钢结构实用设计问题探讨(二)

6钢结构实用设计问题探讨（二）邱鹤年（中冶京诚工程技术有限公司设计审查中心北京100053）7强度计算与应力由于钢结构由单一匀质材料组成，强度计算采用应力形式表达，其指标单一，富裕量明确，使用方便。但在稳定计算、考虑塑性发展的抗弯计算中，由于引入了其他参数，其数值已不再是应力概念。如计算受压构件的稳定性，用边界条件式N/ϕA≤f来表达，这叫强度计算，是防止结构构件因材料强度被超过而破坏的计算。此时应力仍为σ＝N/A，不能称N/ϕA为应力σ。对此有关规范在表达上十分严谨，采用如下措词：抗弯强度应按下式计算：Mx/γxWnx≤f；受压稳定性按下式计算：N/ϕA≤f等。而从不写为：σ＝Mx/γxWnx≤f和σ＝N/ϕA≤f。但目前较多软件、文件、图纸、考题中则混称为应力，如应力比、稳定应力，甚至称稳定计算为正应力，这是不恰当的。如称为强度计算比、以应力形式表达的稳定性计算数值则较为合理。钢与混凝土组合梁考虑全截面塑性发展进行强度计算，因钢和混凝土材料均进入塑性状态，故其计算式用内力形式表达，不出现应力，类似钢筋混凝土结构的计算形式。8吊车工作制及工作级别自《起重机设计规范》实施以来，所有吊车生产订货、工艺设计及其提供土建资料都以吊车工作级别为依据，级别的确定根据吊车利用等级（工作循环次数）和载荷状态确定，分为A1～A8共8级，见表1。吊车工作级别表1载荷利用等级-总工作循环次数（万次）状态系数kpu0-1.6u1-3.2u2-6.3u3-12.5u4-25u5-50u6-100u7-200u8-400u9-400Q1-轻0.125A1A1A1A2A3A4A5A6A7A8Q2-中0.25A1A1A2A3A4A5A6A7A8Q3-重0.5A1A2A3A4A5A6A7A8Q4-特重1.0A2A3A4A5A6A7A8《钢结构设计规范》（GB50017－2003）（简称《钢规》）中轻级工作制相当于A1～A3；中级相当于A4,A5；重级相当于A6,A7；特重级为A8。怎么称呼并不重要,问题在于对“应进行疲劳计算”的界定上。过去对重级吊车或中级起重量较大吊车才要求计算疲劳。而GB50017－2003第6.1.1条规定直接承受动力荷载当应力变化循环次数等于或大于5万次时，应进行疲劳计算。也就是说，按设计使用50年计，平均每天只要工作2.7次就要进行疲劳计算。从表1可看出，所有中级以上吊车全都超过5万次，轻级吊车也有超过的可能。而《钢规》某些规定和条文说明的本意还是同过去一样。虽然一般吊车梁疲劳计算可以满足规定，但在构造上特别是选材上差别就大了，例如C级钢材现今市场价格要比B级贵千元/t，所以只要明确吊车梁工作循环次数在5万次以上，就应按抗疲劳计算和抗疲劳选材。回旋余地也只能在循环次数的核定上。9钢材选用应注意的问题建筑结构适用的国产钢材有Q235钢和Q345,Q390,Q420钢。重要建筑结构、大跨度结构、高层建筑结构要求高性能钢板者，可采用《建筑结构用钢板》(GB/T19879-2005)的Q235GJ,Q345GJ,Q390GJ,Q420GJ,Q460GJ。如有Z向性能要求的钢板，应选定《厚度方向性能钢板》(GB/T5313-1985)规定的Z15,Z25,Z35中的一种。铸钢常用于复杂节点。一般焊接结构钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度、冷弯试验和碳、硫、磷含量的合格保证。抗震结构钢材还要求实测的强屈比不小于1.2，有明显屈服台阶和伸长率大于20％，有良好的可焊性和合格的冲击韧性。故只能采用Q235-B,C,D及Q345B,C,D,E级钢材，而Q390,Q420的伸长率均不能满足要求。对于需要计算疲劳的焊接结构钢材，应满足《钢规》3.3.4条对冲击韧性的要求。工作温度指当地最低日平均温度，载于《采暖通风和空气调节设计规范》（GBJ19－87）（2001年版），新版GB50019－2003不再列入，可查有关手册。目前工程中大量使用Q235,Q345钢，设计、供货、施工都有较丰富经验。个别重点工程如奥运“鸟巢”采用Q460国产钢材，补充了附加性能保证。