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        新舊鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范階形柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的對(duì)比分析

        2021-03-31 01:01:44楊悠子李建業(yè)
        四川建筑 2021年1期
        關(guān)鍵詞:規(guī)范工程

        楊悠子, 李建業(yè), 朱 恒, 王 曦

        (中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司建研科技股份有限公司, 北京 100013)

        2018年推出的GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(以下稱為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn))中,階形柱計(jì)算長(zhǎng)度的計(jì)算方法,對(duì)比GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下稱為03版規(guī)范)有較大改動(dòng),本文針對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與03版規(guī)范階形柱計(jì)算長(zhǎng)度的計(jì)算方法及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

        1 等截面單階柱計(jì)算長(zhǎng)度的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與03版規(guī)范計(jì)算方法的對(duì)比與分析

        1.1 03版規(guī)范等截面單階柱的計(jì)算方法

        針對(duì)單階柱面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度的計(jì)算方法,03版規(guī)范按5.3.4第1款,先按附錄D考慮,當(dāng)柱上端與梁鉸接時(shí)根據(jù)表D-4方法,當(dāng)柱上端與梁剛接時(shí)根據(jù)表D-5方法,計(jì)算出下段柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù),再分別計(jì)算上段柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)[1]。

        為對(duì)比分析現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與03版規(guī)范計(jì)算方法的差異,下面以一單層鋼結(jié)構(gòu)廠房實(shí)際工程為例,先按照03版規(guī)范計(jì)算方法計(jì)算柱的計(jì)算長(zhǎng)度。工程一如圖1所示,柱子為等截面工形柱,高6 m,在4.5 m柱高位置布置5 t吊車(chē)。兩根梁為變截面梁,各節(jié)點(diǎn)剛接,柱與基礎(chǔ)剛接。構(gòu)件截面尺寸如圖2所示。上段柱的軸心力N1=69.157kN、下段柱的軸心力N2=291.290kN,上下段柱的慣性矩I1=I2=0.0002818m4。

        圖1 單層鋼結(jié)構(gòu)廠房(單位:mm)

        圖2 柱截面與梁截面(單位:mm)

        03版規(guī)范單階柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的計(jì)算按照規(guī)范5.3.4條第1款。本工程柱上端與橫梁剛接,所以按規(guī)范附錄D表D-4的計(jì)算方法。

        上、下段柱的面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度分別為H1x=1.928×1.5=2.892m、H2x=1.296×4.5=5.832m。

        1.2 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)等截面單階柱的計(jì)算方法

        現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與03版規(guī)范單階柱的計(jì)算方法有較大差異。首先,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分等截面單階柱與變截面單階柱的計(jì)算方法,等截面單階柱計(jì)算長(zhǎng)度計(jì)算按照8.3.2條,變截面單階柱計(jì)算長(zhǎng)度計(jì)算按照8.3.3條。其次,對(duì)于變截面單階柱03版規(guī)范只區(qū)分了柱上端與梁鉸接和柱上端與梁剛接兩種情況,而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)變截面單階柱分為柱上端與梁鉸接、柱上端與桁架型橫梁剛接、柱上端與實(shí)腹型橫梁剛接三種情況[2]。

        1.3 等截面單階柱計(jì)算結(jié)果的對(duì)比與分析

        為對(duì)比分析及論證,針對(duì)工程一進(jìn)行修改,分別以6個(gè)新工程進(jìn)行計(jì)算。將柱上端與梁的連接改為鉸接后計(jì)算一遍;將吊車(chē)起重量改為10 t、20 t后各計(jì)算一遍。然后區(qū)分新舊規(guī)范、不同起重量、剛接鉸接情況進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 單階等截面柱計(jì)算長(zhǎng)度 m

        從以上計(jì)算結(jié)果可知,由于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)8.3.2條為整段柱計(jì)算,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)單階等截面柱上段柱和下段柱計(jì)算長(zhǎng)度相同。下柱計(jì)算長(zhǎng)度新、03版規(guī)范計(jì)算結(jié)果相差不大。但是上柱計(jì)算長(zhǎng)度新、03版規(guī)范計(jì)算結(jié)果相差很大。

        柱上端與梁剛接時(shí),上柱計(jì)算長(zhǎng)度按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果比03版規(guī)范大。這是由于03版規(guī)范的規(guī)定適用于重型廠房,框架梁為桁架。因桁架剛度大,與柱剛接時(shí)視為無(wú)限剛性,03版規(guī)范表D-4的計(jì)算方法就是按柱頂不能轉(zhuǎn)動(dòng)算得的。現(xiàn)在中形框架也采用單階鋼柱,但橫梁為實(shí)腹鋼梁,其線剛度不及桁架。雖然實(shí)腹梁對(duì)單階柱也提供一定的轉(zhuǎn)動(dòng)約束,但還不到轉(zhuǎn)角可忽略的程度,因此按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)8.3.2計(jì)算結(jié)果位于按03版規(guī)范表D-3與表D-4計(jì)算結(jié)果之間。柱上端與梁鉸接時(shí),上柱計(jì)算長(zhǎng)度按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果比03版規(guī)范小。這是由于03版規(guī)范按照全柱都承受N1+N2計(jì)算其穩(wěn)定,偏于保守。

