如何做好钢结构设计系列讲座——基本设计规定和材料选用

金环建设集团有限公司2019-07-06 22:41:48

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本期作者:姜德进

教授级高级工程师,享受国务院政府特殊津贴专家。1970年毕业于清华大学土木系,1983年西安建筑科技大学结构工程研究生毕业,获工学硕士学位。曾任职于马鞍山钢铁设计研究院、中冶华天工程技术有限公司。参与和主持了多项公共建筑和钢铁企业的厂房及特种构筑物的设计与研究工作。1991年、1997年被聘为全国贮藏构筑物标准技术委员会委员。1994年研制的布帘式密封贮气柜壳体获国家专利。先后在国内外刊物及会议上发表论文10余篇,并有多篇论文获奖


本次文章给大家介绍的是一位老钢结构专家给员工的讲座内容。由于内容多,篇幅较长,计划分批给各位介绍。



1. 前言


2. 基本设计规定

3. 钢材和连接材料的选用

4. 受弯构件的设计

5. 轴心受力及拉弯、压弯构件的设计

6. 构件的计算长度和允许长细比

7. 节点的设计

一.前言

钢结构规范GB50017是新中国的第三本普通钢结构规范,从1988年到2003年,历经15年修订,基本上全面的反映了目前国内钢结构的理论研究水平,内容十分丰富。要想全面透彻的了解规范中每条规定的来龙去脉,超出了对设计工程师的要求,不必条条知其所以然。因为有一些规范中计算公式的推导涉及到很多专题研究课题,就是编制规范的人员也不可能面面俱到。


但个人认为:对于规范中的公式,应该知道基本的概念,即应该知道该公式讲什么东西,这些东西用在哪儿,怎样用。



本讲座的对象是那些或多或少做过或者接触过钢结构的设计人员,因此本次讲座还是结合设计的需求,围绕我们目前设计所经常遇到的问题来进行,不对新规范逐条的进行解释。希望通过本次学习,各位能在钢结构设计方面有所提高,能对新规范的要点和涉及到的一些基本概念(这也是钢结构的要点和基本概念)有所基本了解和掌握。一些细节和具体的计算,根据规范逐步逐条按部就班仔细计算就行了。


归根结底,学习规范的目的是要提高钢结构设计水平,而不是死记硬背一些条文。

和其它的专业设计一样,概念设计是非常重要的。


因此本讲座将十分注重概念的介绍而不是公式的介绍。基本概念是否有所基本了解和掌握有一个很简单而又十分有用的检测方法,目前业已颁布的比较重要的规范的开始部分,一般都有术语和符号,如果对这些术语和符号都能心中有数,那么就说明你对该规范所涉及的基本概念基本掌握。有意想进一步钻研的同志,可以认真阅读本次规范的条文说明。

和混凝土结构相比,钢结构自身重量轻,工厂制作精度高,现场安装方便。加固改造方便,且拆卸后可回炉冶炼,基本没有难以处理的垃圾,因此目前运用越来越广。但和任何事物都具有两面性一样,重量轻,则截面单薄,稳定的问题就势必很突出;安装方便,则对连接节点和工厂制作提出了较高的要求。同样的矛盾反映到设计也是如此,要做好钢结构设计,必须对钢结构的材料,制作,安装有较全面的了解。

一般的工业和民用混凝土结构,目前除厂房柱子外,预制的钢筋混凝土构件已经为数不多,一般现浇为主,因此制作和节点相对简单。而钢结构就相对复杂一些,它是在工厂里把零件拼接成构件,构件运到现场再连接成结构。因此除了对构件的力学分析清楚以外,对零件的构成,构件的拼接也要有清楚的了解,这样才能做出好的设计。


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尤其是目前一些大跨度的空间结构,有时节点的设计和施工,会牵涉到整个工程的成败。这就要求设计者对钢材的性能,对连接件(主要是焊条和螺栓)的性能及连接的节点等都要全面的掌握才行。




做任何设计都要“胸有成竹”,既要清楚设计的对象是什么,又要知道对象是怎样做出来的,这样才能真正做好设计。可以这样说:


A

材料,节点,稳定是钢结构的三大要素,三个代表。


必须掌握。前面两点很多设计者都不太注意,许多钢结构教材和设计手册也论述地不是太好。从表面看起来这两点似乎没有什么高深的理论,但要真正掌握,而且在设计中能融会贯通,绝非短时间一蹴而就之事。

