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關鍵詞:鋼結構；廠房設計；剛架計算
中圖分類號：TU391文獻標識碼： A
一、鋼結構體系
該工程所在地為非采暖地區(qū)，按照《鋼結構設計規(guī)范》表 8.1.5，廠房縱向溫度區(qū)段長度控制值為220 m,橫向溫度區(qū)段長度控制值為 120 m(柱頂為剛接)。廠房縱向長度為 300 m，需在中部設一道溫度縫，橫向寬度為180 m，其中低跨部分 120 m,高跨部分 60 m。 考慮到高低跨對溫度應力的釋放作用，且低跨 120 m 未超長，故僅構造上加強，不設溫度縫。加強做法如下:（1）對邊柱的應力進行適當控制，使其上階柱(型鋼柱)應力比不大于 0.9；（2）梁節(jié)點設計時，軸拉力設計值增大 10%，以加強屋面梁連接節(jié)點。廠房屋蓋在兩端及 1/3 溫度區(qū)段處布置橫向水平支撐及柱間支撐,縱向則隔跨布置縱向水平支撐，高跨和低跨按各自的標高與橫向水平支撐組成相對獨立的封閉支撐體系。
二、鋼管混凝土格構柱的選用
2.1 鋼管混凝土柱的特點
由于鋼管對其內部混凝土的約束作用，在軸壓力作用下，鋼管混凝土柱內部混凝土處于三向受壓狀態(tài)， 不但提高了鋼管混凝土柱的抗壓承載力，具有較好的塑性變形能力，而且在承受沖擊荷載和振動荷載時，也具有很好的韌性。與普通鋼柱相比，鋼管柱柱腳零件少，焊縫短，可以直接插入混凝土基礎的預留杯口中，免去了復雜的柱腳構造，但是鋼管內部特別是節(jié)點處混凝土的密實性比較難以控制。從觀感上看，鋼管混凝土格構柱比型鋼格構柱更美觀。
2.2 經濟性比較
該工程初設時，對鋼管混凝土格構柱和型鋼格構柱的經濟性作了比較，在不同柱距下的材料用量詳見表 1 從不同柱距的結果來看，當柱距增大時，主體用鋼量先降低再增長，而吊車梁用鋼量保持上升趨勢，且幅度較大，導致總用鋼量先緩慢降低再迅速增長，管樁的用量則由于柱子數(shù)量的顯著減少而降低；從不同材料來看，鋼管混凝土柱的抗壓性能比較好，隨著柱距增大，其性能優(yōu)勢漸漸得到發(fā)揮，其經濟性也逐漸得到體現(xiàn)。
注:此用鋼量僅為估算
由于該工程低跨部分吊車噸位較小，從整體考慮，鋼管混凝土柱的經濟性優(yōu)勢并不顯著，但考慮到美觀及施工等原因，結合上部用鋼量和基礎造價進行比較，最終選用柱距為 9 m 的鋼管混凝土格構柱。
三、剛架構造要求及依據(jù)
3.1 型鋼柱、梁板件寬厚比控制
抗規(guī) 9.2.14.2 條規(guī)定:輕屋蓋廠房，塑性耗能區(qū)板件寬厚比限值可根據(jù)其承載力的高低按性能目標確定。 塑性耗能區(qū)外的板件寬厚比限制，可采用現(xiàn)行《鋼結構設計規(guī)范》彈性設計階段的板件寬厚比限值（注:腹板的寬厚比可通過設置縱向加勁肋減?。？挂?guī) 9.2.14.2 條文說明規(guī)定:C 類定義:當構件的強度和穩(wěn)定的承載力均滿足高承載力（2 倍多遇地震作用下的要求）時，可采用現(xiàn)行《鋼結構設計規(guī)范》彈性設計階段的板件寬厚比限值，即 C 類。C 類寬厚比要求:C 類是指現(xiàn)行《鋼結構設計規(guī)范》GB 50017 按彈性準則設計時腹板不發(fā)生局部屈曲的情況。從以上條文可知，該工程可以按照 C 類截面要求進行性能化設計， 其中耗能區(qū)段可以參照抗規(guī)9.2.11 條文說明對剛架梁端最大應力區(qū)的規(guī)定，取距梁端 1/10 梁凈跨和 1.5 倍梁高中的較大值。
3.2 鋼管混凝土格構柱設計
目前，有關鋼管混凝土格構柱設計的主要參考規(guī)范為:①《鋼結構設計規(guī)范》（GB 50017-2003）、②《 鋼 管 混 凝 土 結 構 設 計 與 施 工 規(guī) 程 》 （CECS 28:2012）、③ 《 鋼―混凝土組合結 構設計規(guī)程 》 （DL/T5085-1999），其中《鋼結構設計規(guī)范》僅對鋼管結構的構造與鋼管桿件的計算提出了要求（格構柱綴件構造與計算）。
（1）材料要求
該工程采用的是螺旋焊接管， 螺旋焊接管常用規(guī)格如下:D219×6~8，D273×6~8，D325×6~8，D377×6 ~10，D426 ×6 ~10，D478 ×6 ~10，D529 ×6 ~10，D630×6~10,D720×6~12 等。在材料上規(guī)范③的 6.2.4 條明確提出,鋼管內混凝土的強度等級不宜低于 C30，可參照下列材料組合:Q235 鋼 配 C30 或 C40 級 混 凝 土 ；Q345 鋼 配C40、C50 或 C60 級 混凝土 ；Q390 配 C50 或 C60 級以上的混凝土。 同時，構件截面的套箍系數(shù)標準值不宜小于 0.5。
（2）鋼管構造
1）在外徑與壁厚之比 d/t 及壁厚等構造上,各本規(guī)范有不同的規(guī)定: 規(guī)范①規(guī)定 d/t 不應超過 100（235/fy）；規(guī)范②規(guī)定 d/t 限制在（20~135）235/fy 之間，且外徑不宜小于 200 mm，壁厚不宜小于 4 mm；規(guī)范③規(guī)定 d/t 限制在 20~100（注意無強度調整,即含鋼率控制在 0.2~0.04）之間，且外徑不宜小于 100mm，壁厚不宜小于 4 mm。 該工程設計時結合三者，控制 d/t 不應超過 100（235/fy），且主管(帶混凝土)壁厚不小于 4 mm。2）規(guī)范③6.4.10 條規(guī)定了格構式柱腹桿的形式及構造，本工程所采用的是斜腹桿格構式柱，主要要求如下:①斜腹桿與柱肢軸線間夾角宜為 40~60 度；②桿件軸線宜交于節(jié)點中心；腹桿軸線交點與柱肢軸線距離不宜大于 d/4,當大于 d/4 時，應考慮其偏心影響；③腹桿端部凈距不小于 50 mm。
3.3 其他構造要求
（1）分離式柱子
當?shù)踯噰嵨辉?5t及75t以上時，不適合采用牛腿來支承吊車梁，宜在下層吊車梁下設單獨的吊車肢。
（2） 鋼吊車梁的材質要求
《鋼結構設計規(guī)范》3.3.4 條規(guī)定吊車起重量不小于50t的中級工作制吊車梁，對鋼材沖擊韌性的要求應與需要驗算疲勞的構件相同。
3.4 工程采用的剛架及部分節(jié)點大樣
（1）考慮到荷載較小,該工程采用雙肢格構柱，鋼管柱材質為 Q345B,鋼管柱綴條采用 Q235B,鋼管柱柱肢內均澆灌微膨脹 C40 混凝土
（2）施工方法采用泵送頂升澆灌法,在鋼管接近地面的適當位置設灌注孔，鋼管內混凝土必須一次性連續(xù)澆灌完畢,一定要保證密實,待混凝土強度達到設計要求后,再將灌注孔、排氣孔等補強補焊。
（3）考慮到結構經濟性及施工便利性，鋼管柱采用插入式柱腳與杯口基礎連接。
四、剛架計算
（1）柱頂位移要求《鋼結構設計規(guī)范 》附錄 A.2.1“在 風荷載標準值作用下，框架柱頂水平位移和層間位移不宜超過下列數(shù)值: 有橋式吊車的單層框架的柱頂位移≤H/400”。
（2）行車水平荷載作用下的側向位移
《鋼結構設計規(guī)范》 沒有關于中級工作制行車鋼結構廠房的在行車水平荷載作用下側向位移的限值要求，根據(jù)經驗，在滿足行車正常運行的前提下，按平面結構圖形計算，吊車梁頂面標高處，由一臺最大吊車水平荷載（按荷載規(guī)范）所產生的計算變形值，不宜超過下述容許值:100 t 行車 1/850150 t 及以上 1/1 250
