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網架（殼）及鋼結構設計釋義與誤區的探討（一）

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （中國航空工業規劃設計院 丁蕓孫）

    一、網架（殼）高次超靜是否比平面結構可靠度高
    一般概念網（殼）架高次超靜定要比平面結構更可靠，從美國哈特福特109×92m網架倒塌后，有的認為網架會連鎖破壞，多次超靜定優點發揮不出、國內也有試驗做出來，一根桿件壞了另外一根跟著壞，問題是試驗本身不符合實際，根據Mero規程，第一根桿壞了，第二根桿再壞時安全度K=1即行了，是體系可靠度，而試驗的安全度完全靠加荷載，第一根壞了，第二根荷載無法降低，安全度不降當然跟著壞，所以網（殼）架的高次超靜定安全度仍然比平面結構大，當然也不能忽略優化滿應力的缺點。
    二、荷載
    1、自重分項系數為何分1.2和1.35
    分項系數用1.35是在恒載控制時，如用1.2則安全度會比活載占控制時低，因此1.35是彌補安全度。
    2、活載要不要取不利位置。平板網架不必要，歷來都未考慮；一些對活荷載不利布置較敏感的結構(如拱．筒殼等)需要考慮.
    3、附加荷載何時需按集中荷載考慮。超過25kg/m2的附加荷載需考慮有無集中荷載，25kg重的空調機在檁條計算時即需按集中荷載。
    4、我國要不要考慮龍卷風。龍卷風范圍小時間短破壞驚人，我國龍卷風少只好不考慮。
    5、我國風載是否比國外小很多我國目前按10分鐘，美國按30-40秒兩者差1.5，但美國允許風載時應力提高1.33，這樣1.55/1.33=1.1, 美國風載比我國只大1.1倍。
    6、橫風向效應在什么情況下考慮。風力一般只考慮順風力，我國的風壓、陣風、風振都僅考慮順風力，而由于風的渦旋脫落引起彎與扭的耦合振動，如馳振、顫振等，有動力失穩時才考慮橫向風，橋梁較多考慮，超高層鋼結構房屋也要考慮。
    7、低矮房屋的風載體型系數適用于高度小于18m，且檐口高度小于房屋最小平面尺寸的房屋，此時即可按門架規程的體型系數。而有的做法以 1/h ≤ 4為分界，找不到依據，不需遵守。
    8、門架規程的風體型系數與荷載規范相比對門架有何影響。二本規范的差別，門架規范向上風大，而荷載規范水平風大，結果是門架規程偏于安全。
    9、門架規程風載為何要乘1.05國外一般低矮房屋在海岸線時應乘以1.1，而我國都乘以1.05。
    10、部分開敞與開敞建筑如何判定。部分開敞即一面墻開口超過其余墻面和屋面開口面積的總和，并大于該墻面面積的50%，在開口大時其內部風力也應加大為+0.6 ～ -0.3，開敞建筑開口超過墻面面積的5%.
    11、端部門架如何算風力。當端部風載加大區域小于柱距時，端部門架也應按風力加大考慮。
    12、門架坡度>10%能否用門架規程風體型系數。門架規程的風體型系數是考慮坡度≤10%，如果超過坡度10%，門架體型系數應按MBMA應加大10%。
    13、航空航天的風洞試驗能否用于建筑
    過去風洞試驗都用航空航天的試驗設備、但建筑在地面高度600m以內的邊界層風速是改變的與航空航天高空不同，風速變化將引起氣流流動及風壓值改變，對于有尖角的建筑如平頂房屋即一般廠房，其氣流層的分離點與在尖角處，風速變化影響小，而曲面結構其氣流風速在變。引起氣流分離，其分離高度S是變化的(圖1)，因此，曲面應采用風速變化的風洞試驗，而平屋頂可以勉強用航天航空風洞試驗。

    14、CFD（計算流體力學）能否代替風洞試驗
    CFD的測量系統不會對流體產生干擾，可以避免風洞試驗縮尺而帶來的相似的問題，對于流動參數選擇有靈活性，價格也便宜，航空航天方面已使用很成熟，土建剛起步，對于有湍流分離等復雜問題還會有一定問題，但風洞試驗也存在更多問題，因此可以代替風洞試驗。
    15、筒殼，球殼等風體型系數各國規范出入較大該如何辦
    對筒殼目前我國規范與澳、美及前蘇聯都比較接近，由于風荷的復雜性與風洞試驗的不完善，因此出入是正常的，目前的澳、美和前蘇聯的比較安全，見圖2，如果有體型相似的風洞試驗，也應多做一些驗算。

    對彎頂即球殼，目前我國規范可以用，最好也按英國荷載手冊再驗算（可參考網殼設計書，尹德鈺、劉善維、錢若軍、中國建筑工業出版社）。
    挑棚的英國規范最安全見圖3：

