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      非標結構件的計算長度

      來源:2024論文集  作者:姜志浩 梁曙光  日期:2024-8-27
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        摘要:長細比是鋼結構進行穩定計算的重要參數,而計算長度的確定則是構件分析的重點和難點。本文在介紹長細比的力學意義,列舉標準力學體系(包括軸力體系、彎矩體系)中計算長度的規定,討論在幕墻結構常用的非標力學體系中計算長度確定的方法,以解決實際項目中結構安全和幕墻效果的相互平衡。并以魚腹式桁架弦桿的長細比的確定為例,介紹了此類非標桿件計算長度的確定方法,為計算幕墻非標結構件計算長度提供借鑒方法。
        關鍵詞:幕墻非標結構件;歐拉臨界力;計算長度;魚腹桁架

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        摘要:長細比鋼結構(詞條“鋼結構”由行業大百科提供)進行穩定計算的重要參數,而計算長度的確定則是構件(詞條“構件”由行業大百科提供)分析的重點和難點。本文在介紹長細比的力學意義,列舉標準力學體系(包括軸力體系、彎矩體系)中計算長度的規定,討論在幕墻結構常用的非標力學體系中計算長度確定的方法,以解決實際項目中結構安全和幕墻效果的相互平衡。并以魚腹式桁架弦桿的長細比的確定為例,介紹了此類非標桿件計算長度的確定方法,為計算幕墻非標結構件計算長度提供借鑒方法。

        關鍵詞:幕墻非標結構件;歐拉臨界力;計算長度;魚腹桁架

        1、引言

        深圳某項目塔樓頂部因建筑效果的需要,采用大分格玻璃以實現通透大氣的立面效果,采用魚腹式桁架作為主要受力構件。桁架跨度高達18.1m,其間距為5.6m,如圖1所示,受力構件看面投影寬度僅200mm,具有極好的視覺效果,然而為達到簡潔的建筑效果,建筑師不同意室內側彎弧弦桿設置隅撐,其平面(詞條“平面”由行業大百科提供)外支撐只有上下各一道,直接套用《鋼結構設計標準》[1]GB5007-2017計算長度取18.1m,無法滿足現行規范關于長細比限值要求。

        在幕墻結構中,經常出現類似魚腹桁架這類非標力學體系,而幕墻規范多參照結構規范,很多工程師在設計中很少考慮長細比這一參數。本文以魚腹式桁架為例,探討長細比及計算長度的取值,研究設計的合規性,為幕墻非標結構件中計算長度的計算提供借鑒方法。

        2、長細比及計算長度的力學含義

        細長型壓桿的失效模式通常表現為屈曲失穩,即達到臨界壓力時壓桿受輕微側向干擾便不能恢復到原狀態;而短粗型壓桿的失效模式通常表現為材料強度失效,即材料壓潰。為防止壓桿失穩,工程師使用長細比的概念來研究其屬性、幾何形狀和預期失效行為。結合以上力學知識,我們可以將長細比視為研究壓桿屈曲失穩的幾何剛度,即用以度量壓桿長細程度、區分長短柱的工具,用數學公式可以表達為 。細長型壓桿屈曲失穩模態遵循正弦波,其波形取決于其邊界條件。根據支撐類型和負載條件,壓桿的計算長度有所不同。基于各類支撐條件,理想壓桿的屈曲模態如圖2所示,其邊界條件的自由度要么為零(即自由),要么為無限剛度,然而在實際工程中,多為介于兩者之間,即彈性約束。故實際工程中構件計算長度的確定要復雜得多。

        3、各規范中長細比及計算長度的相關規定

        3.1《鋼結構設計標準》相關規定

        《鋼結構設計標準》GB5007-2017第8.3節規定了框架柱(詞條“框架柱”由行業大百科提供)的計算長度。其中。第8.3.5條規定:框架柱在框架平面外的計算長度可取面外支撐點之間的距離。

        《鋼結構設計標準》GB5007-2017第7.4.6條規定:軸心受壓構件的長細比不宜超過表1規定的容許值,但當桿件內力(詞條“內力”由行業大百科提供)設計值不大于承載力的50%時,容許長細比值取200。

        3.2《空間網格結構(詞條“網格結構”由行業大百科提供)技術規程》[2]相關規定

        《空間網格結構技術規程》JGJ7-2010第5.1.2條規定了不同桿件的計算長度,見表2;第5.1.3條規定了桿件的長細比限值,見表3。

        3.3《玻璃幕墻工程技術規范》[3]相關規定

        《玻璃幕墻工程技術規范JGJ102-2003第6.3.9條規定:承受軸壓力和彎矩作用的立柱,其長細比不宜大于150。

        4、計算長度的概念及理論計算方法

        4.3 考慮桁架腹桿與弦桿鉸接的算例

        4.4考慮桁架腹桿鋼接的算例

        5、總結

        在校核長細比的合規性時,受限于桿件截面大小,桿件的長細比通常取決于計算長度,而計算長度主要取決節點形式與桿件的受力狀況。根據《鋼結構設計標準》,架弦桿平面外計算長度取側向支撐長度,主要原因是桁架腹桿采用鉸接,偏于安全。然而如果采用鋼接節點,桁架腹桿可視為弦桿的約束,從而避免弦桿屈曲,減小計算長度。

        分析3個算例,可以得出以下結論:

        ①弦桿和腹桿鋼接的屈曲臨界力遠大于弦桿與腹桿鉸接的屈曲臨界力,其主要原因是鋼接節點能為弦桿提供側向約束,提高了弦桿剛度,使得弦桿不容易屈曲。

        ②無論弦桿和腹桿是否鋼接,無側向支撐弦桿計算長度均大于另一弦桿側向支撐間距,但當弦桿與腹桿節點剛度較大、腹桿剛度較大時,其無側向支撐弦桿計算長度越小,并且另一弦桿側向支撐間距。

        ③魚腹桁架平面外計算長度,不等于自身側向支撐點的間距,直接套用《鋼結構設計標準》GB5007-2017偏于保守。

        如果考慮腹桿與弦桿鋼接,且腹桿能提供弦桿足夠的約束作用,桿件的計算長度可以大大減小。因此,在實際工程項目中,應結合項目進行具體分析。

        參考文獻

        [1] 鋼結構設計標準:GB 50017-2017[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2017

        [2] 空間網格結構技術規程:JGJ 7-2010[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2010

        [3] 玻璃幕墻工程技術規范:JGJ 102-2003[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2003

      作者單位:浙江中南建設集團有限公司

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      專家介紹

       梁曙光

      鋁門窗幕墻委員會專家組

      工作單位:浙江中南建設集團有限公司

      技術職稱:高級工程師

      專業:幕墻設計、幕墻施工

      專長:幕墻設計、幕墻施工、光伏幕墻、建筑幕墻照明一體化

      原文地址:http://www.52mqw.com/info/2024-8-27/50668-1.htm
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