尤其是节点设计,更反映了设计的水平。

稳定对于钢结构的重要是不言而喻的,许多教材也是一开始就列举了很多工程事故,说明稳定的重要性。作为设计者,考虑稳定,不仅在设计柱子的时候要想到稳定,这一点多数人都比较了解,因为在材料力学中就提到欧拉临界力的问题。但对于一些间接受压构件的稳定和构件的局部稳定,许多设计者就比较生疏了。前者比如一根受弯的梁,它的上翼缘受压而又没有侧向支撑,其上翼缘就会象柱子一样发生侧向屈曲,而处于稳定状态的其余部分又起阻止作用,最后梁就会发生既有侧向移动又有转动的,这就是梁的侧向屈曲,这也就是为什么梁也要考虑稳定的原因 。因此我们遇到吊车梁及没有铺板的大梁就要必须考虑稳定问题,而不是仅仅计算强度和挠度就完事了。局部稳定通常是与板密切关联的,梁的腹板,柱子的腹板,都有局部稳定的问题。但也不是凡是有腹板都会产生失稳,曾经看到不少人的图纸,凡是梁或是柱,不管三七二十一,一律1.5倍h0加劲肋全部加上,这样做不但不合情理,浪费材料,而且还会给结构的节点以及施工带来不必要的麻烦,关于这一点我们在下面的章节会举例加以说明。还要指出的是有时要考虑多种失稳状态,比如压杆,除了有弯曲屈曲以外,还可能产生扭转屈曲和弯扭屈曲,老的规范GBJ17-88没有关于压杆弯扭屈曲的章节,新规范则增加了与此有关的条款。凡是截面为单轴对称的压杆,都应该考虑弯扭屈曲的可能性。因此作为一种低级的解决办法是柱子尽量用双轴对称的截面。但在桁架和塔架中则是不可能避免的。总之,在钢结构设计中,只要有受压的地方,就要产生刚度的减弱,就应该考虑稳定问题。还有一个值得注意的概念是:刚度大的构件给刚度小的构件提供加强刚度作用时,自身的刚度必然减弱。


稳定和强度是两个截然不同的概念。强度是构件截面的应力达到某种极限状态;而稳定是整个构件(或结构)的承载力达到某种极限状态,是整个构件(或结构)的刚度达到某种极限状态。 下面以一个简单的例子来说明和加深对这个问题的理解。




如图1所示,两个轴心受压杆,除了边界条件不同,一个是两端简支,一个是一端固定,一端自由外,其它全部一样。显然,两个杆的截面上的应力状态应该完全一样,强度应该一样。现在把P力逐渐加大,两个杆的截面上的应力将同步增加。但是,当P力增大到某一数值时,B杆就会首先发生侧曲,而且随着P力的进一步增加,B杆的侧曲会越来越大,直到破坏。注意到在发生侧曲的瞬间,两个杆的截面上的应力状态仍然完全一样,但两个杆的变形却截然不一样,这就是稳定问题和强度问题的区别,从物理意义上说,是因为两者的约束不同,因此两者的抗侧移刚度不一样;从计算的角度说,B杆的计算长度是A杆的两倍,因此长细比相差两倍,稳定系数

在我国第一本钢结构设计规范TJ17-74中,关于轴心受压构件稳定性计算公式为:


,而在GBJ17-88和现在的GB50017中,关于轴心受压构件稳定性计算公式改正为:TJ17-74的计算公式反映了当时在稳定问题上的概念混淆,如果将该式改写为;


,那才是正确的表达式。因此考虑稳定问题,必须从构件的整体乃至整个结构加以全面的考虑才行。

平心而论,稳定是一个比较复杂的问题,也是钢结构设计的核心问题,时至今日,依然是一个活跃的理论领域,有些观点和理论,仍然在不断的更新和提高。但是,要做钢结构设计就得面对这一难题。没有任何捷径可走,只有不断的学习,才能逐步的掌握它。