（3）撓度要求屋面梁撓度限值取 1/250， 主要考慮重型吊車的原因，對屋面的剛度做適當加強。
（4）長細比要求構件長細比按照《鋼結構設計規(guī)范》表 5.3.8 及表 5.3.9 要求,其中重型吊車以下柱間支撐的長細比按拉桿計算，且不考慮壓桿的卸載作用。
（5）該工程剛架計算
采用 PKPM 軟件進行剛架計算時，需注意圖中所示的應力比為構件考慮長細比影響的整體承載力折減系數(shù),及偏心影響的整體承載力折減系數(shù)后，其作用軸力與整體承載力的比值。 在此比值滿足要求的同時，尚應確認單管作用力與承載力的比值滿足要求，易出現(xiàn)整體計算滿足要求而單管軸壓比超出的情況。
參考文獻:
[1] GB 50017-2003,鋼結構設計規(guī)范
【關鍵詞】混凝土柱;輕鋼屋面;倉庫設計
0.前言
單層倉庫采用的結構形式，隨著跨度和高度的不同，常用的結構形式有框架結構、門式鋼架結構和混合排架結構三種。混合排架結構采用混凝土柱，實腹鋼梁，屋蓋采用壓型鋼板屋面板和冷彎型鋼檁條?；旌吓偶芙Y構具有防火、防腐、造價低等優(yōu)點，所以在近幾年國內的實際應用中較為常見。
混合排架宜為單層單跨結構，有帶拱拉桿或不帶拱拉桿兩種形式，拱腳與混凝土柱頂鉸接。亦可為單層雙跨或單層多跨結構。
混合排架的跨度不宜大于24m，檐口高度不宜大于15m，屋面坡度宜取1/8～1/12，雨水較多的地區(qū)宜取其中的較大值。
1.計算程序
設計這類結構仍是用STS里面門式剛架的程序來計算，建模的順序跟設計門式剛架一樣，但由于混凝土柱與鋼梁的連接處理難以達到剛接連接，因此梁柱的連接一般采用鉸接連接形式，而一般門式剛架結構邊剛架柱與梁的連接均采用剛接連接形式，由于連接形式的不同，致使這種體系單榀剛架的受力截然不同于一般的門式剛架，設計時不能簡單的把門式剛架的鋼柱替換為混凝土柱，應根據(jù)這類結構體系的特殊性有針對的進行設計。
2.連接形式
混凝土柱與鋼梁采用鉸接連接，混凝土柱底采用剛接，多跨情況下的中間混凝土柱與鋼梁的連接采用鋼梁連續(xù)，混凝土柱鉸撐于鋼梁底面。
3.規(guī)范選擇
這類結構已經超出門規(guī)的使用范圍，結構類型應選擇“單層鋼結構廠房”，如果為抗震地區(qū)且選擇了地震作用計算，程序會自動按照抗震規(guī)范第九章關于單層鋼結構廠房的規(guī)定進行控制；混凝土柱應按混凝土結構設計規(guī)范進行設計，滿足混凝土結構設計規(guī)范相應要求，鋼梁應滿足鋼結構設計規(guī)范相關要求，當采用工形變截面梁時，建議梁構件承載力的校核采用按門式剛架規(guī)程進行校核，以考慮軸力的影響與變截面梁的穩(wěn)定計算，但局部穩(wěn)定應滿足鋼結構設計規(guī)范、抗震規(guī)范的要求；撓度控制，考慮到所采用的輕型屋面體系對鋼梁撓度不是非常敏感，在有經驗的情況下可較鋼結構設計規(guī)范的撓度控制指標（L/400）適當放寬。
4.單榀設計
4.1建模
單榀設計時，應采用混凝土柱與鋼梁整體建模分析。鋼梁對混凝土柱的約束反力與混凝土柱本身的剛度是直接相關的，為反映真實的內力情況，應該進行整體分析，并以整體分析的結果來設計基礎、混凝土柱的配筋與鋼梁。把它們分開來分別進行設計，往往使設計結果帶來不安全的隱患：如果在柱與基礎設計時，沒有考慮屋面斜鋼梁對柱的推力，會導致柱配筋與基礎的設計嚴重偏小，按這種方式設計的結構在安裝過程中就有可能出現(xiàn)基礎被翹起、混凝土柱頂位移過大、柱身出現(xiàn)裂縫、鋼梁撓度過大等問題。而在分析鋼梁時，把鋼梁兩端視為固定鉸支座或建兩根很短的下端剛接柱作為支座都會夸大混凝土柱對鋼梁的約束作用，導致鋼梁軸力增大、跨中彎矩減小、撓度減小等不真實情況，這時往往會出現(xiàn)安裝后的鋼梁的撓度要大于計算撓度、鋼梁有可能整體屈服失穩(wěn)、局部壓屈等不安全問題。
4.2計算
程序自動根據(jù)整體分析得結果，按照混凝土結構設計規(guī)范進行混凝土柱的配筋計算，按選定的鋼梁構件驗算規(guī)范進行鋼梁的校核，在布置基礎的情況下，同時根據(jù)整體分析柱底力完成基礎的計算。
5.整體設計
5.1混凝土柱與鋼梁的鉸接連接處理
一般存在三種連接構造處理：完全抗剪連接構造，這種連接構造能夠把梁端的推力以剪力的方式完全傳遞給混凝土柱；完全滑移連接構造，這種連接構造容許梁端相對混凝土柱頂自由滑移，梁端的推力由于相對的滑移而釋放，作用力不傳遞給混凝土柱；介于以上二者之間的部分滑移連接構造，這種連接構造容許梁端相對混凝土柱頂有一定的滑移量，梁端的推力由于相對的滑移而部分釋放，剩余作用力以剪力的方式傳遞給混凝土柱。
5.2程序的處理
考慮混凝土柱與鋼梁的不同構造連接，可以通過設置混凝土柱的柱頂不同約束情況來實現(xiàn)。
5.2.1完全抗剪連接構造：普通的鉸接連接。
5.2.2完全滑移連接構造：采用鉸接＋混凝土柱頂定義約束為“水平方向自由滑動”。
5.2.3部分滑移連接構造：采用鉸接＋混凝土柱頂定義約束為“約束水平方向相對位移差”。 對于定義完全滑移與部分滑移的分析模型，必須保留一個梁端為完全約束的普通鉸接節(jié)點，否則會出現(xiàn)分析上的可變體系，使分析無法進行。在定義完全滑移或部分滑移約束的情況下，程序分析結果中，在查看該混凝土柱的構件信息時，能夠發(fā)現(xiàn)程序實際分析出來的滑移量，根據(jù)分析結果可以用來處理設置滑移的節(jié)點構造。
5.3施工圖的處理
門式剛架施工圖程序中，能夠根據(jù)整體分析的結果，處理這類節(jié)點及鋼梁的施工圖。在容許滑移的連接節(jié)點施工圖中，底板設置長圓孔，長圓孔標注的長度尺寸為支座底板相對于支承面的容許滑移距離，為保證滑移的順利進行，墊板與底板之間不應施焊，底板于混凝土柱頂接觸面處理應保證支座底板與支承面間在容許距離內自由滑動。對于限制滑移量的連接節(jié)點中，當滑移量達到容許距離時支承面應設置可靠抗剪措施，限制繼續(xù)滑移，使剩余剪力能夠完全傳遞給柱。
6.結束語
綜上所述，混凝土柱實腹鋼梁單層廠房與門式剛架有相同之處，又有其不同之處。相同之處在于其單個構件的計算和校核，如鋼梁的強度、剛度，穩(wěn)定性，以及檁條和屋面板的計算和構造。不同之處在于梁和柱是鉸接連接，梁柱受力不同于門式剛架。理解它的受力原理是做好結構設計的關鍵。
【參考文獻】
［1］GB50017-2003.鋼結構設計規(guī)范.中國建筑工業(yè)出版社，2003.
［2］GB50010-2010.混凝土結構設計規(guī)范.中國建筑工業(yè)出版社，2010.
［3］GB50011-2010.建筑抗震設計規(guī)范.中國建筑工業(yè)出版社，2010.
［4］CECS102：2002.門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程.中國計劃出版社，2003.
［5］候兆欣,李秀川.輕型鋼結構建筑節(jié)點構造.機械工業(yè)出版社，2004:22-28.
［6］中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部.STS技術條件，2010.