由于各牌号钢材弹性模量都是定值，所以由挠度控制的结构就无需采用高强度钢材。疲劳计算与钢号无关，也无需用高强度钢材。由稳定控制的截面，其承载能力与强度不是线性关系，甚至出现同样截面的构件，当ϕ值很小时，Q345钢的承载力反而比Q235还小的个别现象。所以钢号的选用应进行计算比较后，才能确定。专家论坛7上世纪我国已淘汰了平炉，大量采用连续浇注，沸腾钢几无供货。质量等级A,B的货源较多，C级钢要比B级贵得多，D,E级钢价格更高，货源更少，需要提前订货。10焊接材料的选配由于国家标准不断更新，埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂有新的表示牌号以及Q390的连接材料强度应高于母材等原因，《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81－2002）所推荐的配套焊接材料应相应修改，现汇集于表2。钢材与焊接材料的选配表2钢材牌号、等级焊条型号埋弧焊焊剂型号-焊丝牌号CO2气体保护焊实芯焊丝型号AE4303BE4303，E4315E4316，E4328ER49-1CF4A0-H08AQ235DE4315，E4316E4328F4A2-H08AER50-6AE5003ER49-1BE5003，E5015E5016，E5018F48A0-H08MnAF48A0-H10Mn2ER50-3CF48A2-H08MnA，F48A2-H10Mn2DE5015，E5016E5018F48A3-H08MnA，F48A3-H10Mn2ER50-2Q345E供需方协议ABE5515E5516F55A0-H10Mn2F55A0-H08MnMoACF55A2-H10Mn2F55A2-H08MnMoAER55-D2DE5515-D3,(-G)E5516-D3,(-G)F55A3-H10Mn2F55A3-H08MnMoAER55-D2Q390E供需方协议ABE5515-D3,(-G)F55A0-H10Mn2F55A0-H08MnMoACF55A2-H10Mn2F55A2-H08MnMoADE5516-D3,(-G)F55A3-H10Mn2F55A3-H08MnMoAER55-D2Q420E供需方协议注：1)本表的依据为《碳钢焊条》(GB/T5117-1995)、《低合金钢焊条》(GB/T5118-1995)、《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》(GB/T5293-1999)、《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》(GB/T12470-2003)、《气体保护电弧焊用低碳钢低合金钢焊丝》(GB/T8110-1995)。2)F4,F48,F55的F表示焊剂，4,48,55为熔敷金属强度等级；A0,A2,A3的A表示试件为焊态（P为热处理后），0,2,3表示冲击功的试验温度为0℃,-20℃,-30℃；D2,D3,G为化学成分分类代号；ER表示焊丝。11紧固件普通螺栓根据加工精度不同而分为A,B,C,共3级。A,B级为精加工，A级直径不大于24mm和长度不大于10d或150mm，此外则为B级。A,B级螺栓杆径与孔径相同，杆径可有少量负公差，孔径可有等值正公差，均为Ⅰ类孔。C级普通螺栓为粗加工，Ⅱ类孔，孔径比杆径大1～2mm，此外还有稍大的允许偏差，故连接易松动，仅适用于安装或次要连接。A,B级螺栓性能等级为5.6,8.8，C级则为4.6,4.8。5.6级用碳钢制作，8.8级用低碳合金钢或中碳钢制作，并经热处理。螺栓材料应符合《钢规》3.3.8条3要求，其螺母、垫圈均有配套标准。高强度螺栓有大六角头和扭剪型两种，应符合《钢规》3.3.8条4要求。大六角头高强度螺栓连接副由1个大六角头螺栓、1个大六角螺母和2个垫圈组成，性能等级为8.8，10.9。扭剪型高强度螺栓连接副由1个螺栓、1个螺母和1个垫圈组成，性能等级为10.9。铆钉应符合《钢规》3.3.8条6要求。