下:σ=MxwφyWex+MywWey=12.2940.84×0.05796+0.1750.02746=258.9N/mm2>205N/mm2.风荷载作用下檩条稳定不满足要求.1.2.2 刚架斜梁稳定验算[2]刚架斜梁平直段规格如图7.单位:mm图7 梁截面Fig.7 Thecrosssectionofthebeam刚架斜梁平直段截面几何特性:Wx=1.37×106mm3.刚架平面外计算长度取2.4m,跨中弯矩设计值:Mx=323.0kN?m,φb=βb4320λ2y?AhW.[1+(λyt14.4h)2+ηb]235fy=0175,σ=MxφbWx=323.0×1060.75×1.37×106=314N/mm2>310N/mm2.刚架平面外稳定不满足要求.2 倒塌原因分析该工程所在地区雪荷载的标准值为0145kN/m2.按照承载能力极限状态分析,构件截面承载能力验算的活荷载设计值应为017kN/m2.而按照结构倒塌前屋盖上的实际荷载分析,实际荷载大小并没有超过设计的荷载组合值.也就是说从结构分析计算的角度看,尽管实际雪载较大,但并没有超过设计值,若结构不存在其他方面的缺陷,结构在短时间内的安全性是有保证的.那么为什么出现如此严重的破坏呢?这是一个值得研究和探讨的问题.2.1 檩条的设计与构造从倒塌情况看,檩条破坏是结构整体倒塌的起因.檩条发生破坏的主要原因有:设计截面偏小,拉条、屋面板等与檩条的连接构造不合理等.2.1.1 设计截面偏小 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)(以下简称《门规》)3.2.2规定,当采用压型钢板轻型屋面时,屋面竖向均布活荷载的标准值(按水平投影面积计算)应取0.5kN/m2,而对受荷水平面积大于60m2的刚架构件,屋面竖向均布活荷载的标准值可取不
小于0.3kN/m2[3].对于檩条的设计,若也取013kN/m2进行计算,会降低檩条的截面尺寸,造成设计的檩条在偶然的较大荷载作用下变形过大,对主刚架梁产生较大的不利影响.2.1.2 拉条与檩条的连接构造不合理 《门规》规定,当采用圆钢做拉条时,圆钢拉条可设在距檩条上翼缘1/3腹板高度的范围内.当在风吸力作用下檩条下翼缘受压时,拉条宜在檩条上下翼缘附近适当布置[3].但该工程拉条设置在腹板中间(如图2),致使檩条在雪荷载作用下发生了较大的侧移和扭转.2.1.3 屋面和檩条的的连接构造不合理 《门规》规定,在进行实腹檩条设计时,当屋面能阻止檩条侧向位移和扭转时,可计算檩条在风荷载效应参与组合时的强度,而整体稳定性可不做计算;当屋面不能阻止檩条侧向位移和扭转时,应计算檩条的稳定性[3].当屋面板通过自攻螺钉与檩条上翼缘直接相连时,一般认为屋面板可以约束檩条上翼缘的侧向位移和扭转,而不进行整体稳定性验算.实际调查发现,该工程屋面板与檩条之间有岩棉保温层,虽然屋面板通过自攻螺钉与檩条上翼缘相连,但屋面阻止檩条侧移和扭转的作用减弱;另外屋面板与檩条的构造也不合理,屋面压型钢板的连接件合理的做法是设于波谷,如图8所示.但为了解决屋面渗漏问题,该工程将屋面板与檩条的固定方式由图8改为了图9,由此导致屋面板对檩条侧向约束的能力大大降低. 在这种情况下应该根据檩条的整体稳定性重新验算确定截面尺寸2.2 刚架梁的设计与构造导致门式刚架梁发生平面外失稳破坏的主要原因有:檩条的不利作用;在大跨度门式刚架中,隅
撑的作用不能充分发挥,应采取更有效和合理的支撑措施;设计中应考虑跨变效应等对结构的不利影响等.2.2.1 檩条的不利作用 由于门式刚架的跨度大,刚架梁截面高度比较大,上下翼缘宽度比较窄,腹板比较薄,使得梁比较容易发生失稳破坏.一般认为屋面梁上翼缘由于与檩条和屋面板有可靠连接,可以保证其平面外稳定.檩条在雪荷载下檩条会有较大的挠度,此时檩条不但不能给梁上翼缘以有力支撑,而且对梁产生了侧向拉力,降低了梁的平面外稳定性能,从而加速了结构的破坏与倒塌.2.2.2 受压翼缘失稳引起门式刚架梁破坏 一般刚架屋面梁上翼缘平面外稳定由梁与檩条和屋面板可靠连接来保证,而屋面梁受压下翼缘的出平面稳定则通过设置隅撑来解决.隅撑设置如图10,是保证平面外稳定的有利构造措施.但对于大跨度门式刚架,屋面的荷载比较大时, 屋面梁某些截面的弯距就会很大,所需的梁的截面比较大,此时檩条、隅撑与屋面梁相比其强度和刚度就比较弱.在这种情况下,隅撑作为屋面梁受压下翼缘的平面外侧向支撑也就变得不安全了.为了解决这一问题,美国规范《建筑钢结构荷载抗力系数设计规范
》
