拱形钢结构设计的一般规定

2020-05-12 09:34 西安钢结构 钢结构公司

　　1、拱形钢结构一般以压弯受力居多,其设计需要包含强度、稳定以及刚度计算,还需要进行局部稳定性计算。对于实腹式与腹板开孔拱,局部稳定计算通过限制板件的宽厚比保证;对于结构式拱,局部稳定指节间内构件的稳定性。与梁比较,拱称为推力结构。对于拱形钢结构的设计,结构整体稳定计算是十分重要的内容,必须予以高度重视。

　　拱形钢结构通常在均布竖向荷载作用下具有较好的承载性能,但是在荷载呈偏跨分布作用下,特别在局部荷载较大的位置,会产生较大的弯矩,结构受力较为不利。风荷载与雪荷载在拱屋面上一般呈现不均匀分布的特点,因此需要根据具体情况确定荷载的最不利分布形式。

　　2、对于等截面实腹式圆弧拱、抛物线拱,腹板开圆孔工字形截面圆弧拱、相贯焊接节点的圆弧形钢管桁架拱的平面内稳定计算,已有相应的计算公式。对于截面与轴线变化复杂的拱形钢结构,还没有可供设计使用的简化设计方法,一般可以按照有限元分析方法进行计算。

　　采用有限元法计算拱平面内整体稳定承载力时,取拱平面内最低阶整体屈曲模态作为初始几何缺陷的分布形式,其缺陷幅值按拱跨度的1/n取值。对反对称屈曲的拱按《钢结构设计规范》GB50017中a、b、c、d类截面分别取n=600、500、400、300。几何初始缺陷的取值源于德国DIN18800提供的数值,其综合考虑了几何初始缺陷和残余应力两项因素的影响。采用弹塑性全过程有限元分析方法计算拱形钢结构的极限承载力时,其计算结果直接与单元类型的选取、拱单元的划分数量、屈服条件及软件之间算法的差异、极值点的确定和计算人员知识水平的高低等多因素有关,建议拱形钢结构的荷载效应(按照标准值组合计算)不要大于拱平面内稳定承载力计算值(按照荷载标准值组合后的比例关系确定)与K值之比。其中K反映了荷载效应(标准值)与结构抗力取值(标准值)的不利影响,再考虑到有限元计算的不确定因素，K综合取值2.0。

　　目前对拱形钢结构平面外稳定承载力还没有可以直接采用的简化计算公式。采用有限元方法计算拱平面外稳定承载力时,可以同时取拱平面内与平面外的最低阶整体屈曲模态作为初始几何缺陷的分布形式,其面内外缺陷幅值按拱跨度的1/n取值;对面内反对称屈曲的拱按《钢结构设计规范》GB50017中a、b、c、d类截面分别取n=600、500、400、300。面外缺陷幅值按面外屈曲波长的1/750取值。按照有限元分析方法计算拱的平面外稳定时,除了考虑拱材料与几何非线性外,还可以采用能够反映拱轴线面外变形、绕拱轴线扭转及拱脚实际约束条件的空间模型,按照这一计算模型所获得的计算结果反映了拱的空间失稳特性。同样建议拱形钢结构的荷载效应(按照标准值组合计算)不能大于拱平面外稳定承载力计算值(按照荷载标准值组合后的比例关系确定)与K值之比，K综合取值2.0。

　　3、对于实腹式等截面梁,可以采用梁单元,但单元类型需要充分考虑截面剪切变形的影响。对于粗短拱或者扁拱,其剪切变形对其承载力影响较大。如果构成截面的板件宽厚比超过其限值,应用壳单元可以考虑板件局部屈曲的影响。对于腹板开孔截而拱,采用梁单元模型会产生较大的误差,因而可以采用壳单元亦能考虑板件局部变形的影响。但若能提炼出腹板开孔截面拱的简化计算模型,亦可用梁单元计算。对于钢管桁架拱,一般要求弦杆做成弧形曲线,故采用梁单元能考虑其附加弯曲变形。条件允许时,可以对拱采用梁单元与壳单元分别计算并取二者的较小值作为承载力设计值。特别对于空腔内采用加劲肋的箱形截面拱,采用壳单元更能反映构件的实际受力情况,也可以通过壳单元进一步优化截面设计以及加劲肋配置。

　　计算拱形钢结构稳定承载力,一定要考虑结构或构件的塑性发展。有限元弹塑性分析时，钢材采用理想弹塑性应力应变曲线常会出现迭代不收敛现象,故采用适当强化的计算模型以解决收敛问题。

　　4、在建筑拱形钢结构屋面,通常存在檀条以及屋面板等次构件的面外支撑作用,当支撑构件具有足够刚度能够完全限制钢拱的面外位移或扭转时,能保证钢拱不发生整休面外失稳。对于两铰拱即拱脚截面处的线位移及绕拱轴切线的扭转角完全受到约束而拱轴在其平而内及面外弯曲自由的情况，且面外支撑应能充分约束支承点处截面的面外位移与扭转的情况,只要满足公式，钢拱的面外失稳不先于面内失稳。

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