關鍵詞：門式剛架結構 計算長度 荷載 剛接 鉸接
前言
輕型鋼結構是近半個世紀來，國內外應用與發(fā)展速度最快、使用最多的新型鋼結構形式，被廣泛應用于工業(yè)、民用和較大空間的公共建筑，除了具有傳統(tǒng)鋼結構的施工速度快、結構空間大等優(yōu)點外，還具有鋼材用量更少、建筑類型更自由、造價低廉等更大的綜合優(yōu)勢。特別是近年來，鋼結構在我國的迅猛發(fā)展，使得門式剛架結構體系作為一種有較大優(yōu)勢的輕型鋼結構，在我國更是大量的設計和使用。近十幾年來，我國彩色鋼板的產量大大增加，與此同時焊接H型鋼從出現(xiàn)，到廣為使用，也不過十幾年，這都為門式剛架的大量使用創(chuàng)造了客觀的物質條件，目前，我國建成門式剛架結構工程已達上千萬平方米，據(jù)不完全統(tǒng)計每年還在以幾百萬平方米的速度增加。
1、 屋面活荷載的確定
《鋼結構設計規(guī)范》 （GB50017）作為門式剛架結構設計的主要依據(jù)，根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》可知：不上人屋面的活荷載為0. 5kN/m2,如果構件的承受荷載面積大于60m2時，可以取面積折減系數(shù)0. 6，門式剛架上部的承載面積一般都大于60m2，基本都滿足此條件，故設計時活荷載可取值為0.3 kN /m2，此種取值對于剛架的設計應該是沒有問題的，但是全面考慮整個屋面結構，包括屋面檁條和屋面板，如果全部設計都按照0.3kN /m2取值，偏于冒險，我們參考了國外相關規(guī)范考慮到0.15kN/m2~0.60kN/m2的附加荷載。而筆者查閱相關的規(guī)范，包括：《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017）、《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》（GB50018）和《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》（CECS 102：2002）都未對此問題作出規(guī)定，據(jù)筆者所見現(xiàn)在有的框架梁過細，檁條過小，有明顯克扣荷載的現(xiàn)象，如果遇到特殊的超載情況例如大風、大雪或其他原因，整個結構就會出現(xiàn)安全隱患，所以筆者還是建議活荷載取0. 5kN /m2。
2、結構力學設計方法及考慮抗震影響的設計
門式剛架由于其受力情況，一般都采用變截面結構設計，而變截面結構必須采用彈性分析方法確定各種內力（《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》要求），彈塑性分析方法僅在結構均為等截面構件時才使用。變截面門式剛架一般均采用平面結構分析內力，而不考慮應力蒙皮效應。由于單層門式剛架結構自重小，承載力一般不考慮地震作用效應組合，所以我們既可以認為不需進行抗震計算。但按照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》規(guī)定，對于寬度較大的剛架或豎向高度很大的剛架，或長度很大的縱向剛架，包括有夾層、吊重、橋式吊車等結構情況，則必須考慮地震作用效應，必須進行包括地震荷載作用的組合驗算。筆者對不同情況進行了計算分析可知，對于單層門式剛架（無吊車），地震烈度考慮為6度至7度時，地震作用對門式剛架的設計沒有任何影響；對于地震烈度為8度或更大時，同時考慮剛架的跨高比大于3.5，地震作用對門式剛架結構設計仍然沒有任何影響；當剛架的跨高比設定為1.5~3.5時，地震作用對門式剛架的設計起到較大作用，且跨高比為 1.5 時，地震作用的影響最大。
3、結構的優(yōu)化設計
設計過程除了保證正常使用的安全外，還要最大可能的發(fā)揮出門式剛架輕型房屋結構的長處和優(yōu)點。由于輕型鋼結構構件在生產過程中任意性較大，輕質屋（墻）面的布置十分靈活。上述優(yōu)點保證了門式剛架輕型房屋的生產和施工基本可以做到量體裁衣。也就為我們設計者提出了保證設計合理化、結構安全化、降低投資造價等優(yōu)化要求。
3.1.結構跨度的確定
廠房跨度往往由生產工藝流程和廠房使用功能等因素決定著，大部分投資方都會要求設計者按照自己的使用需要，確定經濟合理的結構跨度。在滿足使用者的生產工藝和使用功能的基礎上，結構的高度是確定結構的跨度的較大影響因素。經過筆者比對演算，如果確定柱高及上部荷載，適當加大結構跨度，整體結構的用鋼量并無較大程度增加，但是加大了可利用空間，降低了基礎造價，取得了較大的綜合效益。
經驗算可知，設定檐高為6m、柱距為7.5m，且荷載情況完全相同時，跨度在18~30m范圍內的剛架，單位面積用鋼量（Q235B）為18~28kg/m2，當跨度在 21~48m范圍內的剛架，單位用鋼量為25~40kg/m2。但是，一旦跨度超過48m時盡量采用多跨剛架（且中間必須設置搖擺柱），其用鋼量與單跨剛架比較，節(jié)約 18%左右，因此設計門式剛架時，必須根據(jù)具體情況、投資者的要求來選擇合理跨度的剛架，而不宜盲目追求大空間、大跨度。
3.2.結構最優(yōu)柱距的確定
剛架柱距的選擇需考慮如下因素：1、剛架的跨度2、屋面荷載3、檁條形式，如果要求為較小剛架跨度，而選用了較大的柱距，會增加檁條使用量，加大了用鋼量，這對業(yè)主而言是不負責任的。門式剛架存在著最優(yōu)柱距范圍，即門式剛架的柱距應設定在6m~9m之間，超過9m時屋面檁條與墻梁體系的用鋼量增加過多，沒有達到減少造價的目的。
4、結構設計應給予重視的幾種情況
4.1. 柱腳螺栓抗剪及抗拔
近年來，各地出現(xiàn)多起使用中的門式剛架輕鋼房屋被大風將錨栓拔起，造成較嚴重的事故，所以《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》明確規(guī)定，必須進行柱腳錨栓的抗拔驗算。柱腳錨栓不能參加抗剪，水力應由底板與混凝土基礎間的摩擦力承受，超出時應設置抗剪鍵。
4.2. 隅撐設置
隅撐的作用是保證剛架在斜梁受壓下翼緣和剛架柱受壓翼緣出平面外穩(wěn)定，是重要的控制構件穩(wěn)定性的構件?！堕T式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》規(guī)定“在檐口位置，剛架斜梁與柱內翼緣交接點附近的檁條和墻梁處各設一道隅撐”，就是為了保證該處的穩(wěn)定性。部分柱也應該設置隅撐，必須根據(jù)實際情況計算后設置，而當遇到較高柱時，必須分段后，驗算平面外的穩(wěn)定性。
4.3.柱間縱向支撐設置
部分多跨門式剛架輕鋼房屋，往往只在邊跨設置柱間支撐，卻沒有在中間柱列設置柱間支撐。為了保證使用的安全性，建議如果不能設置中跨柱間交叉支撐時，可設置人字支撐等其他形式的支撐，或采用縱向支撐。
5、結語
由于我國輕鋼結構起步較晚，在理論和實踐中與世界先進水平仍有較大差距，所以建議在設計中，對于門式剛架構件的截面尺寸需經多次試算才可確定。目前部分鋼結構設計人員的設計經驗還很少，選擇的截面形式容易造成結構整體的應力不均，且經濟指標不合理，甚至影響整體結構的安全度。因此為了保證安全、增加經濟效益，必須要求相關設計人員進一步扭轉我們的設計觀念，以工程的設計質量為先，推動我國門式剛架輕型鋼結構的向前發(fā)展。
參考文獻：
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[2]JTG D30-2004 GB50017-2003鋼結構設計規(guī)范[S].
[3]陳躍，高軒能，門式剛架優(yōu)化設計方法研究；南昌大學學報(工科版) ，2003年 6 月第 25卷第 2 期
關鍵詞：鋼橋; 容許應力法 ; 荷載組合; 容許應力
Abstract: In view of the present stage" steel structure and wood structure design code", with other highway code is not supporting the status quo, discussed the steel bridge design should be used when the load, load combination and steel allowable stress value are discussed, and put forward solutions.
