表1 (钢标中表3.3.5) 给出了单层厂房的温度区段长度值, 即在限值内, 可不考虑温度变化对结构的影响。

表1 温度区段长度值 m

表1是多年来单层厂房工程实践的总结, 它仅适用于特定类型的单层钢结构厂房。

这里的单层厂房是指:沿厂房横向, 钢柱柱底与基础刚接, 屋架与柱顶铰接的排架结构, 或柱底与基础刚接或铰接, 柱顶与屋架或屋面梁刚接的刚架结构。厂房纵向为支撑结构, 即纵向水平力由支撑承担, 无支撑的梁柱部分只承受竖向荷载。

沿厂房纵向的柱间支撑, 要求设在纵向的中间部位。这与民用建筑的支撑设置法不同。后者的多高层建筑, 楼板为混凝土楼板符合平面无限刚假定, 要控制结构的扭转, 支撑通常设在端部。单层厂房通常采用轻型屋面, 各柱列基本上表现为独立工作, 独立承担纵向水平荷载, 不存在考虑结构整体作用控制扭转变形问题。而此时为延长温度区段长度, 温度应力将是重点。将支撑设在中部可大大降低温度应力作用。

除了纵向支撑的位置, 结构体系和屋面结构形式也影响温度区段的长度。上述单层厂房每榀排架 (刚架) 之间的屋面采用檩条体系, 面内刚度弱, 有利于温度应力的释放。

故表1不适用于诸如屋面采用拱桁架体系、网架体系等面内刚度大的单层钢结构体系。

关于单层钢结构厂房温度区段的设置问题, 魏明钟[1]有过全面的论述, 下面做一个简略介绍。

16.1影响温度应力的因素

16.1.1温差取值

温差的取值有两种观点:

一是取安装时月平均温度与使用时最不利温度之差。如不能确定安装时间, 安装温度可取最热月平均温度或最冷月平均温度。在寒冷地区, 一般气温在-15℃以下就不会进行室外安装作业, 因此最冷月平均温度可取不低于-10℃。

二是认为结构安装后, 要经过几次温度伸缩的反复其连接才能稳定下来, 因此温差取使用阶段最不利的温度变化而可不考虑安装时的温度。

1) 非采暖车间。

非采暖车间的室内温度与室外气温相差不大, 而钢构件温度又几乎是周围空气温度, 所以使用时的最不利温度可取为室外空气的最高或最低温度。

钢结构厂房跨数不多但较高, 厂房柱在风荷载作用下的内力较大。若只有最高温度应力而无最大风载, 厂房一般是安全的。所以只有在最大风载作用下同时又是较大温差时, 结构达到最不利状态。因此, 对于非采暖车间, 使用时的最不利温度可近似取年最大风速时的月最高或最低气温。

根据气象原理, 大风产生于冷暖空气交替之际, 一般夏天大风时, 气温比最高气温低10℃左右;冬天大风时, 气温比最低气温高4～5℃左右。

气温资料表明, 由于年最大风速时的最高、最低气温变化幅度比极端气温的变化幅度小得多, 两种方法的温差取值接近。北方地区, 取35～45℃;中部地区, 取25～35℃;南方地区, 取20～25℃。

2) 采暖车间。

采暖车间处于北方寒冷地区, 室内温度变化小, 冬季室内采暖温度在12～16℃。与非采暖车间相比, 可认为其温差更小, 可取25～35℃。

3) 热车间。

热车间温度不均匀, 计算温差应略高于普通车间, 可取40℃左右。

4) 露天栈桥。

风荷载对露天栈桥影响很小, 故计算温差不与大风同时考虑。考虑露天受太阳辐射的影响, 夏季钢构件向阳面温度高, 背阴面温度低。经热工计算, 太阳辐射时, 钢构件内部平均温度约比空气温度高10℃ (此数据由重庆建工学院建筑物理教研室陈啓高教授提供) 。故露天栈桥的计算温差值, 北方地区可取55～60℃, 南方地区可取45～50℃。