其受力性能好，但由于安装不便，目前已几乎被淘汰。柱脚锚栓为重要节点的受拉部件，非抗震设防地区可用Q235-B,Q345A，抗震设防地区则用Q235-B,Q345B制作。12强度设计值的取用钢材的强度设计值与质量等级无关，随厚度或直径的增大而降低，这里厚度指计算点处的厚度，对轴心受力构件则指截面中较厚板件的厚度。质量等级为一、二级的对接焊缝，其强度设计值与母材相等，在用引弧板时可不进行焊缝计算，也不用斜向拼接；三级对接焊缝只进行受拉计算。厚度小于8mm钢板的对接焊缝，超声波探伤不易反射出内部缺陷，必要时可要求X片检验或改为三级对接焊缝，外观仍可要求二级，仅受拉计算按三级。高强螺栓连接，螺杆已承受预拉力P，节点再承受沿螺栓杆轴方向拉力N（不是直接作用在螺杆上）时，只要NP，可以认为螺栓只承受拉力P而不是P＋N，这是因为板间受力面积大，变形小，不会引起螺杆显著伸长，可忽略螺杆内力的少量增加。C级普通螺栓由于孔径大、加工粗、节点易松弛，虽有抗剪、抗压指标，但限定为非动力荷载的次要连接、可拆卸连接及安装连接。而柱脚锚栓则没有抗剪计算指标，即不允许锚栓受剪，柱底水平力依靠抗剪键或柱底摩擦力承受。13受弯构件的挠度与起拱《钢规》3.5.3条规定，为改善外观和使用条件，可将横向受力构件预先起拱，起拱大小应视实际需要而定，一般为永久荷载标准值加可变荷载标准值之半的挠度值。当仅为改善外观条件时，构件挠度应取在永久荷载和可变荷载标准值作用下的挠度计算值减去起拱值。《钢规》附录A表A.1.1注2，解释[vT]时，指出永久荷载和可变荷载标准值产生的挠度可减去起拱值。由于对起拱值没有硬性规定，如果起拱值不小于容许挠度值，构件就不会有挠度发生，容许挠度值就失去了控制受弯构件刚度的意义。为了与正文一致，将该附录注中“如有起拱应……”改为“如有为改善外观条件的起拱，可……”，才能保证受弯构件的正常使用极限状态在规定范围内，否则会存在不安全因素。814受弯构件计算式图14-1示出了工形截面在弯矩和剪力作用下应力发展，(b)～(e)表示弯曲应力从弹性到全截面塑性的发展过程。(f)是按规范式（4.1.2）绘出的剪应力；一般教科书对工形截面翼缘处的剪应力常以b代tw，剪应力见(g)；实际翼缘处形成剪力流，剪应力见(h)。(a)工形截面(b)MWnfy(c)M＝Wnfy(d)WnfyMWpnfy(e)M＝Wpnfy(f)τ＝VS/Itw图14-1工形截面在弯矩和剪力作用下应力发展规范规定：不考虑腹板屈曲后强度的主平面内受弯的实腹构件其抗弯强度按Mx/vxWnx＋My/vyWny≤f,剪应力按τ＝VS/Itw≤fv计算，请注意：（1）考虑腹板屈曲后强度的工形截面按(V/0.5Vu－1)2＋(M－Mf)/(Meu－Mf)≤1计算。（2）在截面内x轴为强轴，y轴为弱轴。（3）按上述，抗弯强度式中当材料未达屈服极限时已计入塑性发展系数γx,γy，不能称为弯曲应力，可称为以应力形式表达的强度计算数值。而抗剪强度计算式中都是按力学推导的剪应力参数，可称为剪应力。（4）γx,γy的取值是基于截面的塑性发展不要过大，同时为了保证翼缘不丧失局部稳定，限制受压翼缘自由外伸宽度与其厚度之比不大于yf/23513时才考虑塑性发展；还规定了需要计算疲劳的梁，不考虑塑性发展，即取为γx和γy为1.0。至于承受动力荷载但不需要计算疲劳的梁仍应考虑塑性发展，这和原规范GBJ17-88不一样，原规范只要是动力荷载就不考虑塑性发展。也和塑性设计不一样，新旧规范都规定塑性设计不承受动力荷载。15受弯构件相关问题15.1扭转一般受弯构件，如梁，因有铺板作用，形成整体，少量偏心荷载引起的扭转作用，可不考虑。又如单根曲梁，或有较大荷载且作用点又较大偏离腹板平面时，对圆形截面梁要考虑纯扭作用，对开口薄壁截面梁要考虑弯曲扭转双力矩作用。《钢规》没有这方面规定，可按有关力学分析进行相应处理。15.2长细比单向受弯构件绕强轴平面内的计算由强度计算和挠度计算控制，平面外由整体稳定性计算控制，计算时虽然也用到λy数值，但一般其值很小，都在受压容许值之内，不作为单独验算指标。15.3轧制型钢受轧钢工艺限制，轧制