Key words: steel bridge; allowable stress method; load combination; allowable stress
中圖分類號：TU99文獻標識碼A 文章編號：
引言
在國民經濟建設中，伴隨著鋼產量的大幅提高，我國對鋼材的使用逐步放寬。過去，在公路及城市橋梁建設中鮮有使用的鋼橋，也以其適合工廠化制造，便于運輸，便于無支架或少支架施工，安裝迅速等優(yōu)點漸入人們的視野。鋼橋在公路及城市橋梁總里程中所占的比重逐步加大。
設計施工周期長，技術難度大，工程投資高的大橋、特大橋在設計施工乃至運營過程中都會引起人們的足夠重視，進而對此類橋梁進行全過程管理。工程的建設者對此類橋梁精心設計，精心施工，并對某些問題專門立項，在專家的指導下進行科學研究。因此，大橋、特大橋出現(xiàn)問題的概率反而比中小跨徑的鋼板梁橋、鋼桁梁橋出現(xiàn)問題的概率低。究其原因，不外乎工程的建設者未能對中小跨徑鋼橋的設計施工引起足夠的重視，少有人過問此類鋼橋的技術問題。這就要求設計者要對鋼結構橋梁有足夠的認識，熟知并領會規(guī)范的編制要領，在設計過程中活學活用，減少出錯的可能，降低事故發(fā)生的概率。
1 問題的提出
截止2010年底，公路橋涵的設計規(guī)范已有多本經過修訂，如《公路橋涵設計通用規(guī)范》（以下簡稱《通規(guī)》）、《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》、《公路圬工橋涵設計規(guī)范》、《公路鋼筋及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》等均已經過修訂出版并實施。但，《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》（JTJ 025-86）（以下簡稱《鋼木規(guī)范》）尚在修訂之中。在鋼橋的設計工作中，由于設計規(guī)范不配套，給設計者帶來的困惑，主要有以下三點。
①《鋼木規(guī)范》采用的是容許應力法，而現(xiàn)行《通規(guī)》使用的是極限狀態(tài)設計法，二者的設計思想不同，也就是說進行鋼橋設計時，不能用現(xiàn)行《通規(guī)》中的荷載組合。
②《鋼木規(guī)范》中提到的鋼材牌號已被新的鋼材牌號取代，新的鋼材牌號容許應力的確定值得商榷。
③《鋼木規(guī)范》中使用的汽車荷載，溫度作用等是原《通規(guī)》的，而原《通規(guī)》又被新《通規(guī)》所取代，汽車荷載，溫度作用等怎樣確定也是需要解決的。
本文將從以上三個問題入手，闡述一下對鋼橋設計的認識，繼而，提出解決方法。
2．鋼橋設計中關于荷載及荷載組合的問題
目前，國內外鋼橋設計主要采用容許應力法和半概率極限狀態(tài)法兩種方法。
容許應力法是將材料作為彈性體，用材料力學或彈性力學方法，算出構件或結構在標準荷載（使用荷載）作用下的應力，要求任一點的計算應力σ，不超過材料的容許應力[σ]，即：
材料的容許應力，系由材料的極限強度（如混凝土）或者流限（如鋼材），除以安全系數(shù)K所得。
容許應力法具有以下特點：
A容許應力法采用平截面假設，構件受力變形后，截面仍保持為平面，即纖維的應變與其到中和軸的距離成正比；另，容許應力法采用虎克定律，應力與應變成正比，這樣就使得計算公式簡單實用。
B容許應力法公式中的安全系數(shù)K值是一個經驗值，它在不同的規(guī)范，不同的歷史時期均不相同，人的主觀因素對于K值的確定具有很大影響。
C容許應力法采用單一的安全系數(shù)K，對不同材料，不同荷載，以及其它影響結構安全的因素，不能區(qū)別對待，因而可能使結構在某些情況下過分安全，而在另一些情況下卻不夠安全。
D對于具有塑性性質的材料，容許應力法無法考慮其塑性階段繼續(xù)承載的能力，設計偏于保守。
極限狀態(tài)設計法的設計準則是：對于規(guī)定的極限狀態(tài)，荷載引起的荷載效應（結構內力）大于抗力（結構承載力）的概率（失效概率）不應超過規(guī)定的限值。所謂半概率就是指對影響結構安全的某些參數(shù)，用數(shù)理統(tǒng)計進行分析，并與經驗相結合，引入某些經驗系數(shù)。
由于鋼橋破壞狀態(tài)的復雜性，鋼橋結構失效不能采用單一極限狀態(tài)表達，一般應該包括承載能力極限狀態(tài)，正常使用極限狀態(tài)，疲勞破壞極限狀態(tài)三個極限狀態(tài)?，F(xiàn)以基本組合作用下的承載能力極限狀態(tài)為例，對其公式表達作以簡略說明。
式中：
―結構重要性系數(shù)，依結構安全等級的不同而取不同的數(shù)值；
―永久荷載分項系數(shù)；
，―第一個和其它第i個可變荷載分項系數(shù)；
―永久荷載的標準值；
―第一個可變荷載的標準值，該可變荷載標準值的效應大于其它任意第i個可變荷載標準值的效應；
―其它第i個可變荷載標準值；
，，―永久荷載、第一個可變荷載和其它第i個可變荷載的荷載效應系數(shù)；
―第i個可變荷載組合系數(shù)；
―結構構件的抗力函數(shù)；
―結構構件抗力分項系數(shù)，其值應符合各類材料的結構設計規(guī)范的規(guī)定；
―材料屈服強度的標準值；
―幾何參數(shù)的標準值。
由上述極限狀態(tài)設計表達式可以看出：
A極限狀態(tài)設計法對不同荷載，不同材料及其它影響結構使用的因素，分別給以分項系數(shù)及組合系數(shù)，能夠對上述各方面對結構的影響區(qū)別對待，有利于結構設計可靠度的提高。
B極限狀態(tài)設計法與非彈性設計法相結合，可以挖掘結構潛力，使設計出來的結構更為經濟合理。
綜上所述，容許應力法的主要缺點是由于單一安全系數(shù)是一個籠統(tǒng)的經驗系數(shù)，因之給定的容許應力不能保證各種結構具有比較一致的安全水平，也未考慮荷載增大的不同比率或具有異號荷載效應情況對結構安全的影響。容許應力設計法以線性彈性理論為基礎，以構件危險截面的某一點或某一局部的計算應力小于或等于材料的容許應力為準則。在應力分布不均勻的情況下，如受彎構件、受扭構件或靜不定結構，用這種設計方法比較保守。但，容許應力設計應用簡便，是工程結構中的一種傳統(tǒng)設計方法，目前公路、鐵路工程設計中仍在應用。
通過對容許應力法與半概率極限狀態(tài)法的比較分析，我們可以看到《鋼木規(guī)范》中所提到的容許應力法所采用的荷載組合是標準值組合，而現(xiàn)行《通規(guī)》所提到的極限狀態(tài)設計法所闡述的組合是基本組合，作用短期效應組合，作用長期效應組合等。顯然，在對橋梁鋼結構采用容許應力法進行計算時，是不能直接套用現(xiàn)行《通規(guī)》的作用組合的。反而，設計者要在舊《通規(guī)》中尋找答案。
舊《通規(guī)》將作用在橋梁結構上的荷載劃分為21種，為下文敘述方便，筆者將這21種荷載劃分為六類，分別以荷載分類代號表示，見表一。
由舊《通規(guī)》第2.1.4條可知橋涵采用容許應力法設計時，應對不同的荷載標準值組合給出相應的材料容許應力值，并以此作為設計的依據(jù)?！朵撃疽?guī)范》針對這一點也做出了相應的規(guī)定?！朵撃疽?guī)范》第1.2.10條：驗算結構在各種荷載作用下的強度和穩(wěn)定性時，基本鋼材和各種連接件的容許應力應乘以表二的提高系數(shù)k。
表二
由表可知，隨著標準值組合的不同，基本鋼材和各種連接件的容許應力亦是有所變化的。如對于永久性結構，在組合I作用下，容許應力為［σ］，在組合II作用下，容許應力為1.25［σ］。
2004年實施的新《通規(guī)》對于舊《通規(guī)》中的荷載作了修訂，尤其是汽車荷載和溫度作用在《通規(guī)》中的改變較大。我們在進行鋼橋設計時，尤要注意采用新《通規(guī)》中荷載標準值的確定方法并結合舊《通規(guī)》的荷載組合方法對鋼橋實施加載計算。
3．關于材料容許應力的問題
《鋼木規(guī)范》中述及的鋼材牌號目前國內鋼廠已不再生產，相應牌號鋼材的容許應力值自然不再存有意義。因此，在進行鋼橋設計時，確定國內鋼廠生產鋼材的容許應力值就顯得格外重要了。
根據(jù)《鋼木規(guī)范》對于材料容許應力的條文說明：“材料的容許軸向（拉、壓）應力的選定，均以屈服強度為依據(jù)，即以屈服強度除以某一安全系數(shù)k。安全系數(shù)k系由材料的勻質系數(shù)、超載系數(shù)和工作條件系數(shù)三者綜合而成。低合金鋼的勻質條件系數(shù)為270/340=0.8;超載系數(shù)，對結構重力為1.1~1.5，對汽車荷載為1.4，綜合約為1.35；工作條件系數(shù)一般取1，則k=1/0.8x1.35X1≈1.7,所以取用1.7為計算基礎。以16Mn鋼為例，當屈服強度時，則軸向應力。對于鑄件，由于未經熱軋，均勻性較差，因此取較高的安全系數(shù)1.85。例如鑄鋼（ZG25），屈服強度，則軸向應力。鋼材的容許剪應力，系根據(jù)試驗以及最大能量的強度理論決定的，直接受剪強度為軸向受拉強度的0.557倍，故近似取用”，“鋼料端部在互相頂緊的接觸面處，由于局部塑性變形，擴大了接觸面積，相當于提高了鋼材的承壓應力，因此取軸向容許應力的1.5倍，即用”，“當鋼材承受彎曲作用時，邊緣纖維應力最大，它比其他任何部位的纖維早達到屈服強度，并出現(xiàn)局部塑性變形，而中間纖維仍為彈性變形階段。若再繼續(xù)增加荷載，截面將全部達到屈服強度而進入塑性變形階段，即所謂極限狀態(tài)。由于鋼材的塑性變形，使破損荷載增大，也就是受彎時的彎曲應力可以提高”。該規(guī)范以工字梁為例，闡述了彎曲容許應力的取值方法，并規(guī)定彎曲容許應力按容許軸向應力的1.05倍計。 另，《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》（TB10002.2-2005）（以下簡稱《鐵鋼規(guī)》）對于材料容許應力的條文說明：“鋼材基本容許應力對屈服強度的安全系數(shù)，各鋼號基本上都采用1.7左右”，容許剪應力以基本容許應力的0.6倍為準，端部承壓容許應力以基本容許應力的1.5倍為準，彎曲容許應力根據(jù)習慣仍定為基本容許應力的1.05倍，對于鑄鋼取安全系數(shù)1.85。