16.1.2温度变形不动点位置

厂房纵向, 如果结构沿全长对称布置 (图1a、图1b) , 由于温度内力是自平衡的, 温度变形的不动点在全长的中点。

图1 温度变形的不动点位置

16.1.3温度变形的损失

由水平钢构件纵向伸缩引起的柱水平变形将由于下列原因而有所损失。

1) 连接滑移。

水平构件与柱的连接越不紧密, 变形损失越大。

2) 水平构件的柔度。

水平构件刚度越小, 引起的变形损失就越大。

3) 柱和柱间支撑的弹性抵抗。

经实测, 并参考国内外资料, 建议吊车梁的变形损失宜取理论值 (按温差的计算值) 的30%～50%。

4) 柱脚为弹性嵌固时温度应力的损失。

沿厂房纵向, 由于柱脚截面较小, 考虑柱脚的弹性转动、锚栓的弹性伸长以及基础顶面的弹性压缩等原因, 柱脚处的温度应力损失可按30%考虑;沿厂房横向, 柱脚截面较大, 上述影响较小, 柱脚处的温度应力损失可按10%考虑。

5) 温度应力许用值。

文献[1]采用旧的荷载组合和容许应力法考虑温度应力许用值。

温度应力的许用值为20 MPa, 对于Q235的容许应力相当于12%, 对Q355的容许应力相当于8%。即当温度应力不大于20 MPa时, 可不考虑温度应力的影响。

16.2温度应力的计算

16.2.1露天栈桥柱

柱脚处温度应力为:

取温度变形损失系数S=0.6, 柱脚处温度应力损失系数η=0.7, 则:

16.2.2单层厂房纵向

柱脚处温度应力为:

取柱脚处温度应力损失系数η=0.7, 则:

式中:K为λ=a/h及n=I1/I2的函数。

16.2.3单层厂房横向

柱脚处温度应力为:

取温度变形损失系数S=0.85 (横梁与柱顶刚接) 或0.7 (横梁与柱顶铰接) , 柱脚处温度应力损失系数η=0.9, K=3.5 (横梁与柱顶刚接) 或2.5 (横梁与柱顶铰接) , 则:

柱顶刚接:

柱顶铰接:

16.3温度区段的允许长度

16.3.1允许长度的计算

温度应力计算式 (2) 、 (4) 、 (6) 中的σt取200 kg/cm2 (20 MPa) , 可得到不需要考虑温度应力的允许长度。

1) 露天栈桥。

温度变形不动点在中央时, 温度区段允许长度为:

一般情况, 露天栈桥的温差为Δt=45～60℃, 柱高H1=6～20 m, H1/b=18～30。图2为H1/b=24时的L曲线, 17钢标的规定值为水平线, 当柱高较大时偏于保守, 柱高较小时温度应力可能超过允许值20 MPa。

图2 露天栈桥为纵向温度区段长度

2) 单层厂房纵向。

温度变形不动点在中央时, 温度区段允许长度为:

式中:取λ=0.3, n=0.14, 取H/b=32.5得到L曲线 (图3) 。可以看出, 当柱高较小时, 采用17钢标的长度限值, 温度应力可能超过允许值20 MPa。

3) 单层厂房横向。

图3 单层厂房纵向温度区段长度

柱顶刚接:

柱顶铰接:

设H/B=13.5, 得L曲线如图4、图5。可以看出, 当柱高较小时, 采用17钢标的长度限值, 温度应力可能超过允许值20 MPa。

图4 横向温度区段长度 (柱顶刚接)

图5 横向温度区段长度 (柱顶铰接) 下载原图

本文对于钢结构温度应力的研究虽然来自单层钢结构厂房, 但其一些共性的结论对其他类型的钢结构也有借鉴作用。如考虑柱脚弹性嵌固的温度变形引起的温度应力损失, 可以参照沿厂房纵向按30%考虑、沿厂房横向按10%考虑的结论作为其他钢结构设计时的参考。

弯矩调幅设计可用于不以钢框架为主承担水平力的结构 (具体规定见第10.1.1条) 。

类似混凝土结构, 钢结构的弯矩调幅仅限于竖向荷载。梁端部调幅的弯矩要加到梁跨中位置, 钢梁调幅幅值最大为20% (17钢标表10.2.2-1) , 水平力 (风、地震) 产生的弯矩不应调幅, 柱端弯矩不参与调幅。

弯矩调幅设计时, 梁的抗剪强度应符合下式:

调幅的塑性铰部位梁截面的强度计算应符合10.3.3的要求, 即:

1) 轴压比应符合:

2) 抗弯计算符合式 (12) 要求:

3) V>0.5hwtwfv, 由2) 验算抗弯承载力时, 腹板强度设计值f可折减为 (1-ρ) f, ρ按式 (13) 计算:

第4.4.5条指出, 焊缝的强度指标应按表4.4.5采用并应符合下列规定:计算下列情况的连接时, 表4.4.5规定的强度设计值应乘以相应的折减系数;几种情况同时存在时, 其折减系数应连乘:

1) 施工条件较差的高空安装焊缝应乘以系数0.9;

2) 进行无垫板的单面施焊对接焊缝的连接计算应乘折减系数0.85。

第4.4.7条规定:铆钉连接的强度设计值应按表4.4.7采用, 并应接下列规定乘以相应的折减系数, 当下列几种情况同时存在时, 其折减系数应连乘:

1) 施工条件较差的铆钉连接应乘以系数0.9;

2) 沉头和半沉头铆钉连接应乘以系数0.8。

第4.4.5、4.4.7条文说明:

1) 施工条件较差的高空安装焊缝和铆钉连接。当安装的连接部位离开地面或楼面较高, 而施工时又没有临时的平台或吊筐设施等, 施工条件较差, 焊缝和铆钉连接的质量难以保证, 故其强度设计值需乘以折减系数0.90。

2) 无垫板的单面施焊对接焊缝。一般对接焊缝都要求两面施焊或单面施焊后再补焊根。若受条件限制只能单面施焊, 则应将坡口处留足间隙并加垫板 (对钢管的环形对接焊缝则加垫环) 才容易保证焊满焊件的全厚度。当单面施焊不加垫板时, 焊缝将不能保证焊满, 其强度设计值应乘以折减系数0.85。

3) 沉头和半沉头铆钉连接。沉头和半沉头铆钉与半圆头铆钉相比, 其承载力较低, 特别是其抵抗拉脱时的承载力较低, 因而其强度设计值要乘以折减系数0.80。

第7.6.1条规定, 桁架的单角钢腹杆, 当以一个肢连接于节点板时 (图6) , 除弦杆亦为单角钢, 并位于节点板同侧者外, 应符合下列规定:

1) 轴心受力构件的截面强度应按本标准中式 (7.1.1-1) 和式 (7.1.1-2) 计算, 但强度设计值应乘以折减系数0.85。

2) 受压构件的稳定性应按下列公式计算:

等边角钢:

短边相连的不等边角钢:

长边相连的不等边角钢:

式中:λ为长细比, 对中间无联系的单角钢压杆, 应按最小回转半径计算, 当λ<20时, 取λ=20;η为折减系数, 当计算值大于1.0时取为1.0。

图6 角钢的平行轴

第7.6.1条文说明:

桁架的单角钢腹杆, 若腹杆与弦杆在节点板同侧 (图7) , 偏心较小, 可不考虑这一折减。

1) 强度计算。单面连接的单角钢是双向偏心受力构件, 若按轴心受力构件计算, 要对强度进行折减, 折减系数可取0.85。

图7 腹板与弦杆的同侧连接

1—弦杆;2—腹杆;3—节点板。

2) 稳定计算。单面连接的受压单角钢是双向压弯构件。为计算简便起见, 习惯上将其作为轴心受压构件来计算, 并用折减系数考虑双向压弯的影响。

第7.1.3条规定, 轴心受拉构件和轴心受压构件, 当其组成板件在节点或拼接处并非全部直接传力时, 应将危险截面的面积乘以有效截面系数η, 不同构件截面形式和连接方式的η值应符合表2 (钢标中表7.1.3) 的规定。

第7.1.3条文说明:

有效截面系数考虑了杆端非全部直接传力造成的剪切滞后和截面上正应力分布不均匀的影响。

需要说明的是, 表2的角钢图例中单边连接单角钢取有效截面系数η=0.85, 是不均匀传力的结果, 而7.6.1第一款单角钢单面连接取强度设计值折减系数0.85是偏心受力的结果, 两者考虑的不是一个事情, 应分别并同时考虑。

表2 轴心受力构件节点或拼接处危险截面有效截面系数

综上, 需要注意的是, 当几种情况同时存在时, 其折减系数应连乘。

[1]魏明钟.单层厂房钢结构温度应力和温度区段长度的探讨[R].重庆:重庆建筑工程学院科技情报科, 1983:6.