关于加劲肋设置的讨论

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关于加劲肋设置的讨论

1　问题的提出

何杰

梁、柱腹板加劲肋在什么情况下需设置?《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102∶2002)(简称“门规”)中的规定比较含糊,只指明在有集中力作用的位置应设置,但是如果腹板高厚比超过《钢结构设计规范》(G B50017-2003) (简称“钢规”)限值时,应按“钢规”设置吗?若按“钢规”,势必增加用钢量。只要满足“门规”规定,就可以不用设置腹板加劲肋吗?

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梁腹板高厚比不满足“钢规”时,可设置横向加劲肋,而不必加厚腹板,当不满足《建筑抗震设计规范》(G B50011-2001)(简称“抗震规范”)要求时,可否按“钢规”使用横向加劲肋,而不加厚腹板。

2　“门规”与“钢规”的区别

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“门规”与“钢规”的要求是有差别的。“钢规”中梁高厚比超过80235Πf

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时就要设横向加劲肋,而“门规”则仅要求

高厚比不超过250235Πf

y

。见过许多门式刚架结构都没有设横向加劲肋。如果设的话,用钢量将会增加很多。

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按“门规”61111条,腹板高厚比较大时可不设加劲肋,这一点与“钢规”是不同的。设计时应首先判断结构形式是否符合“门规”的规定。如属于门式刚架则只需满足“门规”61111条即可,不必按“钢规”设计。

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轻钢设计不设置加劲肋是考虑利用腹板屈曲后强度,注意变截面时满足楔率的有关要求。“钢规”只要通过第41411条验算即可,第413条的规定是不考虑腹板屈曲后强度的。xxy

“门规”第61111条第二款最后一段话和第61112条第三款有涉及,但没明确未考虑腹板屈曲后抗剪强度时设置加劲肋。关于这点,可参考陈绍蕃教授的《钢结构稳定设计指南》中第八章第四节。依个人理解,除柱边的梁加腋端之外,梁跨中部分弯矩较大,剪力较小,可按无拉力场设计,无需设置加劲肋。笔者曾根据承受M和V的梁段推导出保证腹板局部稳定而不设置横向加劲肋的最大高厚比:在平均剪应力Π屈服强度为011时,为170;在平均剪应力Π屈服强度为014时,为110。

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考虑腹板局部稳定,对于无吊车或具有轻中级吊车的门式刚架可以按照“门规”考虑利用腹板屈曲后强度不设横向加劲肋,但对于不能利用腹板屈曲后强度的有重级工作制吊车的刚架则必须设横向加劲肋。还有所有的吊车梁都必须设置横向加劲来保证腹板局部稳定,因为它们直接承受动力荷载。

其实按照“钢规”的要求H型或工字型截面梁是要设置横向加劲肋,而“门规”的规定只是一个特例。所以所有不能利用腹板屈曲后强度的H型或工字型截面梁都必须设置加劲肋。

集中荷载作用处和梁端部设置支承加劲肋是考虑局部压应力大而采取的构造措施,与腹板局部稳定没有关系。DY G ANG JIEG OU

承受静力荷载和间接动力荷载的组合梁宜考虑腹板的屈曲后强度,按“钢规”41411条款的规定计算其抗弯和抗剪承载力;而直接承受动力荷载的吊车梁及类似构件或其他不考虑屈曲后强度的组合梁,则按本规范41312条的规定配置加劲肋。门式刚架屋面梁是考虑利用钢材屈曲后的强度的,它要符合“门规”61111的规定,但这一条宽厚比的限值250 235Πf y是考虑加工制作水平的因素。

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“门规”要求板件宽厚比h

0Πt w≤250235Πf y,是考虑到加工(焊接变形)和安装(吊装)要求。除集中荷载处和刚架转折处须设置横向加劲肋外(局部压应力较大),其他部位在超过“钢规”宽厚比要求时可以不设,计算时需考虑局部屈曲,利用屈曲后强度。但在宽厚比很大时,由于长板剪切屈曲应力较低,设置加劲肋可能会更省材料。

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“门规”涵盖的工程,自己有明确规定的,不必执行“钢规”规定,也不必在梁柱全长范围内设置加劲肋。

规范间的关系:专门规范(如“门规”、

《高层民用建筑钢结构技术规程》(J G J99-98)、地方规范(如上海规范、广东规范等),在其适用范围内,与“钢规”有不同时,以专门规范、地方规范为难。专门规范、地方规范无规定的,以“钢规”范为准。

3　腹板高厚比不满足“抗震规范”可否通过设置加劲肋满足dyguoguo1978

要知道怎样设置加劲肋首先应该知道加劲肋的作用:

1)在集中荷载较大处设置加劲肋,可将集中荷载逐步均匀地传递到腹板上。

2)横向加劲肋的主要作用是抵抗因剪切应力引起的腹

411 Industrial C onstruction V ol137,N o15,2007工业建筑　2007年第37卷第5期

板局部失稳;横向加劲肋不应设置在腹板屈曲的两波峰或波谷之间。

3)纵向加劲肋的主要作用是抵抗因弯曲正应力导致的腹板局部失稳。

4)短加劲肋可提高纵向、横向加劲肋的作用,当有较大移动集中荷载时具有减小因局部轮压导致的腹板局部失稳的作用。

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受弯构件(如梁)可以通过加设横向加劲肋来满足高厚比的要求,但如果是压弯构件(如柱)需加设纵向加劲肋。《建筑结构抗震规范》(G B50011-2001)并没有可以通过设置加劲肋控制。