前面已经提及钢结构设计与制作,安装密切相关,因此有三本与此相应的规范必须比较全面的掌握:它们是《钢结构工程施工质量验收规范 GB50205-2001》,《建筑钢结构焊接技术规程 JGJ81-2002》和《钢结构高强度螺栓连接的设计,施工及验收规程JGJ82-91》。后两本的内容有一部分已包括在第一本中。此外还应该对一些材料标准,型材标准,连接件标准等都应该熟悉,在《钢结构设计规范 GB50017-2003》第3.3节“材料选用”中大部分已经提及。另外还有两本与钢结构密切相关的设计规范,它们是《冷弯薄壁型钢结构技术规程 GB50018-2002》,《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102:2002》,也是常常要用到的。

另外还要说两句题外话。

一是要想做好设计,仅仅注重从书本上学是绝对不够的,一定要多下现场,多观察,多实践,多总结才行。“纸上得来终觉浅,绝尽此事须躬行”。这是宋朝陆游《示儿》诗中的句字,强调了实践的重要性。事事都自己做,当然不可能。但可以多观察,观察是很重要的,现在外面的构筑物很多,仔细的看看别人是怎样做的,也是一种很好的学习,有些东西从图纸上看很复杂,到现场实物一看,很简单。所谓”留心处处皆学问”,这一道理同样适合于钢结构学习。

是不要迷信,不要迷信权威,不要迷信书本,要批判的学习,现在市面上各种资料、手册铺天盖地,动辄几十万字,数卷精装本,其实大都是你抄过来,他抄过去,甚至以讹传讹,不可全信。就是国家规范,那也是仅仅反映了某一时期一部分人对客观事物的认识,因此不可避免的具有局限性。事物总要发展,认识总要深入,世上绝没有一成不变的东西。尤其是年轻人,应该有这种信念。

二,基本设计规定和材料选用

钢结构设计规范中,都有强制性条文,用黑体字写出来。这种强制性条文一般都要无条件遵守。在P.1页1.0.5条中“在钢结构设计文件中,应注明建筑结构的使用年限,钢材牌号,连接材料的型号(或钢号)和对钢材所要求的力学性能,化学成分及其他的附加保证项目。此外,还应注明所要求的焊缝形式,焊缝质量等级,端面刨平顶紧部位及对施工的要求。”

这几条是设计说明中必须要说明的条款,也是实际施工过程中首先要解决的问题。这几条看起来简单,实际上有丰富的内涵,它涉及了材料,节点这两个基本要素中大部分要点。只有对这几条的内容有全面的、实质性的了解,且能正确的加以运用,才能做出较好的钢结构设计。因此下面将比较细致地将这几条与新规范的相应的规定结合起来进行讲解。

关于使用年限在《建筑结构可靠度设计统一标准 GB 50068-2001》中明规定了四类:1.5年(临时性建筑),2.25年(易于替换的结构构件),3.50年(普通房屋和构筑物),4.100年(纪念性建筑和特别重要的建筑结构)。很明显,一般的民用和工业建筑的使用年限为50年。安全等级为二级

钢材牌号,我们目前承重结构通常用到两种,即碳素结构钢(Q235)和低合金高强度结构钢(Q345),它们相应的标准是(GB/T700 )和(GB/T1591)。由于国标编号已经定死,以后若有变更,仅后面的年号变更,不写年号反而不容易出现失误,它表明采用的是目前的标准。

规范还推荐了Q390和Q420,这两种和Q345一样,属于低合金高强度结构钢。Q235又分为A,B,C,D四个质量等级,即Q235—A~D。A级钢不做冲击实验,而B,C,D级则分别保证在20 0C,0 0 C,-20 0C时V型冲击功不小于27 J(焦耳)。Q345则分为A,B,C,D,E五个质量等级,即Q345—A~E。A级钢不做冲击实验,而B,C,D级分别保证在20 0C,0 0 C,-20 0C时V型冲击功不小于34 J(焦耳)。E级则保证-40 0C时V型冲击功不小于27 J(焦耳)。显然,Q345-B的抗冲击韧性要大于Q235-B,要注意Q235-B不要写成Q235B,忘了中间的一横。因为这些钢材都是GB上的材料,当指明牌号和标准时,标准上已有的性能和指标等等在设计说明中就不必重复了。