可見，《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》（JTJ 025-86）與《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》（TB10002.2-2005）在材料容許應力的取值方法及安全系數(shù)的取值上是一致的。因此，我們可以取用《鐵鋼規(guī)》鋼材牌號的材料基本容許應力值進行公路鋼橋設計。
目前，國內鋼材牌號是以鋼材的屈服強度命名的，如Q235與Q235q，同為表示屈服強度為235MPa的鋼材，不同的只是前者為普通碳素結構鋼，后者為橋梁結構鋼，通過前文的論述可知，二者的容許應力是相同的，不同的只是后者與前者相比，其有害元素含量更低，沖擊韌性更強，具有更好的抗低溫沖擊的能力。我們在進行鋼橋選材時，要慎重選擇鋼材，但這與鋼材的容許應力值是無關的。
4．結論
現(xiàn)階段,要采用容許應力法進行公路鋼橋設計，荷載組合要執(zhí)行《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ 021-89），并要采用標準值組合；各類荷載的取值要執(zhí)行《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）；鋼材牌號的容許應力值要以《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》（TB10002.2-2005）中規(guī)定的鋼材容許應力值為準，根據(jù)荷載組合的不同，其鋼材的容許應力值各有不同（詳見表二）。
參考文獻
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【關鍵詞】鋼結構;結構設計;問題解析
前言：鋼結構的發(fā)展非常迅速，鋼結構的種類也在不斷的更新。綜合國力的
增強促進了建筑業(yè)的發(fā)展，鋼結構在現(xiàn)代建筑中已經興起并得到充分地利用，輕鋼結構、重型鋼結構、住宅鋼結構等多種鋼結構體系都是建筑業(yè)主要的發(fā)展方向并得以重用到建筑行業(yè)中。鋼結構具多種優(yōu)點，在建筑工程中得到廣泛應用和發(fā)展。本文主要就鋼結構設計出現(xiàn)的一些問題進行簡要分析，并提出建議。
1鋼結構設計中存在的問題
鋼結構設計中抗震性能有待加強，結構住宅小區(qū)中，一般的小高層結構布置的規(guī)則性都無法達到，這就使得抗震性能達不到，而且彈性設計間彈塑性層間位移結構驗算無法達到抗震規(guī)范性要求。鋼結構受力體系中對其性能的考核不細化，對于鋼結構的受力體系，不同的建筑屋樓層，對于如何選定鋼結構框架支撐體系能夠省鋼，且在抗震性能的提高上能夠更合理的使用沒有明確的細化評判標準。
鋼結構設計運用中，往往忽略了與其他建筑材料的銜接度，這在一定程度上使鋼結構的設計孤立于其他建筑物設計之外，一定程度上對建筑整體性能的提升產生了極為不利的影響。因為設計最終目的是為了應用于實踐建筑工程中，然而，這片面的使得設計用于建造的鋼結構，在施工流程中出現(xiàn)嚴重的質量問題，成為后期處理的棘手要求。一般工序發(fā)生質量問題，使得施工過程中焊接、涂裝、下料、裝配等帶來無窮后患。對鋼結構的抗震計算還處于不成熟階段，對于驗算條件和方法及節(jié)點和支撐點的要求，尚處于不符合有關要求。對于受彎鋼構件的局部穩(wěn)定，在設計實現(xiàn)上，困難度較大。大量鋼材內部存在夾層屬于鋼廠本身在軋制過程中產生的質量問題，在技術上缺乏必要的改進措施，以保障鋼結構符合國家標準規(guī)范的要求。
2鋼結構設計應用
目前，鋼結構被廣泛應用于各種建筑中。與傳統(tǒng)建材相比較，鋼結構以其自重輕、強度高及工業(yè)化程度高等優(yōu)點，在建筑工程中得到廣泛的應用病效果顯著并且大部分鋼結構優(yōu)化設計、節(jié)約資源、循環(huán)利用等方面為建筑也做出了巨大的貢獻。鋼結構住宅設計有低層和高層之分，低層一般用于別墅、高層用于公寓。然而由于鋼結構自身也存在許多弊端，使得鋼結構在設計施工使用過程中出現(xiàn)嚴重的質量問題。在重型廠房結構設計中，比如冶金、造船，機械制造等。因為此類建筑的特點是跨度大、高度大、噸位大，出于耐久性和經濟性考慮，就必須運用鋼結構設計。大跨屋蓋結構，提供寬敞的內部空間和優(yōu)美的外部造型都需要鋼結構作為其內部造型固定。在地震區(qū)，框架―支撐和框架―剪刀墻是最常用的雙重抗側力體系，能使抗震性能增強。但在非抗震區(qū)，則以見剪刀墻為主。
3鋼結構設計中解決問題的有效措施
在鋼結構設計中，要充分考慮材料的優(yōu)缺點，從綜合因素考慮和加強對鋼結構的整體穩(wěn)定及局部穩(wěn)定策略分析，在設計中，克服上述遇到的難題，必須采取有效的可行性措施，以加快鋼結構在建筑業(yè)的發(fā)展。加強鋼結構設計中的抗震性能，就必須在平面設計中力求規(guī)則、對稱。對平面形狀，特別是支撐剪力墻及高樓層的彈性水平位移與質心的水平位移要達到平衡，同時在設計鋼結構時，需要對指揮剪刀墻的配置進行調整。設計者在設計之初就充分意識到連接構造的重要性，
才不會因鋼構結構的不合理而引發(fā)安全隱患。
對于鋼結構受力體系的性能考核，要以？6？層上下為界，可采用框架體系和支撐體系，框架混凝土體系以及鋼結構雙重體系三方面進行區(qū)分;對于框架柱子的選用，就如何省鋼問題，可以在小高層建筑中利用組合柱進行設計;就抗震性能來說，利用鋼結構更能起到良好的效能。設計者在設計之初就要明白支撐系統(tǒng)的購件在整體結構中所起的作用，以保證整個設計功能整體結構的穩(wěn)定與安全。消除結構隱患，設計的最終目的是要達到穩(wěn)定結構的同時也要滿足功能要求。
4、鋼結構設計中應該注意哪些問題
4、1設計深度不夠。對于緊急的設計任務，設計院往往采取的做法是外包給加工企業(yè)，從而造成設計質量得不到保證另外，鋼結構設計院承擔設計任務的人員一般為畢業(yè)不久的研究生他們往往缺乏設計經驗，對于結構復雜的構件，通常是按照模板設計、照搬規(guī)范要求，對于某些特殊結構不進行必要的檢驗從一定意義上說，他們進行的是“構件布置圖”設計設計圖紙往往顯得簡單粗糙，節(jié)點處經常采用“全焊接節(jié)點”或“全鑄鋼節(jié)點” ，通常忽略了該連接方法的實用性和安全性加工企業(yè)在接到這些施工圖之后，由于其缺乏相應的鋼結構設計專業(yè)人員、對原始設計意圖又不了解，通常生產出來的構件不符合原始設計要求，有些甚至存在嚴重安全隱患，這些做法無疑是鋼結構設計過程中需要完全消除的。
4、2鋼結構設計中構件的選擇尤為重要。邊、角柱地震作用效應放大問題。根據(jù)建筑抗震設計規(guī)范的規(guī)定，進行結構的水平地震作用計算，只有在不進行扭轉耦聯(lián)計算時，才對邊、角柱的地震作用效應乘以增大系數(shù)，其實就是對不作耦聯(lián)計算采取的補充措施。現(xiàn)在很多人計算時既考慮扭轉耦聯(lián)，又對邊、角柱的地震作用效應放大，這樣做顯然是不經濟的，而且存在設計概念上的錯誤。
4、3統(tǒng)計的不確定性。統(tǒng)計原理基于大量的數(shù)據(jù)支撐，從而建立相應的數(shù)據(jù)函數(shù)模型由于工程中數(shù)據(jù)的獲得存在一定難度，就會導致統(tǒng)計信息的缺乏，產生不確定性。模型的不確定性在進行結構的分析之前，需要在相應的假設基礎上，利用邊界條件等條件建立數(shù)學模型由于前提假設的缺陷和人類現(xiàn)階段理論的不完整性，往往造成所建立的模型存在不確定性。
結束語
通過對技術規(guī)范、力學知識、結構原理的學習，建立清晰的結構概念，這樣才能正確處理實際工程中遇到的各種非常規(guī)性問題。了解施工方法、材料供應、市場價格等各種相關知識，提高設計人員的綜合素質和設計水平，使結構設計不僅從技術上切實可行，還應爭取在經濟效益上達到最優(yōu)，這樣盡管鋼結構在建筑施工中被廣泛的應用。只有在鋼結構設計中消除那些存在的隱患，才能整體上提高鋼結構的工程質量。解決鋼結構設計中遇到的難題，堅持國家對建筑業(yè)材質要求的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，提高城市化建筑水平，起到了積極的促進作用。才能促進輕鋼結構設計的健康發(fā)展。
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【摘要】勁性骨架主要使用于混凝土工程中重型或超重型預埋件的固定，其主要原理是通過勁性骨架改變預埋件傳力路徑，避開薄弱部分，將承載力分配到下部主承力部件。實際施工時，應選擇能與混凝土接觸性良好，可以提供足夠承載力，不影響混凝土主體力學性能的材料制作。
關鍵詞 預埋件固定；鋼箱拱腳；勁性骨架
隨著科技進步，在最求外表的美觀，內在的使用下，現(xiàn)代工程越來越多提出輕便、大跨度要求，因此產生了很多關于鋼混結合施工中重型或超重型預埋件的固定施工難題，本文總結實際施工應用經驗，進行初步探討。
1.工程概況?
