,国外规范中存在这类结构,比如美国的建筑钢结构抗震规范AISC 341,严格区分单一抗侧力体系和双重抗侧力体系。而上述的支撑结构就是其中的单一抗侧力体系。我们“抗规”中的框架-支撑,是双重抗侧力体系,等于无支撑框架和支撑结构的组合。

强支撑框架 frame braced with strong bracing system——在框架-支撑中,支撑结构(支撑桁架、剪力墙、筒体等)的抗侧移刚度较大,可将该框架视为无侧移的框架

强支撑框架,大家都知道,就是强的支撑框架呗。这不废话吗?强支撑框架,是跟弱支撑框架相对应的。从本质上说,强与弱,对应的是不同的失稳模式,而不是真的侧移大小,也就是稳定理论中讲的无侧移和有侧移框架。顺便说一句,98版“高钢规”曾经规定层间位移角小于1/1000就可按无侧移计算,从稳定理论来说,似乎是不大合适的。

“钢标”本来是有弱支撑的,征求意见稿大家都能看到。考虑到不推荐采用弱支撑框架,最终取消了弱支撑框架柱稳定系数计算公式。另外还有个事实,一旦设置了支撑,常见的一般框架-支撑结构,都是强支撑。

支撑系统 bracing system——由支撑及传递其内力的梁(包括基础梁)、柱组成的抗侧力系统

这是一个新的概念,强调支撑不是俩斜杆就能成结构体系,而是必须由一个完整的体系才能形成支撑系统,才能起抗侧作用。结构设计时,必须关注整个系统。缺了任何一环,支撑体系就不成立。

四、畸变屈曲

畸变屈曲 distorsional buckling——截面形状发生变化、且板件与板件的交线至少有一条会产生位移的屈曲形式

看一下图就明白了。

对于框架结构的梁,上翼缘铺板,正弯矩区没有稳定问题,但负弯矩区的下翼缘有稳定问题,就是上图的畸变屈曲。以往我们的规范中都没考虑,而国外规范已有这个规定。畸变屈曲相关的研究内容可以参考童根树教授的专著《钢结构的平面外稳定》。

“钢标”6.2.7条就是针对框架主梁负弯矩区畸变屈曲新增加的规定。将下翼缘作为压杆,腹板作为对下翼缘提供侧向弹性支撑的部件,上翼缘看成固定,给出了一个简单的畸变屈曲的临界应力公式,同时给出了需要考虑畸变屈曲的情况以及不满足时的做法。
    “钢标”抗震设计第17章的相应章节,也有关于框架梁梁端负弯矩区畸变屈曲的相关要求。

五、塑性耗能区、弹性区

先看看定义:

塑性耗能区 plastic energy dissipative zone——在强烈地震作用下,结构构件首先进入塑性变形并消耗能量的区域

弹性区 elastic region——在强烈地震作用下,结构构件仍处于弹性工作状态的区域

用大白话说,塑性耗能区就是大的地震下面进入塑性并且耗散地震输入能量的构件部分。那么,弹性区就是,咋震,都不进入塑性的构件部分。因此,按这么说,其实抗震结构分两部分:塑性耗能区vs非塑性耗能区,非塑性耗能区也可以设计成弹性区,当然也可以存在一些可能的或者说潜在的塑性区。

不同区域,抗震的做法和要求也不同。抗震设计思路是进行塑性机构控制,可以说,整个“钢标”第17章的抗震,基本都是围绕塑性耗能区写的,从性能等级目标、延性等级、抗震计算到抗震构造。非塑性耗能区的构件和节点设计,是根据既定的结构体系和塑性耗能区性能,再确定相应如何进行设计。

因此,有必要来具体说说整个钢结构体系中,哪儿是塑性耗能区。当然也需要注意,塑性耗能区是和抗震设计的意图是相关的,说白了,就是还得结合你设计时候,想让哪儿塑性耗能。

对于纯框架结构,大家最熟悉,都知道就是啥地方能形成塑性铰,那就是塑性耗能区,一般就是梁柱节点附近以及柱脚。但是对于抗震设计来说,希望保证“强柱弱梁”和防止形成倒塌机构,那么一般是把除单层和顶层框架外的框架梁端设计为塑性耗能区。

支撑结构,上面说了,就是支撑在抵抗侧向力。那么,塑性耗能区其实就是那个支撑了。从抗震性能而言,希望是把成对设置的支撑设计为塑性耗能区。

框架-中心支撑结构,按上述的双重抗侧力体系设计目标,塑性耗能区那就是成对设置的支撑和框架的梁端。

框架-偏心支撑结构,对于支撑框架的部分,肯定是剪切屈服的耗能梁段。而框架的梁端塑性铰区,肯定也是塑性耗能区。

其余比如设置了阻尼器的框架,那毫无疑问,首先屈服的阻尼器就是塑性耗能区。

六、焊接截面 welded section

知道这个术语在老“钢规”叫啥吗?——叫“组合构件 built-up member”。

啥?一定会有好多人觉得很奇怪:“组合构件”,不是那个啥钢和混凝土组合的东东?不信?翻开老“钢规”,组合构件 built-up member——由一块以上的钢板(或型钢)相互连接组成的构件,如工字形截面或箱形截面组合梁或柱

本来没想把这个列出来,但是想想工作中真就有好多人问我“钢规”的组合构件到底咋回事,就说说吧。

这应该是历史上延续过来的,最早钢结构分型钢和钢板、型钢组合焊接的构件,而当初钢-混凝土组合结构也少,于是命名叫“组合构件”,一直在“钢规”中延续。“钢标”修编可能发现容易歧义,改了。

(PS,前段时间太忙一直没更新。国庆放假,草草写成,可能解释不够深入到位,欢迎回复,讨论,掰扯!)

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