按现在钢结构设计规范,Q235-A是不能用于承重焊接结构的。其理由是在(GB/T700—88)中第5.1.1.5条注明:“在保证钢材力学性能符合本标准规定情况下,各牌号A级钢的碳,锰,硅含量和各牌号其它等级钢碳,锰含量下限可以不作为交货条件,但其含量(熔炼分析)应在质量证明书中注明。”这就表明A级钢的碳,锰,硅含量是不保证的。在(GB/T700—88)中第5.4.1.3条注明:“各牌号A级钢的冷弯实验,在需方有要求时才进行。当冷弯实验合格时,抗拉强度上限可以不作为交货条件。”由于碳含量对钢材的可焊性影响很大,所以从表面上看,既然A级钢的碳,锰,硅含量不保证,那么Q235—A是不能用于焊接结构的。目前流行于市的教科书以及钢结构设计手册大都持此观点。

但目前国内市场上,很多板材和型材都是Q235-A,而且也大量的用于承重焊接结构上,还没有听到因母材采用Q235-A而发生事故的,这表明Q235-A的质量还是能满足一般的承重焊接结构的,事实上,根据GB/T700,Q235-A的基本力学性能和化学成分是可以满足一般的承重焊接结构的要求的

武汉理工大学刘声扬教授在曾经出版的《钢结构疑难释义第三版》中也强烈支持Q235-A可以用于一般的承重焊接结构上这一观点[5]。原重庆建工学院的三次大规模关于钢材质量的专项调查已经证实了近年来国产钢材的质量有很大的提高[2],但如果按照新规范,Q235-A几乎就是废品,这无论从理论上或是从实际上来说,都是很不合适的。Q235-A是可以用在一般的承重焊接结构中的。但为了保险和合法起见,建议在材料说明中,补充要求冷弯合格和碳含量≤0.22的附加条件,这样就可以满足规范 3.3.3条的要求(事实上,只要是合格的Q235-A,这两条总是可以满足的)。用Q235-A替代Q235-B也是在现场经常碰到的问题,可以按上面的要求处理。

要指出的是,焊接难易程度比较科学的说法是取决于钢材的碳当量而不是碳含量。在《建筑钢结构焊接技术规程 JGJ81-2002》有明确的说明,碳当量Ceq﹤0.38时是一般焊接难度。

Ceq =C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15        (1)

式中   C,Mn,Cr,Mo,V,Ni,Cu分别为碳,锰,铬,钼,钒,铌,铜的含量(%)。该式也是国际焊接学会推荐的公式。实际上对于一个合格的焊工,焊接Q235是很容易的事。

为了满足国内高层和超高层建筑对钢材材质的更高要求,目前有些钢厂已生产出质量更高的Q235和Q345钢材,并且有相应的行业标准《高层建筑结构用钢板 YB4104-2000》,其牌号为Q235GJ,Q345GJ,Q235GJZ,Q345GJZ,每种有C、D、E三个质量等级,有Z的牌号对厚度方向性能有保证。这些钢材的性能比Q235,Q345有很大的提高。

规范3.3.4条:“对于需要验算疲劳的焊接结构钢材,应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于00C但高于-200C时,Q235钢和Q345钢应具有00C冲击韧性的合格保证;…。”什么时候需要验算疲劳?请看规范6.1.1条:“直接乘受动力荷载作用的钢结构构件及其连接,当应力变化的循环次数n等于或大于5×104时,应进行疲劳计算。”6.1.3条:“… 在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳。”这里没有明确n的时间范围,在一些资料中也没有明确的提及,如果是50年,那么5×104/50/360=2.8次/天。因此如果一个构件在一天中,受到三次动力荷载作用,且出现拉应力,就要进行疲劳计算。从实际运用讲,中级工作制的吊车梁就应该考虑疲劳问题(当吊车的工作制A1~A3为轻级,A4、A5为中级,A6~A8为重级)。

所谓的结构工作温度在规范的3.3.2条的说明中(P.168)说道:“…建议采用《采暖通风与空气调节设计规范》GBJ19-87(2001版)中所列的“最低日平均温度”。”查一下该规范,韶关以北包括韶关最低日平均温度均不高于0C(南京是-0C),这样,目前我们国内绝大部分地区的中级,重级工作制吊车梁都要选用Q235-C,显然这一建议是不合适的。而且不分室内外,也太笼统。有人建议取最低日平均温度加10度,看来是合适的。

实践是检验真理的唯一标准,这么多年长江沿岸吊车梁一直用Q235-B,没有发现什么问题嘛!我国压力容器设计规范《钢制球型储罐 GB12337-1998》使用环境温度这一温度来作为工作温度,取值为月平均最低温度(见该规范附录A1.3条)。要求要宽松一些。