    由于風的復雜性，各國規范不一致，一般應求取最大值來驗算。
    16、圍護結構是否要考慮陣風
    陣風是瞬時風，一般加大2倍，瞬時下塑性材料的鋼材應力可以提高，因此陣風下鋼材是安全的，不需考慮陣風系數，而玻璃是脆性材料就不能提高應力必須考慮陣風。如果鋼的圍護結構考慮了陣風，就在可能大風時不是吹掀圍護結構而會危及主體結構反而不利，當然加強圍護結構的連接和螺栓是需要的。
    17、風振系數怎樣計算
    風分穩定風與脈動風，體型系數是假定結構是剛性的，因此就考慮穩定風，實際上結構并非剛性的，風是非定常的，在有一定柔性的結構上會引起風力改變，風力又將引起結構變形和振幅的加大，造成某些共振，也即是風振。大跨度屋蓋現要求考慮風振，但并無統一算法，設計很是為難，計算又比較復雜，根據北京市設計院分析，24×21～60×88m網架風振系數為1.2；同濟大學對200m長挑看臺,其跨中懸臂部分風振系數也僅1.9。因為挑蓬的柔度要比大跨屋蓋大得多,因此目前大跨屋蓋暫時考慮最大點風振系數1.5,并按撓度曲線求出對應的風振系數，可以作為驗算參數。
    18、筒殼敞開二端時風荷如何取
    目前規范沒有這樣的數據，但可以想象風從筒殼內經過時必然將屋蓋向下吸。現根據羅堯治教授做的鴨河口108m筒殼風洞試驗，是考慮了二端開口時，風與平行于筒殼線150風向下壓的數據可作參考（見圖4），由于煤不可能堆滿，因此有煤堆與無堆沒有差別。

    19、屋面上雪載與地面雪載哪個大
    屋面由於風會吹去一部分雪，厚度比地面小但由于雪融化后吸收在積雪的海綿體內使密度加大，國外一般取屋面雪載為0.7倍地面雪載；美國采暖房屋為1.0，非采暖則乘以1.2；我國采用雪載分布系數反映屋面雪載，對采暖和非采暖房屋則未加區別。
    20、筒殼等網殼雪堆如何考慮
    雪載資料目前比風載少，而且也無法做類似的風洞試驗，尢其不均勻的雪載影響難以判斷。目前筒殼的雪載取值，我國與前蘇聯比較接近，可以采用，也反映了雪堆。球殼我國沒有規范，目前只有英國瑟雷大學的（可見網殼設計書），所以對于雪載大的地區雪堆應引起注意。最近北京航站樓是一個扁平的殼，同濟大學利用兩相流理論，模擬風載對雪漂作用，雪堆達到1.2-1.5。
    三、穩定
    1、穩定為何復雜
    穩定是“混沌”問題，比隨機、模糊都要復雜，歐拉公式至今已236年，但在穩定理論方面進展不大。隨機問題可用概率法來解決，事先不知；事后可知；模糊問題屬于有些說不清的問題，屬于經驗的問題如專家系統等，可以用模糊數學解決，但混沌問題理論較深，缺乏數理資料，當前還無法解決。混沌的特點是非線性、解的多樣性、初始值敏感，因此振動、地震均是混沌。
    2、第二類失穩是否是強度問題
    從現象看似乎是強度問題，但應是穩定問題。強度與穩定的區分：強度是截面承載力；而穩定是整體桿件承載力問題，伴隨大變形，過去規范用δ= N/φA是混淆概念，將穩定表達為強度，現已改進。
    3、二階效應與非線性分析有什么區別
    二者本質一樣，都是由變形后的軸線來求得平衡條件，但二者在概念上有區別。非線性分析有幾何非線性與物理非線性之分，二階僅對一階而言，只有幾何非線性。對于柔性結構根本就沒有一階二階之分，就是非線性。
    4、計算長度與非線性關系
    計算長度是在一階基礎上考慮變形引起的附加彎矩，是近似的非線性分析，如懸臂柱計算長度Lo=2L，也就是懸臂柱所產生的附加彎矩與一個跨度2L的筒支柱的附加彎矩等效。以筒支柱的附加彎矩作為標準，計算長度是近似的，如一個懸臂柱設計取Lo=2L,但在圖5情況下,左柱上下各有1個鉸，要傾倒，必須由右柱加以支持，精確計算右柱L0=2.69h，一個框架再加一個搖擺柱，要保證其不失穩必然靠框架支撐。因此按一般規范所給的框架計算長度即不對。應該取

    其合力延長線與曲線交點才是計算長度。這些情況無法一一反映，因此計算長度是近似的。
    5、網殼穩定是混沌問題，為何穩定問題能解決
    沈土釗院士、陳昕教授最大的貢獻是經過2800次試算，采用“一致缺陷摸態法”即結構缺陷分布正好與結構最低階的模態一致，得到在一般正常缺陷下穩定承載數值不小于下臨界點，這樣就使計算工作簡化。當然網殼穩定的解決并不是從理論上解決，而是從工程處理上解決了難題，因為數值分析時人為假定失穩的荷載位移曲線，以控制變形來解決穩定。

