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建筑钢结构适用性分析

作者:admin来源:中国钢结构网 日期:2016-3-10 8:37:24 人气: 标签:

  建筑钢结构适用性分析戴国欣,夏正中(重庆建筑大学,重庆400045)修订的国家标准〈建筑结构设计统一标准(GB 68)和(〈钢结构设计规范)〉(GB17)或作为进一步研宄的基础。

  1概述建筑结构必须满足安全性、适用性、耐久性(通常总称为可靠性)三方面的功能,即在正常施工和正常使用时,能承受可能出现的各种作用;在正常使用时具有良好的工作性能;在正常维护下具有足够的耐久性等等。结构或结构的一部分如果超过某一特定状态,就可能不满足设计规定的(上述)某一功能,此特定状态被定义为该功能的极限状态。

  极限状态一般表述为两类,一类为承载能力极限状态,另一类为正常使用根限状态。前者刻画结构由于丧失安全性功能己经不能使用的各种状况,后者则描述结构因不满足适用性条件或耐久性要求而不好使用的各种状况。

  对于承载能力极限状态,国内外开展的研究比较多,其成果在国际标准结构可靠性总原68―84)中反映得比较充分。相比之下,正常使用极限状态则因为其复杂性,各国的研究工作都还没有太多的进展。目前,国内外都在积极地、逐步地推广应用高强钢材,有些构件因此存在由安全性控制设计向适用性控制设计过渡的可能性。本研究是与建设部、国家自然科学基金项目“建筑结构正常使用极限状态可靠性研究”有关的一部分工作,针对建筑钢结构构件正常使用极限状态可靠性之适用性问题作一些探讨,以适应基本建设中钢结构工程发展的新趋势、新需求,也为正在修订中的国家标准GB 68补充建筑结构正常使用极限状态的可靠性分析内容提供。

  2钢结构正常使用根限状态的设计表达式建筑钢结构的正常使用极限状态,考查的对象为“影响正常使用或外观的变形”以及“影响正常使用的振动”。本文侧重于“影响正常使用或外观的变形”,关于振动,其范围主要局限于有动力荷载作用的某些工业建筑,对此,钢结构设计规范(GB 17―88)未直接提出控制振动位移的明确要求,而是通过限制构件长细比的办法,间接地控制可能产生的影响正常使用的构:戴国欣(1955―)男(汉族)江苏南京人,重庆建筑大学副教授。

  件振动。实际上,若能对静力位移进行有效的限制,也可以间接达到有效地限制振动位移的目的。但在各种不同情况下,满足“不影响正常使用的振动”条件的静力位移限值或振动位移限值这一问题,需要另外研究并补充相关规定。为此,本文提供了处理建议。

  21建立极限状态设计表达式钢结构构件的变形可以表达成:梁构件的相对变形值:3/L柱构件的相对变形值:I/H钢结构构件变形极限状态可以归纳为:钢构件采用钢材的弹性模量;分别是与梁构件端部条件、跨度,与柱构件端部条件、高度有关的系数;l、1、一变形值,分别表示梁最大竖向位移和柱最大层间位移;h、h钢构件对应于变形l、l的截面惯性距;分别是梁的跨度和柱的高度;例如,跨中一个集中荷载F作用下的简支梁构件:C=12/L,S=FL/4;满跨均布荷载q作用下的简支梁构件:C=384W40L),S=qL2/8等等。

  我们定义变形极限状态表达式因此可写作:一设计规范规定的构件相对变形限值;相对变形达到限值方法,计算其可靠指标卩以及失效概率Pf. 22分析方法简述设结构极限状态方程为:其中的X(i=1,23,n)为设计所必须考虑的任意分布的基本变量,它们被处理为随机变量。作标准化变换,即令:的座标,可得:假定卩的初值(例如卩=),可得xr的初值。对非正态变量要进行当量正态化处理,即在x/处令非正态分布变量与当量正态分布变量两者有相同的累积分布函数值和相同的概率密度函数值。若设非正态分布变量的分布函数为f(xr)、其概率密度函数为/(xr)标准正态分布的分布函数为(工/)、其概率密度函数为  抗力不定性采用随机变量Kr描述备R=(知+ 4+銮分别考虑取1.0、1.C5、1.1,龟/分别取0.05、0.1、0.15等。这样便可以通过式(3)和式⑷求得统计量Kr、KKr的值,不过它们不只是一组值,而是经组合在一定范围内的若干组值。