连接材料主要是螺栓和焊条(丝)。建筑钢结构所用的螺栓有两大类,即普通螺栓和高强度螺栓。普通螺栓和高强度螺栓的主要区别在于其机械性能不同,也即性能等级不同;在螺孔的精度上也有区别。在设计中经常注明的“高强度螺栓8.8级”,8.8即为性能等级,小数点前一个数字8表示该螺栓材料热处理后的抗拉强度≥800N/mm2,小数点后一个数字8则表示该材料的屈强比(屈服点与抗拉强度比值)为0.8,10.9级则表示该材料的抗拉强度≥1000N/mm2, 屈强比为0.9。屈强比大则材料的韧性差,不宜重复使用。尤其是10.9级的只能用一次。目前我国使用的高强度螺栓只有8.8和10.9级,可以写为8.8s和10.9s。普通螺栓分A,B,C三级。C级为粗制螺栓,用Q235(通常用Q235-B以保证有良好的韧性)制作,性能等级为4.6或4.8级,A,B级为精制螺栓,如果用Q345制作则性能等级为5.6,若用其它低合金钢也有8.8级。普通螺栓一般在设计时不注明性能等级,但要注明钢号。事实上目前建筑钢结构已基本不用精制螺栓,因为它对螺栓和螺孔的要求都很高。在建筑钢结构需要用到精制螺栓的场合,都可以用高强度螺栓来取代它,而高强度螺栓对螺孔的要求与C级螺栓一样。加工和安装都比较方便。

承压型高强度螺栓(或摩擦型高强度螺栓)是一个错误的术语,它将螺栓的连接的方式(连接的力学模式)和螺栓的种类(外形和性能)这两个风马牛不相及的概念混为一谈,本次新规范已纠正了这一错误。再强调一下:高强度螺栓就螺栓本身而言,目前国内用于建筑钢结构的有两种,即大六角头型高强度螺栓和扭剪型高强度螺栓,前者有8.8s和10.9s,后者只有10.9s。连接副表示一套螺栓,螺母和垫圈(大六角头高强度螺栓有两个垫圈),这两种螺栓都可以用于承压型或是摩擦型连接。承压型连接,以连接破坏(即螺栓的破坏或是连接构件的破坏)为承载能力的极限状态。因此承压型连接的高强度螺栓的计算与普通螺栓的计算一样,对连接构件的接触面仅要求清除油污和浮锈。但承压型连接依然要求对螺栓施加与承压型连接同样的预拉力(这一点与美国规范不一样),因此当连接发生破坏时,节点处的变形要比普通螺栓连接小得多。摩擦型连接是以连接板层之间出现滑动为承载能力的极限状态。当连接板层之间出现滑动时,螺栓的潜力远远没有发挥出来,因此,在同样的内力情况下,螺栓的数量要比以破坏为极限状态增加很多。所以,在变形要求不是很严格的地方和荷载作用不会产生反向内力的情况,都应该推广应用承压型连接。比如轻钢厂房和一些以静载为主的结构。如果运用摩擦型连接,就应该尽量提高抗滑移系数μ,充分发挥高强度螺栓的作用。采用高强度螺栓时,除了说明强度等级外,必须说明连接形式,如果是摩擦型连接,还要给出抗滑移系数μ的值。之所以叫抗滑移系数,是因为其值随板间的压力减小而降低,不同于物理学中摩擦系数为定值。

有不少设计者喜欢在说明焊条时注明具体的焊条牌号,如E4301,E4315,E5015等。其实焊条的具体牌号是由焊接工艺所决定的,制造商根据自己的设备,操作习惯,焊接环境及焊接方位(如平焊,仰焊等)可以选择不同牌号的焊条。除有特殊要求,设计者只需根据母材的种类选择与其匹配的相同强度等级的焊条即可。即Q235 选择E43,Q345 选择E50,无须给出具体的焊条牌号。强度不同的钢材在连接时,应选择与低强度钢材相匹配的焊条。