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首先明确两个概念:1)板件的宽厚比、宽厚比要求都是为了满足板件的稳定而提出的;2)“钢规”上的宽厚比、高厚比要求是根据均匀受压、非均匀受压、受剪、局部受压或综合受力板件的临界应力公式而得出的。而“抗震规范”上的这些要求是考虑板件除要满足临界应力,还要满足强柱弱梁的要求提出的。

对于轴心受压构件,当腹板的高厚比不满足规范要求时,可以通过加纵向加劲肋来加强,以满足腹板局部稳定的要求。这是通过均匀受压板件的临界应力的公式得出的加强方法(查看临界应力公式,可知临界应力的大小主要与t/ b这两个参数有关,其中,t为板厚,b为垂直压力方向的板宽。在板厚t一定的情况下,加纵向加劲肋可使b值变小,临界应力也就变大了),这一条在“钢规”的51416条也有所说明。

而对于受弯构件,当腹板的高厚比不满足规范要求时,可通过设置横向、纵向、短加劲肋来提高腹板的局部稳定,具体的说明和计算方法在“钢规”的受弯构件的局部稳定一章有很详细的说明(也可以考虑腹板屈服后强度)。通过非均匀受压板件的临界应力公式可看出,在梁腹板的受压区设置纵向加劲肋对提高梁腹板的局部稳定最为有效。但“钢规”指出:无论是否设置了加劲肋,梁腹板的高厚比均不得超过250235Πf y。

对于压弯构件,腹板的受力比较复杂,既承受弯矩引起的非均匀压力、轴心压力引起的均匀压力,又受剪。当腹板的高厚比不满足“钢规”要求时,“钢规”允许考虑腹板屈服后强度,采用有效截面计算构件强度与整体稳定。但“钢规”并没有说明对压弯构件可通过设置加劲肋来提高腹板的局部稳定。从板件的临界应力公式来看,是可以通过设置纵向加劲肋提高腹板局部稳定的,可能是因为设置纵向加劲肋后公式中的K p值不好确定,所以“钢规”并没有采取这种方法。

值得注意的是,腹板的临界应力公式都是考虑了冀缘对腹板的约束而得出的,所以要求翼缘不能失稳。对于抗震设防区,以上所说的同样适用。但是对于框架或者框架支撑结构,为了满足板件稳定和强柱弱梁的要求以及经济性、施工方面的考虑,不应该出现高厚比和宽厚比不满足的情况。

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梁腹板高厚比不满足,按“钢规”可用横加劲纵加劲,柱

腹板高厚比不满足,可用纵加劲或考虑有效截面。但“抗震规范”没有说,这就造成了“钢规”只用于单层和次梁,框架梁柱用“抗震规范”。高厚比限制很严,虽Q345钢单价高于Q235钢,但强度较高,使用Q345较经济。但在抗震规范中,高厚比限制更严,往往其他都满足,就高厚比不满足,加厚腹板就失去经济性,有时腹板比翼板还厚。例如,500mm的柱高,按“钢规”8mm或10mm的腹板板就够,若按“抗震规范”6、7度要求时,就会大大失去经济性。如果可用“钢规”,就可大大降低用钢量。

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“钢规”给出了梁、柱等构件翼缘宽厚比和腹板高厚比的限值,都是针对一般情况提出的,没有考虑抗震设计的要求。所以对于6度抗震设防的建筑和不考虑抗震要求的建筑,是可以使用“钢规”中的规定进行设计。

但如果是对于7度及以上抗震设防的建筑钢结构,其设计应该遵循“抗震规范”和“高规”的有关规定。

对于7度及以上抗震设防的钢结构建筑,通常使用强柱弱梁的原则,即梁先于柱出现塑性铰,而且还要求塑性铰有一定的转动能力,所以此时对梁的塑性区段板件的局部稳定要求比较严格,通常不允许发生局部失稳,并且也要严格控制弹塑性局部屈曲的发生。

对于框架柱而言,一般不会出现塑性铰,但考虑到材料的变异性和尺寸偏差、及大震下的塑性内力重分布,柱子有时也可能出现塑性铰。因此也需要按考虑塑性发展来对板件宽厚比加以限制,不过即使柱子产生了塑性铰,也不会有过大的转动,因此对柱子局部稳定的限制不如梁的严格。

至于说为了满足梁柱产生塑性铰、发生塑性转动,并同时保证不会发生局部失稳,是否可以使用横向或纵向加劲肋,所有的规范中都没这种确规定,国外规范中也没有这种规定,所以从设计角度看是不允许的。

从理论分析的角度来看,设置了加劲肋相当于提高了板件的周边约束条件,将会提高其局部稳定承载能力,这在弹性阶段没有任何问题,所以“钢规”给出了加劲肋设计的有关规定。但如果地震中出现了塑性铰,即截面的腹板和翼缘都已经进入了塑性阶段,此时加劲肋和板件连接处都是塑性铰线,可以自由转动,加劲肋所能提供的约束能力将无法使用,板件一定会发生弹塑性局部屈曲,造成板件局部变形过大,往复大应变会诱发断裂提前发生,从而无法形成有效的塑性铰机制。这是绝对不允许的。

因此对于要求7度及其以上抗震设防的钢结构建筑,其构件是不允许使用加劲肋来提高板件局部稳定性的。

4　结　语

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门式刚架计算中,地震力一般不起控制,故应按照“门规”有关规定进行计算及构造处理。且门式刚架必须满足“门规”61111条楔率的规定。普钢可利用屈曲后的强度(“钢规”第41411条),但必须满足“抗震规范”第81311条,此规定比“钢规”要求更严格,设计时很多截面都是构造控制。

(下转第81页)

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