        2 變截面單階柱計(jì)算長(zhǎng)度的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與03版規(guī)范計(jì)算方法的對(duì)比與分析

        2.1 03版規(guī)范變截面單階柱的計(jì)算方法

        工程二為一單層鋼結(jié)構(gòu)廠房實(shí)際工程。工程一如圖3所示,柱總高H=6m,在4.5 m柱高位置布置5 t吊車(chē)。兩根梁為變截面梁,各節(jié)點(diǎn)剛接,柱與基礎(chǔ)剛接。構(gòu)件截面尺寸如圖4所示。上段柱的軸心力N1=67.472kN、下段柱的軸心力N2=306.602kN,上段柱的慣性矩I1=0.0002818m4、下段柱的慣性矩I2=0.0035432m4。

        圖3 單層鋼結(jié)構(gòu)廠房(單位:mm)

        圖4 上柱截面、下柱截面與梁截面(單位:mm)

        03版規(guī)范單階柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的計(jì)算按照規(guī)范5.3.4條。本工程柱上端與橫梁剛接,所以按規(guī)范附錄D表D-4的計(jì)算方法求得:

        上、下段柱的面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度分別為H1x=2.716×1.5=4.074m、H2x=1.505×4.5=6.773m。

        2.2 變截面梁的線剛度的三種計(jì)算方法

        計(jì)算模型同工程一,下面以三種方式計(jì)算變截面梁的線剛度。

        變截面梁實(shí)際長(zhǎng)度l=9.045m,小端慣性矩Ixmin=0.000 119 8m4、大端慣性矩Ixmax=0.000 373 9m4、中間截面慣性矩Ixmid=0.000 226 7m4。

        對(duì)比以上三種計(jì)算梁線剛度方法的計(jì)算結(jié)果,按方法一變截面梁中間截面計(jì)算梁的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度K1與另外兩種方法相比差異較大,因?yàn)閷?duì)于變截面梁直接取中間截面尺寸,然后按照等截面梁進(jìn)行計(jì)算存在較大誤差。按方法二和三計(jì)算梁的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度K2與K3相差較小,因?yàn)榉椒ㄈ秊榉椒ǘ囊环N簡(jiǎn)化計(jì)算方法。方法二適合計(jì)算機(jī)計(jì)算,是精確解;方法三適合手算,是近似理論解;方法一差異較大,只能做估算。

        2.3 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)變截面單階柱的計(jì)算方法

        2.4 變截面單階柱的計(jì)算結(jié)果的對(duì)比與分析

        為對(duì)比分析及論證,針對(duì)工程二進(jìn)行修改,分別以9個(gè)新工程進(jìn)行計(jì)算。將柱上端與梁的連接改為鉸接后計(jì)算一遍;將吊車(chē)起重量改為10 t、20 t后各計(jì)算一遍。然后區(qū)分新舊規(guī)范、不同起重量、剛接鉸接情況分別進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 單階變截面柱計(jì)算長(zhǎng)度 m

        從各計(jì)算結(jié)果可知03版規(guī)范單階柱上端與梁剛接時(shí),沒(méi)有區(qū)分是桁架梁還是實(shí)腹梁?,F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)加以區(qū)分,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)柱上端與實(shí)腹梁剛接時(shí),按式(8.3.3-2)進(jìn)行計(jì)算?,F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、03版規(guī)范鉸接及與桁架剛接時(shí),柱面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度相同。因?yàn)楝F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)柱上端與梁交接時(shí)(附錄E表E-3)、柱上端與桁架梁剛接時(shí)(附錄E表E-4)的計(jì)算方法與03版規(guī)范相同。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)實(shí)腹梁計(jì)算結(jié)果在鉸接和桁架梁之間。因?yàn)殍旒軇偠却螅c柱剛接時(shí)視為無(wú)限剛性,柱頂不能轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)腹鋼梁,其線剛度不及桁架。

        3 雙階柱計(jì)算長(zhǎng)度的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、03版規(guī)范計(jì)算方法

        03版規(guī)范雙階柱面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度的計(jì)算,按5.3.4第2款,先按附錄D表D-6方法計(jì)算出下段柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù),再分別計(jì)算上段住及中段柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù),計(jì)算過(guò)程與單階柱類(lèi)似,此處不再贅述。

        針對(duì)雙階柱面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度的計(jì)算方法,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與03版規(guī)范一樣,此處不再贅述。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文針對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與03版規(guī)范階形柱的計(jì)算長(zhǎng)度的計(jì)算方法進(jìn)行了介紹,并用相同工程分別按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與03版規(guī)范進(jìn)行計(jì)算,然后對(duì)比分析了計(jì)算結(jié)果。因?yàn)?3版規(guī)范柱上端與實(shí)腹梁剛接按桁架梁考慮這一問(wèn)題在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中得到了解決,所以對(duì)比不同例題計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析,可以得知,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果更加合理,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法的適用性更強(qiáng)。

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