武漢新區(qū)四新南路跨總港橋位于四新南路樁號K1+309.22～K1+372.22，斜跨總港渠道；橋長63米，寬34.5～44米，斜交25°，全橋為單跨懸索結構。
其中上部結構拱肋構造分為三種形式：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，Ⅰ型為等截面1.5m×1.5m，厚32mm的鋼箱結構，為拱肋中間段，Ⅱ型和Ⅲ型為鋼箱——砼變截面鋼混結構，作為本橋拱腳，用于鋼箱拱肋與預力混凝土主梁之間的銜接；拱肋間距為26m，無風撐連接。
2.技術難點?
2.1鋼拱腳的定位精度要求高。作為懸索結構主承力部件的鋼箱拱，設計對線型的要求較高，否則會改變設計的受力狀態(tài)，甚至直接影響架構的承載力。?
2.2預埋重量大。鋼拱腳作為鋼箱拱的預埋件，埋入現(xiàn)澆主梁上部0.7m，與現(xiàn)澆混凝土主梁的鋼筋和下部無聯(lián)系，為懸浮狀態(tài)；鋼拱腳重量約19.3t，必須在混凝土澆筑前預埋，其固定措施的牢固程度直接關系到工程進展是否順利。
3.方案制定?
3.1預埋鋼拱腳承力點選擇。因主梁為異型混凝土結構，施工時采用了竹木模板，難以承載大重量的集中荷載；因此擬定以橋梁支座作為承力點。?
3.2支架選擇和拱腳精確定位。支架選擇采用工字鋼、槽鋼組成勁性骨架，勁性骨架由橫向平臺和立柱組成，用以承載19.3t重量預埋鋼拱腳，并將荷載傳遞至橋梁支座；拱腳精確定位擬采用在拱腳支架平臺四周通長設置三角鋼架限位，與勁性骨架平臺焊接牢固，并在限位鋼架上設置螺紋千斤頂，用以微調鋼拱腳平面位置。
4.勁性骨架平臺設計?
4.1材料選擇與結構布置。?
4.1.1材料選擇。
材料選擇原則：勁性骨架在施工后，埋入混凝土中部分將無法取出，為了不影響混凝土結構力學性能，故在支座勁性骨架時，所選材料必須盡可能選擇與混凝土接觸良好，且骨架內部不得有空洞存在。
材料選擇：立柱選擇I12.6工字鋼、平臺選擇L10*6等邊角鋼。?
4.1.2結構布置。?
（1）立柱：在沿支座上鋼板周長布置于上鋼板上，立柱根部與支座上鋼板焊接牢固，立柱上部用鋼條或鋼筋焊接固定；本工程共計采用6根I12.6工字鋼立柱。?
（2）平臺：分兩層或三層布置；首先在立柱上布置雙角鋼主橫梁，雙角鋼間沿長邊間距20cm焊接10*0.6cm連接鋼板；然后在主橫梁上鋪設角鋼縱橫向分配梁，分配梁間距30cm（具體工程時根據(jù)計算布置），便于將荷載均勻分配到主橫梁及立柱上；縱橫向分配梁采用角鋼呈倒“7”字型，并在于下層相交處焊接小鋼板撐，以增加平臺彈性，減小平臺收到外部荷載的沖擊力。（見圖1）。?
（3）輔助措施：平臺超出立柱基礎范圍外部分，可以設置輔助小立桿，小立桿上部焊接于平臺底部，下部使用不小于現(xiàn)澆混凝土標號的混凝土立方塊墊支撐于模板上。?
4.2計算。?
4.2.1荷載分析。
荷載應包括預埋件重量、預埋件重量吊裝時的沖擊荷載、施工活荷載和勁性骨架本身重量。
預埋件重量：19.3t。
預埋件重量吊裝時的沖擊荷載：根據(jù)Ft=mv，施工要求預埋件吊裝時下落到平臺時速度必須盡可能慢，勁性骨架與預埋件接觸面應同時具有足夠承載能力和良好的彈性，這樣可以減小吊裝時的沖擊荷載；根據(jù)經驗按0.3倍重量計算為19.3*0.3=5.79t。
施工活荷載：1.1022KN/m?2（規(guī)范）。
勁性骨架重量：根據(jù)所選取的材料和數(shù)量計算。?
4.2.2橫向型鋼平臺選擇。
橫向平臺型鋼主要承載預埋件重量、預埋件重量吊裝時的沖擊荷載、施工活荷載。?
橫向平臺型鋼荷載G=1.2*19.3*9.8+1.4*(5.79*9.8+1.102*s)=316.05KN?
其中：S為平臺水平面積，本案中取S=2.5*2.5=6.25m?2。?
橫向平臺型鋼截面積計算
平臺總荷載為316.05KN，最大剪應力荷載按316.05KN計算。?
依《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003，簡支座構件的剪應力按下式計算：?
ζ=N/A≤［ζ］，A為型鋼截面面積?
依《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》TB10002.2-99，Q235qD鋼在剪應力作用下容許應力為［ζ］=80MPa。?
由以上兩條可以得出：?
A≥N/［ζ］=39.51cm?2（滿足規(guī)范要求）?
立柱選擇?
立柱荷載?
橫向平臺型鋼主要承載預埋件重量、預埋件重量吊裝時的沖擊荷載、施工活荷載和橫向型鋼平臺自重。?
橫向平臺型鋼荷載G´≥G+1.2*A*L(型鋼平臺長度)=409.1KN?
其中：L為型鋼平臺長度，本案中取L=2.5m。?
4.2.3立柱型鋼截面積計算。?
立柱總荷載為大于409.1KN，最大剪應力荷載按大于409.1KN計算；依《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003第5.1.1條，軸心受壓構件的應力控制按下式計算：?
σ=N/An≤［σ］，An為凈截面面積?
依《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》TB10002.2-2005第3.2.1條，Q235qD鋼軸向受壓允許應力為fmax=135MPa。?
由此可計算：An≥N/fmax=30.303cm?2（滿足規(guī)范要求）?
其中An計算值，應在平臺自重確定后重新依據(jù)本工計算立柱的最小截面積。?
4.2.4驗算。
平臺：20*11.9=238cm?2>39.51cm?2（滿足規(guī)范和計算要求）
立柱：6*18.1=108.6cm?2>64.93cm?2（滿足規(guī)范和計算要求，根據(jù)平臺重量校正后）。
5.結論?
5.1勁性骨架在使用中必須選擇可靠地傳力路徑。?
5.2勁性骨架材料應選擇與混凝土接觸良好的型鋼，盡可能避免使用鋼管。?
5.3必要時在勁性骨架上焊接剪力釘或四周不住防裂鋼筋。
參考文獻
［1］《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》TB10002.2～99.
關鍵詞：結構設計 ,高層建筑, 概念
Abstract: building type and function more and more complicated, the number of high-rise building increasing, the structure of the high-rise building system is also more and more complex, designing high-rise building structure engineering design has become difficult and key. High-rise building structure design is in high-rise building characteristics of the structure design, and to meet safety, applicable, durable, economic and feasible construction, at the request of the provisions of the relevant design according to the standard of building structures overall layout, technical and economic analysis, calculation, structure and drawing work, and seek optimization process.