    6、用幾何非線性如何考慮物理非線性影響
    單層網殼是多次超靜定，千百個自由度解決穩定問題已屬非常困難，如果再考慮物理非線性是不可能的，因此考慮物理非線性及缺陷敏感總的安全度取4.2。對于其他結構，穩定分析的公式如何考慮，看法不一，我們分折網殼安全度取K=4.2是包括外部荷 載及抗力不確定性，也即一般結構的安全度1.64，而由于復雜的穩定性不也包括缺陷敏感及工作條件為1.2，而強塑性影響取1/10.47=2.12.
    1.64×1.2×2.12=4.2,因此其他結構計算中已考慮了強塑性，缺陷不如網殼敏感，如采用正則長細比按柱子曲線考慮穩定，已考慮了強塑性，有的結構完全按強性非線性分折，而斷面計算按規范已考慮了強塑性，像以上結構只要在原有安全度和附加安全度1.2左右即可，當然如果有類似的于網殼又對缺陷非常敏感的結構，應按網殼采用安全度。
    7、鋼管立體框架平面穩定如何考慮
    根據羅堯治教授研究與跨度L有關（圖8）

    8、棱形柱、格構式柱、園弧實腹拱的平面內穩定如何計算。
    根據郭彥林教授研究，這些結構穩定分析仍沿著實腹柱設計思路，將受壓直線等價歸納到計算長度，但結構特性λ用正則化長細比，然后代入柱子穩定公式（詳見清華大學郭彥林教授文章，棱形柱的穩定性能研究和應用，第十一屆空間結構論文，“采實腹圓弧拱平面內穩定極限承載力設計”，清華大學論文鋼結構技術總鑒（建筑篇），日本鋼結構協會，中國建筑出版社）。
    9、交叉拱的穩定如何考慮
    根據羅堯治教授分析：交叉拱的屈曲荷載比單拱高出4倍。
    10、人行道的受壓弦桿平面外不穩定如何辦
    人行橋有的希望上面弦桿外全無支撐，因此是難以解決的問題(圖9)。現國外資料利用腹桿的剛度及受拉弦桿的扭轉剛度作為上弦壓桿的支撐，具體算法可見（JA，Packer J.E Headerson J.J CAO，“空心管結構連接設計指南”，科學出版社）

    1、網（殼）架支座假定與排架有何不同
    排架柱子都是懸臂柱承受水平力后整個排架靠懸臂柱承受，懸臂柱承受很大彎距，而網架柱則設定網架是一塊板，將水平力傳至二側的柱間支撐承受(圖10)，因此網架原則上不承受彎距，只要考慮P-Δ效應。二者有本質區別：設計網架一定要摒棄排架概念。
    2、網（殼）架是否一定要整體計算，即網（殼）架與柱子一起算
    整體計算應該是最理想的計算，但由于有些程序沒有梁元，計算有困難；另外，對于獨立柱來說，把柱子當一個彈簧與整體計算，其差別在10%左右，工程是可以接受的，對于下部結構是框架或更復雜的結構，必須整體計算。
    3、平行墻面的支座能否假定都不動
    平行墻面的支座設定不動，這樣水平力如何分配到各支座算不清，只好與柱子整體計算，而一般30-40m的網殼，受力不大，算不清就算了，可以當不動支座。跨度大、力大，最好是在二側柱間支撐取2個支座不動，其他支座均假定可動，這一方面對釋放溫度力有利，更主要的是不動支座處力很明確，就是W/4（圖11），為果柱間支撐是二跨這樣算又不準了，因為力會集中在前面柱間支撐不符合實際情況（圖12）。當水平力很大時，一般就將柱間支撐斜桿直接焊到下弦球上，這樣避免了支座受彎。這時如果其他支座沿墻是不動的，則要注意從構造上、下部結構柱子間還應加連梁，否則柱頭平面內就不穩定了。當支座采用球，二邊加斜撐撐到圈梁上也能避免支座受彎，但要進行驗算。
    4、所有支座都用可動支座行不行
    不少工程所有支座均做成任意方向可動，建成后也未發現問題，這種情況屬于約束不穩定，整個結構是可動的，在水平力不大時不會有問題，但風力大時是不允許的。

    5、支座什么情況下該考慮轉動
    根據過去經驗，60m鋼屋架就在支座處考慮轉動，當時的條件只能在構造上放松螺栓允許轉動，桿件并要考慮附加彎距。目前一般50m的結構就應考慮支座轉動，空間結構應多向轉動。
    6、有沒有拱沒有水平推力的
    現有的結構介紹，通過予應力安裝的拱就沒有水平推力，事實上看起來沒有水平推力，從而引起力學基本概念的混亂，為什么看起來沒有水平推力，因為實際上水平推力由地面摩擦力承受，因為荷載很輕，拱矢高很高，有些拱結構在拱架下弦加了予應力P，這種結構與在拱架處外加予應力P的結構是不同的，不能講會沒有水平推力；只有外荷及自重的彎距M （本文為問題探討，難以列出參考文獻，可參考作者其他文章）
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