鉴于现有的焊接技术尚无法避免焊接过程中焊接缺陷的产生,因此必须采取一定措施将焊接缺陷控制在允许的范围内。实践证明通过制定焊接缺陷质量要求标准进行约束是一种有效的手段。在《钢结构工程施工质量验收规范GB50205》中就将焊缝质量等级分为3级,即一,二,三级。如果经过检查,焊接缺陷不超过我们所要求的级别的各项规定,则焊接过程中焊接缺陷就得到了控制。

规范对于焊缝的质量等级在7.1.1条(P.63)做出了4条规定。但似乎叙述的不够清楚,有些术语也不统一。焊接接头的基本类型实际上只有5种,如图2所示:




图2中,(a)为对接接头,(b)为搭接接头,(c)为T形(十字)接头,(d)为角接头,(e) 为端接头。(f)实际上是 T形接头,但在建筑钢结构中,为了强调在吊车梁的上翼缘处这种焊缝必须焊透,就另外起了个名字;在GB50205中5.2.5条称为对接和角对接组合焊缝,在JGJ81-2002中4.3.1条称为对接与角接组合焊缝,GB50017中7.1.1条的第1小条中称为T形对接与角接组合焊缝;在第3小条中称为对接与角接组合焊缝。有三种称呼,其实还是称为融透角焊缝比较合适。就我们目前所涉及的设计领域,需要进行疲劳验算的构件,就是吊车梁。因此7.1.1条关于焊缝的质量等级不妨简叙如下:“起重量大于50t的中级工作制和重级工作制的吊车梁,所有的对接焊缝均应该焊透,其下翼缘的横向对接焊缝质量等级为一级,其余对接焊缝为二级,角焊缝的外观质量等级为二级;腹板与上翼缘的T型接头焊缝也应焊透,焊脚尺寸详见图纸。其它的情况对接焊缝质量等级为二级,角焊缝的质量等级为三级。”由于角焊缝不能用超声波探伤,因此最严格也只能要求外观质量等级为二级。

在加引弧板施焊的情况下,一,二级对接焊缝均与母材等强,因此其焊缝是不用计算的,有的设计手册[6]要求:当吊车梁下翼缘对接焊缝位于跨中的1/3范围内时,宜采用450~550斜缝对接,这一要求显然是错误的。

对于建筑钢结构,焊缝质量要达到一级标准是很困难的。特别是在采用手工电弧焊且剖口较深的时候,一般的焊工很难做到。新规范中级工作制的吊车梁对接焊缝下翼缘焊缝质量有些偏严。

在GB50205中,三个质量等级对于焊缝的内部缺陷超声波探伤,外观质量标准及检验方法都做了明确的规定。GB50205规定:“设计要求全焊透的一,二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验,焊缝内部缺陷分级及探伤方法应符合国家现行标准《钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法》GB11345的规定,对于一级,二级焊缝的探伤结果应符合表 5.2.4的规定。”

一,二级焊缝质量等级        表  5.2.4

     焊缝质量等级

一级

二级

 

内部缺陷超声波探伤

  评定等级


  检验等级

B级                        

B级


探伤比例

100%

20%

在GB11345中检验等级分为A,B,C三个级别,评定等级分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ四个级别(注意质量等级一,二是汉字,而评定等级是罗马字)。所谓检验等级,说通俗一些,就是检验方法。根据探测方向(取决于探头角度,探伤侧,探伤面及探头移动角度等)的多少,分为A,B,C三个级别,它体现了检验的完善程度,按A,B,C 逐级提高。其检验工作的难度系数也逐级提高。对于建筑钢结构以及压力容器目前我国超声波探伤的检验等级都采用B级。当检验方法(即检验等级)确定以后,根据用该种方法检测出来焊缝中缺陷的情况,对其结果进行等级分类,就是所谓的评定等级,这个评定等级是用罗马字符来表示的,质量等级和评定等级是两回事,但经常会发生混淆。还要指出的是对于高炉炉壳、热风炉炉壳、除尘器外壳及管道外壳的对接焊缝,根据前冶金部的行业标准《冶金机械设备安装工程施工及验收规范 炼铁设备 YBJ208-85》中规定和实际使用情况,此类焊缝的质量等级也可以定为二级。