Keywords: structure design, high buildings, the concept
中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A文章編號：
高層建筑目前在我們的城市建設當中所占的比例是越來越大，而建筑結構設計方面的變化也越來越多，很多新興的結構設計方案以迅猛的速度呈現(xiàn)在我們的城市建設中。建筑類型與功能越來越復雜，高層建筑的數(shù)量日漸增多，高層建筑的結構體系也是越來越多樣化，高層建筑結構設計也越來越成為高層建筑結構工程設計工作的難點與重點。面對如此形勢，應該把高層建筑的結構設計放在首位加以研究。
1我國的高層結構建筑的發(fā)展
1.1鋼材的國產化 國內鋼鐵企業(yè)根據(jù)我國高層建筑鋼結構設計標準的要求，制訂我國第一部高層建筑鋼結構的鋼材標準《高層建筑結構用鋼板》(YB 4104-2000)，比目前仍在實施的《低合金高強度結構鋼》(GB/ T1591-94)又前進了一步，其性能指標優(yōu)于國外同類產品。
1.2鋼結構設計國產化 國家標準《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》(JGJ99-98)和《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2001)等有關高層建筑最大高度和最大高寬比的規(guī)定，在一般情況下，應遵守規(guī)范的規(guī)定，否則應進行專項論證或試驗研究。建設部第111號令《超限高層建筑工程抗震設防管理規(guī)定》和建質[2003]46號文《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，對加強高層建筑鋼結構設計質量控制意義重大，具有可操作性。
1.3高層及超高層結構體系 對于高層建筑的劃分，建筑設計規(guī)范、建筑抗震設計規(guī)范、建筑防火設計規(guī)范沒有一個統(tǒng)一規(guī)定，一般認為建筑總高度超過24m為高層建筑，建筑總高度超過100m為超高層建筑。
對于結構設計來講，按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及擬建場地的抗震設防烈度以經濟、合理、安全、可靠的設計原則，選擇相應的結構體系，一般分為六大類：框架結構體系、剪力墻結構體系、框架—剪力墻結構體系、框—筒結構體系、筒中筒結構體系、束筒結構體系。
2如何做好高層建筑結構設計
2.1對結構構件進行優(yōu)化設計和施工圖設計
首先是進行結構單個構件內力和配筋計算。計算結構不超筋，并不表示構件初始設置的截面和形狀合理，設計人員還應進行構件截面優(yōu)化設計，使構件在保證受力要求的條件下截面的大小和形狀合理，并節(jié)省材料。因為構件截面的大小直接影響到結構的剛度，從而對整體結構的周期、位移、地震力等一系列參數(shù)產生影響，不可盲目減小構件截面尺寸，使結構整體安全度降低，因此在進行截面優(yōu)化設計時，應以保證整體結構合理性為前提，在施工圖設計階段，還必須滿足規(guī)范規(guī)定的各項具體措施和要求。
2.2做好結構方案的概念設計
結構設計人員在進行設計時不能盲目完全信賴和依靠計算機，只要高度重視概念設計才能設計出經濟合理的結構。結構的概念設計與建筑師的方案設計是相互協(xié)調和影響的。結構概念設計的目的首先是在初步設計以前為所設計的工程項目設定一個總體性的方案，根據(jù)建筑意圖和使用功能的需要，根據(jù)當?shù)亟ㄔ鞐l件、材料來源和業(yè)主對資金的使用等多方面因素的要求，使得下一步的設計施工和維護使用都能做到又好、又快、又省。其次，在結構的概念設計中還應該確定選用一個合理的高層建筑結構體系。
2.3選擇合適的基礎方案
基礎設計應根據(jù)工程地質條件，上部結構類型與載荷分布，相鄰建筑物影響及施工條件等多種因素進行綜合分析，選擇經濟合理的基礎方案，設計時宜最大限度地發(fā)揮地基的潛力，必要時應進行地基變形驗算?；A設計應有詳盡的地質勘察報告，對一些缺少地質報告的建筑應進行現(xiàn)場查看和參考臨近建筑資料。通常情況下，同一結構單元不宜用兩種不同的類型。
2.4合理選擇構方案
一個合理的設計必須選擇一個經濟合理的結構方案，也就是要選擇一個切實可行的結構形式和結構體系。結構體系應受力明確，傳力簡捷。同一結構單元不宜混用不同結構體系，地震區(qū)應力求平面和豎向規(guī)則。總而言之，必須對工程的設計要求、材料供應、地理環(huán)境、施工條件等情況進行綜合分析，并與建筑、電、水、暖等專業(yè)充分協(xié)商，在此基礎上進行結構選型，確定結構方案，必要時應進行多方案比較，擇優(yōu)選用。
3建筑結構設計的計算與其分析
3.1隨著計算機技術和計算方法的發(fā)展，計算機及其結構程序在結構工程中得到大量地應用，每個設計單位都在為徹底甩掉圖板而做努力。結果給部分結構工程師造成一種錯覺，覺得結構設計很簡單，只需遵循規(guī)范、手冊、圖集，等待建筑師給出一個空間形成的方案（非結構的），使用計算機，然后設法去完成它，自己只不過是一個東拼西湊的計算機畫圖匠而已。這不僅不能有效地運用他們的知識、精力和時間，而且還會與建筑師的交流中產生分歧與矛盾。
3.2結構計算階段的內容有荷載的計算、構件的試算、內力的計算、構件的計算其中荷載包括外部荷載（例如，風荷載，雪荷載，施工荷載，地下水的荷載，地震荷載，人防荷載等等）和內部荷載（例如，結構的自重荷載，使用荷載，裝修荷載等等）上述荷載的計算要根據(jù)荷載規(guī)范的要求和規(guī)定采用不同的組合值系數(shù)和準永久值系數(shù)等來進行不同工況下的組合計算。而構件的試算是根據(jù)計算出的荷載值，構造措施要求，使用要求及各種計算手冊上推薦的試算方法來初步確定構件的截面。構件的計算。根據(jù)計算出的結構內力及規(guī)范對構件的要求和限制（比如，軸壓比，剪跨比，跨高比，裂縫和撓度等等）來復核結構試算的構件是否符合規(guī)范規(guī)定和要求。如不滿足要求則要調整構件的截面或布置直到滿足要求為止。
關鍵詞：混凝土柱實腹鋼梁；結構設計
中圖分類號：U445.47+2 文獻標識碼：A
1工程概況
某復合材料廠房建筑面積為1.56萬m2，廠房采用混凝土柱實腹鋼梁結構，鋼梁與混凝土柱通過鉸接支座連接。廠房柱高為10m，柱距為6.5m，局部抽柱，廠房柱網為（4x20m）x（30x6.5m）。廠房屋面為結構找坡，坡度3％，廠房共設置起重量為5t的橋式吊車共8臺，廠房縱向設置三道柱間支撐。鋼梁采用焊接H型鋼，Q345B,鋼梁主要截面：H600x220x8x12，H（600-780）x220x8x12。該廠房屋面為輕型屋面，廠房外墻為壓型鋼板、保溫板組成的復合板材。廠房效果圖見圖1。
圖1 廠房效果圖
結構主要設計參數(shù)：該廠房位于江蘇省鎮(zhèn)江市，建筑物的安全等級為二級；結構設計使用年限為50年；基本風壓：0.40kN/m2，地面粗糙度為B類；基本雪壓：0.35kN/m2（設計基準期50年）；抗震設防烈度7度，設計地震分組為第一組，設計地震加速度為0.15g；建筑場地類別III類；多遇地震場地設計特征周期為0.45s；抗震設防類別為丙類。
2廠房方案比較
本廠房為輕屋蓋廠房，屋面恒載為0.45 kN/m2，考慮到廠房跨度較小為20m，屋面恒載較小，柱距為6.5m。考慮到項目成本控制，設計過程中本廠房進行了門式剛架結構和混凝土柱實腹鋼梁結構體系的方案比較。門式剛架結構的用鋼量約為55kg/m2，混凝土柱實腹鋼梁結構的用鋼量僅為20 kg/m2，混凝土柱為C30鋼筋混凝土336 m3。因此混凝土柱實腹鋼梁的方案經濟性遠高于門式剛架結構?；炷林鶎嵏逛摿航Y構典型剖面圖見圖2。
圖2 實腹鋼梁典型剖面圖
3廠房結構設計
混凝土柱實腹鋼梁結構為近幾年出現(xiàn)的新的結構形式，我國沒有針對此類結構體系的設計規(guī)范。該類結構設計能否按照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》進行設計，能否按照上述規(guī)程選取設計參數(shù)。
1. 鋼梁腹板的高厚比控制
《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》6.1.1.1條規(guī)定鋼梁的腹板高厚比不應大于250（235/fy）1/2，設計鋼梁截面為H（600-780）x220x8x12，鋼梁腹板最大高厚比為94.5，滿足《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》，但不滿足《建筑抗震設計規(guī)范》。混凝土柱實腹鋼梁結構嚴格意義上不能按照門式剛架體系進行設計。但是根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（2010版）9.2.14第2款，輕型屋蓋廠房，塑性耗能區(qū)板件的寬厚比限值可根據(jù)其承載力的高低按性能目標確定。參考歐、日、美等國家的抗震設計規(guī)范，根據(jù)實際工程的計算分析發(fā)現(xiàn)，可采用性能化設計按照“高延性、低彈性承載力”和“低延性、高彈性承載力”的抗震思路來確定板件的寬厚比，即當構件的強度和穩(wěn)定的承載力均滿足高承載力（兩倍多遇地震作用下的承載力，γGSGE+γEh2SE≤R/γRE）時，可采用《鋼結構設計規(guī)范》彈性設計階段的板件寬厚比要求進行控制?；炷林鶎嵏逛摿后w系設計過程中需要按兩倍多遇地震組合進行計算，鋼梁應力在兩倍多遇地震組合作用下應滿足設計要求。經過計算該復材廠房鋼梁應力比為0.91，滿足設計要求，因此可按鋼結構彈性設計階段板件高厚比控制。