(LoadandResistancFactorDesignSpecificationforStructuralSteelBuildings)(1999版)中,对梁受压翼缘侧向支撑的计算方法作了专门规定[4].梁受压翼缘的侧向支撑分2种形式,即相对支撑和节点支撑,如图11所示,它们均需分别满足强度和刚度的要求国外采用的相对支撑形式通常为摇摆支撑(Swaybracing),见图12.采用张紧的圆
钢,通过连接被支撑梁的下翼缘和相邻刚架梁的上翼缘,把梁下翼缘需要的支撑力传递倒相邻刚架梁的上翼缘檩条节点处,再由檩条、屋面板、刚性系杆等传递到屋面支撑体系和柱间支撑体系[5].2.2.3 设计问题 《门规》采用计算长度系数计算结构的稳定性.计算时,将门式刚架的斜梁简化为平梁,在柱顶作用等效的竖向集中荷载,然后按压弯构件验算柱子的稳定性.当柱子的稳定验算满足要求时,则认为刚架满足稳定性要求,不验算梁的平面内稳定,梁的平面外稳定靠檩条和隅撑等构造措施来解决.而该工程是单坡大跨度组成的双跨对称结构,屋面竖向均布荷载作用下,中柱刚结时刚架可能发生对称失稳,此时的薄弱构件不是柱而是梁.因此需要重新验算梁的平面内和平面外稳定.设计规范给出的计算方法不考虑横梁存在轴向压力,如果压力很大,横梁可能成为框架的弱势构件并引发无侧移失稳.该工程的中柱为刚结,其失稳形式为对称失稳,说明构造引起的梁轴力是不可忽视的,但按照规范方法分析并没有考虑这一情况.研究表明,计算大跨度门式刚架的稳定性时,必须考虑梁轴力的影响[6].《门规》采用的计算长度系数法,假定梁两端转角相等(有侧移)或大小相等方向相反(无侧移).这种假定不适合梁远端铰结或嵌固的情况,也无法正确计算有摇摆柱的情况[6].中柱柱顶铰结时,中柱为摇摆柱.而中间梁、柱节点为刚结时,梁的受力及承载能力计算会有很大的差异.2.3 刚架柱的设计与构造《门规》规定通过验算柱的稳定性,来保证整体结构的稳定性.但该工程在门式刚架梁破坏前,柱并没有发生破坏.
刚架发生倒塌主要是因为梁发生了很大的扭曲变形,使梁柱节点和柱发生破坏,最终导致整体结构倒塌.因此,设计和构造方面的缺陷,可能引起梁的破坏先于柱,最后整体结构破坏倒塌.除此之外,刚架柱的设计与构造中,还应注意如下问题:(1)无侧移失稳时的计算长度系数问题.由上所述,门式刚架平面内整体稳定性的验算主要采用计算长度系数法.在屋面出现较大竖向荷载,并且高跨比小于1/5时,刚架发生的失稳模式为对称失稳,而不是有侧移失稳[7],计算长度系数是小于1的[8],此时按规范分析刚架是偏于不安全的[6].(2)变截面柱的稳定计算问题.《门规》中计算变截面柱在刚架平面内的稳定时,参照美国标准AISC《钢结构房屋荷载和抗力系数设计规范》(1993)的规定[3],变截面柱的稳定计算仍采用等截面构件的相关公式,只是作了一些变动;变截面柱平面外稳定的相关公式仍按GB50018规范以有效截面特性为准,不过对弯距项增加了等效弯距系数;而在美国标准中未区分弯距作用平面内和平面外的稳定.3 结 语本文结合一实际工程的倒塌分析,提出了门式刚架轻钢结构在荷载取值、檩条与隅撑构造,拉条、屋面板与檩条的连接,刚架的整体稳定性验算等方面存在和需要解决的问题.(1)从该工程破坏的起因和后果看,在门式刚架轻钢结构设计和构造中,一些次要的构件和构造,如檩条、拉条的设置等的设计和构造处理不当,可能引起严重的工程事故,该工程就是很好的例证.因此,次要构件的设计及其构造处理,应引起设计者足足够的重视.(2)在大跨度门式刚架轻型钢结构设计中,为增加门式刚
架的整体稳定性,特别是刚架梁的稳定性,隅撑等构造处理非常重要,同时要尽量提高屋面的刚度.调查表明,采用双层夹心彩钢屋面的结构,由于双层夹心彩钢屋面板的作用,增加了檩条的平面外稳定性,减小了檩条的挠曲变形,梁的稳定性也得到了提高,破坏和倒塌的几率大大降低.(3)目前门式刚架的整体稳定性,是通过采用计算长度系数法,计算柱的稳定性来保证的.认为只要柱子的稳定满足要求,则刚架满足要求,不考虑斜梁上轴力和弯距对结构稳定产生的影响,也不从整体上考虑结构的稳定性.而实际工程破坏倒塌表明,结构的整体破坏和倒塌是梁的失稳造成的.在屋面出现较大竖向荷载,该工程为两榀单坡刚架组成的对称结构,刚架发生的失稳模式为对称失稳,而不是有侧移失稳,计算长度系数是小于1的[8],此时按规范分析刚架是偏于不安全的.参考文献:[1] 中华人民设部.GB50009-2001建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002:25-30.[2] 中华人民共和国建设部.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.[3] 中国建筑金属结构协会建筑钢结结构委员会.CEC