  用于算例的荷载统计量列入表1,由于荷载规范GB 9正在修订之中,办公楼及住宅楼面活荷载标准值由1500kN/m2调整为2000kN/m2,调整前后的统计值分别列出;风荷载由30年统计值调整为50年统计值,因我国采用50年设计基准期,只列出了调整后的值。

  算例采用基本荷载组合,荷载效应比值按GB 68―84取用,表2、表3给出了FOSM法之CHECK-POINT法的计算结果(限于篇幅,只列出了四种常遇荷载效应比值即0.25、0. 4计算结果分析与建议算例显示,钢结构构件正常使用极限状态可靠指标的计算值大致在0.0 ~1.5之间,这些值比较承载能力极限状态可靠指标运算值要低得多。因为构件达到正常使用极限状态时,仅仅是“不好使用”而不象诸如强度破坏、疲劳破坏、丧失稳定等等承载能力极限状态“不能使用”的情况那么严重,对它设置较低的可靠度是合理的。

  针对不同的情况,正常使用极限状态宜设置不同的可靠度尺度。一般可以划分成可逆的和不可逆的两类,构件在静力荷载作用下的弹性位移或变形、在通常(非地震)动力荷载下产生的振动位移或变形是可逆的,裂缝则是不可逆的。ISO 2394建议:卩=0用于可逆的使用极限状态,卩=1.5用于不可逆的使用极限状态。

  国内曾作过一些调查41,统计结果表明,凡设计满足规范关于使用极限状态变形限值要求的,一般使用情况为“正常”、“良好”、“极良好”;不满足规范变形限值要求的,出现“稍晃动”、正常使用的变形“的控制,也在一定程度上控制了”影响正常使用的振动“。总的说来,钢结构设计规范对于使用极限状态的控制是比较有效的,算例也显示,其可靠度一般不低于ISO2394的建议值。

  使用极限状态的可靠度分析中,统计量Kif以往没有作过调查统计,所以暂时无法研究其分布,客观上的相对变形临界值的设置标准也需要界定。我们不能肯定设计规范规定的诸多相对变形限值百分之百的合理,某些偏离的情况并不排除。Km取值直接影响到使用极限状态的失效概率计算也直接关系结构的用钢指标,因此如何获得其统计规律比如某些特征值显得非常重要,目前我们还只能从大体上推断它的取值范围,并求得有关的上界与下界。

  客观上的相对变形临界值,须依靠实际经验或通过工程调查判定。举例来说,屋面变形较明显而产生积水或刚开始漏水时,檩条的相对变形值可以作为其客观上相对变形的临界值;对吊车梁,导致轻微卡轨时的相对变形值可以视作其客观上相对变形的临界值等等。

  关于“影响正常使用的振动”这一问题,由于人们对振动的感受程度上存在个体差异,标准也不太容易准确把握。国内外资建设的某发电厂工程(国外设计)钢结构厂房使用(行车运行)时,振动非常明显,行车司机反映,启动或刹车时特别不适应,工作时心理压力较重。经验算发现该厂房构件长细比不满足我国钢结构设计规范的限值要求。国内外对使用极限状态的控制限值不完全一致,反映出对此问题认识上的差异,在把握尺度上有出入,这有待进行更多的调查与研究。

  影响正常使用振动问题的控制,除了可以继续完善原有控制长细比方法,还可以考虑其他途径。一是研究动力荷载下结构构件产生的振动位移,将控制振动转化为控制位移或变形,归入“影响正常使用的变形”一类;二是应用模糊论方法探讨此“模糊”问题。对上面提到的K设置,也可以用模糊论方法处理。

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