針對輕型屋蓋結構的混凝土柱實腹鋼梁結構，屋面荷載較小，地震作用小，同時實腹鋼梁不是抗側力構件。需對該結構體系的鋼梁進行兩倍多遇地震組合的補充計算。綜上，混凝土鋼梁結構廠房實腹鋼梁的高厚比控制，應該綜合考慮屋面荷載大小，設防烈度情況以及鋼梁的跨度。
2. 超長廠房溫度伸縮縫的設置
本工程主廠房排架結構長度195m，超過《混凝土結構設計規(guī)范》8.1.1條100m的要求。但考慮廠房外墻為壓型鋼板、保溫板組成的復合板材，設計過程中我們在廠房縱向未設置溫度縫。設計中對廠房柱縱向溫度的作用進行計算，根據(jù)溫度計算結果增大柱弱軸方向縱向受力配筋的配置。
3. 混凝土柱頂縱向系桿的設置
《建筑抗震設計規(guī)范》9.1.24條規(guī)定，8度時跨度不小于18m的多跨廠房中柱和9度時多跨廠房各柱，柱頂宜設置通長水平壓桿，此壓桿可與梯形屋架支座處通長水平系桿合并設置。該廠房位于江蘇省鎮(zhèn)江市，抗震設防烈度為7度，設計中采用鋼梁間壓桿兼做柱頂壓桿，鋼梁間壓桿標高比柱頂標高高380mm，用梁間壓桿兼作柱頂壓桿滿足規(guī)范要求。當廠房設防烈度為8度及以上時，柱頂設置壓桿會使結構體系整體性增強，有利于結構抗震。
4結論
混凝土柱實腹鋼梁結構經濟性能較好，適宜于中等跨度、輕型屋面、地震烈度較低地區(qū)的工業(yè)廠房。該類廠房設計實腹鋼梁腹板高厚比要求除應滿足《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》的要求外，鋼梁應進行兩倍多遇地震組合作用下的補充計算。對于輕質外墻的廠房，當廠房縱向長度較長時，可以通過增強鋼筋混凝土柱弱軸兩側鋼筋的方法抵抗廠房的縱向溫度應力，以實現(xiàn)廠房縱向不設置溫度縫的目的。
參 考 文 獻：
[1] GB50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010。
[2] GB 50009-2012 建筑結構荷載規(guī)范[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010。
[3] CECS 102：2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程
[4] GB50010-2010 建筑抗震設計規(guī)范[s].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010。
作者介紹：姓名 徐清奎
工作單位 中國航空規(guī)劃建設發(fā)展有限公司
關鍵詞：鋼結構，穩(wěn)定性，可靠，失穩(wěn)。
中圖分類號：TU391文獻標識碼： A 文章編號：
鋼結構穩(wěn)定設計具有和強度問題不同的特點，在以往的設計中，遇到的問題多是小型鋼平臺，因荷載較小，高度較低，只要滿足強度要求，一般不會失穩(wěn)。在近幾年的接觸的工業(yè)工程設計實踐中，認識到保證結構整體的穩(wěn)定及其構件自身的穩(wěn)定是鋼結構設計中極其重要的內容。
經過查閱大量鋼結構資料，對鋼結構穩(wěn)定性設計的特點建立起了明確概念，認為保證鋼結構在設計中的穩(wěn)定主要包括三方面的原則。
1. 鋼結構布置時，應考慮各個環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性要求。
目前結構大多數(shù)是按照平面體系來設計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結構不致出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，需要通過結構整體布置來解決，亦即設置必要的支撐構件。這就是說，平面結構構件的平面外穩(wěn)定計算必須和結構布置相一致。例如，大跨度過路管架，一般需要做成桁架的型式，而用PKPM進行桁架的設計時，一般只是拿出桁架的一榀來進行平面內構件的強度和穩(wěn)定計算，桁架的平面外穩(wěn)定則需要通過在上下弦分別加設鋼橫梁及水平支撐來保證。
2．結構計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖相一致。
《鋼結構設計規(guī)范》中很大一部分條文都與穩(wěn)定問題有關，遵循這些條文規(guī)定，對防止出現(xiàn)結構失穩(wěn)，當然是必不可少的。然而，僅按規(guī)范條文來處理穩(wěn)定問題還很不夠，我們尚需對條文的規(guī)定有一定深度理解，并且各種因素對結構和構件穩(wěn)定性能的影響也應進行考慮。結構計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結構的穩(wěn)定計算十分重要。
在設計單層和多層框架結構時，經常不作框架穩(wěn)定性分析，而是代之以框架柱的穩(wěn)定性計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩(wěn)定時，用到的柱計算長度系數(shù)μ，自應通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算，然而，實際框架多種多樣，而設計中為了簡化計算工作，需要設定一些典型條件。《鋼結構設計規(guī)范》對單層和多層框架給出的長度系數(shù)μ采用了五條基本假定，其中，包括：“框架中所有柱子是同時喪失穩(wěn)定的，即各柱同時達到其臨近荷載?！卑凑者@條假定，框架各柱的穩(wěn)定參數(shù)應保持常數(shù)。對于最簡單的單層單跨框架來說，就是以對稱框架作為典型框架。如果結構不對稱，或者荷載不對稱，甚至二者都不對稱，柱的實際計算長度將不同于典型框架。在非對稱情況下，以單層單跨框架來說，左柱受力為，右柱受力為，當>時，左柱趨于先失穩(wěn)。但是，左柱失穩(wěn)而側移時，必然要帶動右柱一起側移，而右柱這時還未達臨界狀態(tài)，必將對側移起阻止作用，從而使左柱推遲失穩(wěn)。這就是說，框架失穩(wěn)是結構的總體問題。由于整體性，左柱得到右柱的支持，它的計算長度系數(shù)小于規(guī)范給出的數(shù)值。另一方面，右柱要對左柱提供約束，它的任務加重，計算長度系數(shù)大于規(guī)范給出的數(shù)值，其結果是兩根相同的柱在不同荷載作用下，同時失穩(wěn)。非對稱的單層單跨框架的計算長度系數(shù)可以由把規(guī)范給出的μ系數(shù)乘以一個修正系數(shù)的辦法來獲得。
對單層多跨等高框架來說，φ為常數(shù)，相當于各柱的P/I相同，圖1所示各柱的不相同的框架，按規(guī)范算得的各柱的μ系數(shù)就不能完全反映框架失穩(wěn)的實際情況，需要作出適當?shù)男拚：喕男拚椒ㄊ?，對按?guī)范得出的系數(shù)乘以修正系數(shù)β，從而得出各柱的計算長度系數(shù) 式中
P1 P2 P3
I1I2I3
圖1 參數(shù)Φ不同的單層框架
多層框架在柱φ不相等時也有μ系數(shù)修正問題，框架計算簡圖和實用方法所依據(jù)的簡圖不一致的情況，還有搖擺柱的框架，這種情況若按規(guī)范μ系數(shù)計算都會導致不安全的后果。
3.設計結構的細部構造和構件的穩(wěn)定計算必須相互配合。
結構計算和構造設計應相符，對要求傳遞彎矩和不要求傳遞彎矩的節(jié)點連接，應分別賦予它足夠的剛度和柔度，當涉及穩(wěn)定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。對簡支粱就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止粱繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。支座采用端板式，上翼緣有窄板連于支承結構，從而有效防止扭轉。為了使梁端在自身平面內少受約束，可以把窄板的螺栓孔做成長圓型。梁端雖有端板，對該截面翹曲的約束作用不大。高度不大的梁端加勁肋能夠有效防止梁端的扭轉，可以省去上翼緣的連接板。但是，既無上翼連接板又無端加勁肋，梁產生側移和扭轉時，梁端不能保持不扭，則梁的整體穩(wěn)定承載能力要比按規(guī)范系數(shù)算地要低?！朵摻Y構設計規(guī)范》規(guī)范在第4.2.1和第4.2.2條都注明“應采取措施以防止梁端截面的扭轉”。
正確進行梁整體穩(wěn)定計算，涉及的構造問題很多?！朵摻Y構設計規(guī)范》規(guī)范所規(guī)定的整體穩(wěn)定系數(shù)適用于等截面的梁包括簡支梁和懸臂梁。因此，凡截面變化的梁和端部（或其他部位）有削弱的梁規(guī)范的系數(shù)系數(shù)都不適用。從梁的抗彎強度來說，當彎矩圖變化時梁截面可以相應變化，但是，如果設計時是梁整體穩(wěn)定控制截面，則梁截面不宜變化。