第六章 钢结构的正常使用极限状态

第6章钢结构的正常使用极限状态
6.1常使用极限状态的特点
正常使用极限状态对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。

《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）规定，当结构或构件出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：
1）影响正常使用或外观的变形；
2）影响正常使用或耐久性能的局部破坏(包括裂缝)
3）影响正常使用或耐久性能的振动
4）影响正常使用或耐久性能的其它特定状态。

正常使用极限状态可以理解为适用性极限状态，常见的适用性问题有以下七类：1）由荷载、温度变化、潮湿、收缩和徐变引起的非结构构件的局部损坏（如顶棚、隔墙、墙、窗）；
2）荷载产生的挠度防碍家具或设备（如电梯）的正常使用功能；
3）明显的挠度使居住者感到不安；
4）由剧烈的自然现象（如飓风、龙卷风）造成的非结构构件彻底损坏；
5）结构因时效和服役而退化（如地下停车场结构因防水层破坏而损坏）；
6）建筑物因活荷载、风荷载、或地震荷载造成的运动，导致居住者身体或心理上不舒适感；
7）使用荷载下的连续变形（如高强螺栓滑移）。

长期以来，正常使用极限状态不如承载极限状态那样受到重视，认为只不过是适当限制一下挠度和侧移。

随着结构材料强度的提高和构件的轻型化（包括围护结构和非承重结构构件），情况已经有所改变，研究工作日趋活跃，包括分析正常使用极限状态的可靠指标取值问题。

不过我国的设计规范和规程中仍然只有变形和振动限制两个方面。

6.2拉杆、压杆的刚度要求
1. 轴心受力构件刚度验算
按照结构的使用要求，钢结构的轴心拉杆、轴心压杆以及拉弯构件都不应过分柔弱而应该具有必要的刚度，保证构件不产生过度的变形。

这种变形可能因其自重而产生，也可能在运输或安装构件的过程中产生。

承受轴线拉力或压力的构件其刚度用长细比控制，即：
λmax=(L0/i) max≤[λ]
式中λmax——杆件的最大长细比
L0——杆件的计算长度
I —截面的回转半径
[λ]—容许长细比
2.轴心受力构件长容许细比规定
一般而言，压杆由于对几何缺陷的影响较为敏感，所以对它的长细比要求较拉杆严格得多。

承受静力荷载的拉杆，可仅限制其在竖向平面内的长细比，以防止在自重作用下显著下垂。

而承受直接动力荷载的拉杆因刚度过弱时会产生剧烈晃动，故其容许长细比比承受静力荷载的拉杆要小，并且两个方向同样对待。

对于张紧的圆钢拉杆，因变形极微，所以不再限制长细比。

表6-1、表6-2分别给出了GB50017规范对各种拉杆、压杆的容许长细比。

6.3梁和桁架的变形限制
1. 梁的刚度验算
梁和承受横向荷载的桁架从总体受力上讲都属于受弯构件，受弯构件的正常使用极限状态是指其出现过大的弯曲变形，通常称受弯构件在使用阶段出现的弯曲变形为挠度，为了满足正常使用的要求，设计时必须保证梁和桁架的挠度不超过规范所规定的容许挠度。

梁的刚度验算即为梁的挠度验算。

梁的刚度不足，将会产生较大的变形。

楼盖梁的挠度超过某一限值时，一方面给人们一种不舒服和不安全的感觉，另一方面可能使其上部的楼面及下部的抹灰开裂，影响结构的功能。

吊车梁挠度过大，会加剧吊车运行时的冲击和振动，甚至使吊车运行困难等。

因此，应按下式验算梁的刚度:
v≤[v]
式中v——受弯构件在标准荷载作用下所产生的最大挠度或跨中挠度；
[v]——有关规范给出的受弯构件的挠度限值、称为容许挠度。

表6-4是从GB50017规范中摘录的一部分受弯构件的容许挠度。

2. 梁的挠度计算及容许挠度规定
承受多个集中荷载的梁，其挠度的精确计算较为复杂，但与最大弯矩相同的均布荷载作用下的挠度接近。

因此，可采用下列近似公式验算等截面简支梁的挠度
式中：q k均布荷载标准值；M k荷载标准值产生的最大弯矩；I x跨中毛截面惯性矩。

计算梁的挠度v时，取用的荷载标准值应与表6-43规定的容许挠度值［v］相对应。

例如对吊车梁，挠度v应按自重和起重量最大的一台吊车计算；对楼盖或工作平台梁，应分别验算全部荷载作用下产生的挠度和仅有可变荷载作用下产生的挠度。

注：L—受弯构件的跨度（对悬臂梁为悬伸长度的两倍）。

3.挠度限值的规定有两个特点
其一是把表格放在附录中，并在正文中规定：“当有实践经验或有特殊要求时可根据不影响正常使用和观感的原则进行适当的调整”。

这里的原因是，从适用状态过渡到不符合要求的状态，界限不十分明晰，而是存在一个范围。

V是全部荷载值产生的挠度（如起拱应减去其二对楼盖梁给出两个挠度容许值。

其中
T
V是可变荷载标准值产生的挠度的容许值。

前者主要反映观感，后者主拱度）的容许值；
Q
要反映使用条件。

6.4钢框架的变形限制
单层厂房的横向框架其柱脚可与基础刚接或铰接，而柱顶与屋架的连接一般都用刚接。

钢框架的变形限制主要是柱顶侧移。

设有A7或A8级吊车的厂房，则还要限制吊车梁或吊车桁架顶面标高处的柱位移。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）对刚架柱的变形限值见表6-5。

表6-6是GB50017规范对重型厂房及露天栈桥框架柱的容许变形限值。

注：表中H为刚架柱高度。

注: 1.He为柱脚底面至吊车梁或吊车桁架顶面的高度。

2.计算厂房及露天栈桥柱的纵向变形时,可假定吊车纵向水平荷载分配在温度区段内所有柱间支撑或纵向框架上。

3.在设有夹钳吊车或刚性料耙吊车的厂房中, 厂房柱的容许计算变形值应减少10%
多层及高层框架结构的变形限制须考虑两方面的内容，一是限制结构顶点位置的侧移量，二是限制层间恻移量。

对于多层及高层框架结构在风荷载标准值作用下，当不考虑地震作用时，顶点质心的恻移要求不超过建筑高度的1/500，质心层间位移要求不超过楼层高度的1/400。

地震区建造的高层框架结构在地震作用下的层间位移的限值有所放宽，现行有关规范规定，在第一阶段抗震设计时，其层间侧移标准值不得超过层高的1/250，而在第二阶段抗震设计时，其层间恻移标准值不得超过层高的1/70。

此值允许塑性在结构中有一定程度发展，但保证不致倒塌。

6.5振动的限制
房屋结构的振动有楼板的竖向振动，地震引起的结构物的水平和竖向振动，高层结构在风荷载作用下也会产生振动。

地震引起的振动以及风振对结构强度和稳定的影响在承载能力极限状态的有关计算中予以考虑。

在正常使用状态下，需要避免风振加速度引起的人员不舒适感。

楼板的振动可以由人群的活动产生，也可以由坐落在楼板上的机械设备产生。

后者应该在设计或选用设备时采用适当的隔振措施加以解决，这里只讨论前一因素。

《高层民用建筑钢结构技术规范》（JGJ99—98）对压型钢板组合楼板的振动采用限制其自振频率的方法。

自振频率可按下式计算：
()w
=(6－3)
/1
.0
f18
式中——永久荷载产生的挠度，cm 。

Z H f 15 (6－4)。