钢结构还有一个防锈的问题,正规的称呼应该是涂装,涂装包括表面除锈和涂刷涂料两个内容。“钢材表面须认真除锈”这样的说明缺乏具体的标准,应该注明除锈等级Sa2.5,或除锈等级St3。Sa1,Sa2,Sa2.5,Sa3是喷射或抛射(通常说的喷砂只是其中一种)的等级要求,共有4级。手工和动力工具除锈等级只有St2,St3两种。我国对于除锈等级早已有国家标准《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级 GB8923-88》。喷射除锈不仅除锈彻底,而且能在钢材表面形成微小的凸凹面,有利于涂料与钢材的黏结,大大提高防腐的年限。值得大力推广。涂料(油漆)的种类很多,可以针对不同的情况,选用不同的系列油漆,设计时还应该给出各层漆膜的厚度和总厚度。一般的室内钢结构用130μm,室外用160μm,如果环境介质的腐蚀性大,厚度要增加。

三 设计原则

3.1 设计原则

设计原则这一章没有太多的变化,要注意的是疲劳计算是按承载能力极限状态来进行设计的,但计算时用荷载标准值。

计算吊车梁的疲劳和挠度时,取荷载效应最大的一台吊车计算。

3.2 荷载和荷载效应计算

这一节两条需注意的内容。一是横向水平力,二是对框架的计算做出了比较详细的规定,着重指出对于竖向荷载较大和侧向刚度较小的框架宜按二阶弹性分析。

横向水平力用于计算重级工作制吊车梁及其制动结构的强度、稳定性以及连接的强度。此力与最大轮压有关,仅作用在轮压处。而荷载规范里的横向水平荷载用于计算框排架,这一荷载与吊车的小车重量及起重量之和有关,它是等分作用于桥架的两端。之所以加这一条是原规定理由不充分且荷载值偏小。

一阶弹性分析和二阶弹性分析是结构分析中经常用到的两种方法和两个重要的概念。所谓一阶是指不考虑结构的变形对荷载作用的影响,力的平衡是按变形前的杆件轴线建立的,也就是结构力学的方法。而用二阶分析时,力的平衡是按变形后的杆件轴线建立的。弹性分析是指假定结构始终处在弹性阶段,在计算中变形模量E始终取常量206×103N/mm2。在弹塑性分析中则变形模量E值是变化的。

以一个简单的例子来说明一阶弹性分析和二阶弹性分析的区别。在图.3中(a)为一阶分析的简图,(b)为二阶分析的简图。


按一阶分析,柱底A的弯矩M1=Hh

柱顶位移δⅠ=Hh3/(3EI),位移与P无关。而按二阶分析时,注意力的平衡是建立在变形后的轴线上的。从(b)图可以得到,柱底A的弯矩M=Pδ+Hh而柱顶位移δⅡ=;式中。可以看出弯矩和位移都有所增加,这也就是常说的所谓应。比较两种方法,可以看出,按二阶分析更接近于实际,但工作量则大大增加且公式中包含了超越函数。因此规范中用了“对

>0.1的框架结构宜采用二阶弹性分析方法,如果层间位移

,则有,即计算层各柱轴心压力设计之和是本层及以上各层水平力40倍以上时,宜采用二阶弹性分析方法。事实上从图(b)可以看出P比较大时,二阶效应才比较明显。

当采用二阶分析时,考虑到实际框架必然存在着各种缺陷(如初倾斜,残余应力等),因此用在柱顶加一个假想水平力,也称概念力(notional force),来体现缺陷的影响:

是钢材强度影响系数,对于Q235为1.0;Q345为1.1;Q390为1.2;Q420为1.25。 这里要说明一下实际计算时,可以先按一阶分析计算,然后根据

的大小,决定是否采用二阶分析,当此值>0.25,宜增加框架刚度重新计算。由于规范没有明确H是何种类型值,因此值只能取设计值产生的位移。如果<0.1,则不必考虑用二阶分析,当然也就不必加水平力。从实用的角度,最好是增加框架的侧移刚度,免去二阶分析的烦琐。考虑到二阶分析的复杂性,规范给出了无支撑纯框架的近似计算方法。这一方法只需要进行一阶计算,然后引入一个放大系数去乘侧移产生的弯矩,就可以得到比较准确的结果。其方法在规范的条文说明(P.166)已经清楚地给出。要注意的是用二阶分析且加上理想力后,计算稳定时各柱的计算长度就取实际长度。另外由于二阶分析不是线性分析,其计算出的内力是不能迭加的,要求出最大内力,只有事先组合荷载才行。