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民用建筑工程设计常见问题分析及图示
(钢结构和空间网格结构)
批准部门:中华人民共和国建设部 批准文号:建质[2005]14号
主编单位:中冶京诚工程技术有限公司
中国建筑标准设计研究院 统一编号:BT—791
实行日期:二00五年三月一日 图集号:05SGl09—4
目 录
编制说明
钢结构
1 钢结构设计规定
1.1 基本设计规定
1.2 构件计算
1.3 连接计算
1.4 构造要求
2 冷弯薄壁型钢结构
2.1 基本设计规定
2.2 构件计算
2.3 构造要求
3 门式刚架轻型房屋钢结构
3.1 基本设计规定
3.2 支撑体系
3.3 设计计算
3.4 构造要求
4 高层民用建筑钢结构
4.1 基本设计规定
4.2 构件设计
4.3 节点设计
4.4 组合楼板设计
空间网格结构
5 空间网格结构
5.1 材料选用
5.2 结构选型
5.3 设计计算
5.4 杆件
5.5 节点设计
编 制 说 明
1.主要编制依据:
建设部建质[2004]46号文”关于印发《二00四年国家建筑标准设计编制工作计划》的通知”
《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001(简称可靠度标准)
《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223-2004(简称设防分类标准)
《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001(简称荷载规范)
《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001(简称抗震规范)
《钢结构设计规范》GB 50017-2003(简称钢结构规范)
《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98(简称高钢规程)
《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJl38-2001(简称组合结构规程)
《钢骨混凝土结构设计规程》YB9082-97(简称钢骨混凝土规程)
《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018-2002(简称薄壁型钢规范)
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102:2002(简称门式刚架规程)
《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91(简称网架规程)
《网壳结构技术规程》JGJ6l-2003(简称网壳规程)
《网架结构设计与施工规程应用指南》(简称网架设计指南)
《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002(简称钢结构焊接规程)
《钢网架螺栓球节点用高强度螺栓》GB/T16939-199(简称钢架高强度螺栓)
《钢结构工程施工质量验收规程》GB50205-2001(简称钢结构施工规范)
《建筑工程设计文件编制深度规定》建质[2003]84号(简称设计文件深度)
《施工设计文件审查要点》[2003]2号(简称审查要点)
2,编制目的:
根据现行的国家有关规范、规程,对民用建筑工程设计中由于设计人员的考虑不周和对规范、规程的理解不够全面,造成的一些不当做法和错误,以及在施工图设计文件审查中常出现的问题,进行汇总、整理、分析,并提出改进措施及依据,从而加强设计人员对规范及规程全面、准确的理解,避免类似错误的发生,合理和优化设计,提高设计质量。
3,主要内容:
本图集共分四册。第一册为工程设计管理、荷载与地震作用、地基与基础,第二册为砌体结构,第三册为混凝土结构,第四册为钢结构和空间网格结构。采用图文并茂及对照编排方式给出设计中工程技术人员容易混淆、容易忽视的问题及相关规定和改进措施示例。
本分册主要内容包括:普通钢结构、冷弯薄壁型钢结构、门式刚架轻型房屋钢结构、高层民用建筑钢结构和空间网格结构的基本设计规定、构件计算及构造要求等。
4,适用范围:
本图集适用于民用建筑或一般工业建筑工程设计,可供设计、审图、监理、施工和管理等部门的技术人员使用。
5,使用说明
5.1 本图集所列常见问题是指不符合现行国家规范、规程或不够合理、不够完善的做法,改进措施是指根据规范,规程的规定应采取的做法。
5.2 鉴于工程的具体情况,解决问题的措施不是唯一的,设计时应根据工程实际情况,注意避免本图集提出的”常见问题”,采取合理的解决措施,不宜拘泥于本图集提供的改进方案。
5.3 使用本图集应严格执行国家现行标准、规范和规程的规定,如涉及地方规定的,还应协调考虑。
1 钢结构
1.1 基本设计规定
1.1.1 在钢结构设计文件说明中未注明结构钢材的强度等级、连接材料的型号,焊缝型式,焊缝质量等级及对施工的要求。
原因分析:对于钢结构设计,在设计文件中说明设计所采用的钢材牌号、连接材料的型号、焊缝型式和焊缝质量等级等是必不可少的,应对钢结构制作、安装和验收起到指导作用,因此《钢结构规范》GB50017将它列为强制性条文。设计人员往往在设计文件中忽视了注明要求的必要性。
改进措施:应按《钢结构规范》CB50011第1.0.5条(强制性条文)要求,在钢结构设计文件中,注明钢材牌号、连接材料的型号(或钢号)和对钢材所要求的力学性能、化学成份及其他的附加保证项目。此外,还应注明所要求的焊缝形式、焊缝质量等级、端面刨平顶紧部位及对施工的要求。
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1.1.2 计算重级工作制吊车梁及其制动结构的强度、稳定性以及连接的强度时,未采
用由吊车摆动引起的横向水平力。
原因分析:《钢结构规范》GB50017对于此处有所变化,原《钢结构设计规范》GBJl7-88此处计算的吊车横向水平力考虑增大系数,而现行《钢结构规范》规定,吊车横向水平力标准值按公式HK=αPk,max计算。
改进措施:应按《钢结构规范》第3.2.2条规定进行设计,并与《荷载规范》GB50009规定的横向水平荷载对比,按较大值采用。计算吊车梁及其制动结构的强度、稳定以及连接强度时,按公式HK=αPk,max计算。
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1.1.3 再选用钢材时未注明应要求的钢材质量等级(A、B、C、D等级),材质性能无相应保证。
原因分析:设计中容易忽视钢材的质量等级及其含义、重要性与通用条件。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第3.3.1和第3.3.2条选材要求与《全国民用建筑工程设计技术措施-结构》第17.1.1条在设计文件中注明质量等级要求。
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1.1.4 对由抗震设计控制截面选用的承重钢结构,未对钢材材质提出材料性能补充要求,仅在设计文件中注明采用Q235钢或Q345钢。
原因分析:《抗震规范》GB50011第3.9.1、3.9.2条对钢材提出特别最低要求,应在设计文件中说明。
改进措施:《抗震规范》第3.9.1,3.9.2条对抗震钢结构钢材提出特别最低要求,即实测强屈比、伸长率、冲击韧性和屈服台阶及可焊性,并在设计文件中注明。A级钢不保证冲击韧性,且Q235—A含碳量不作交货条件,故不能用于抗震设防钢结构和焊接结构。
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1.1.5 焊接钢结构选用Q235-A级钢,可焊性无可靠保证。
原因分析:设计人员容易忽视Q235-A级钢是不保证含碳量(亦可不保证焊接性能)的性能条件,又未注意《钢结构规范》GB50017相关条文规定。
改进措施:按《钢结构规范》第3.3.3条(强制性条文)与《全国民用建筑工程设计技术措施一结构》第17.2.2条在设计文件中正确、合理选用钢材等级。
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1.1.6 对于直接承受动力荷载且需验算疲劳的结构,在设计文件中对其手工焊焊条未注明要求采用低氢型焊条,即E4315、E4316或E5015、E5016型焊条。
原因分析:手工焊接时焊条型号中关于药皮类型的确定,应按结构的受力情况和重要性区别对待,对于承受动力荷载且需验算疲劳的结构,为减少焊缝金属中的含氢量,防止冷裂纹出现,并使焊缝金属脱硫减小裂纹的倾向,应采用低氢碱性焊条。设计人员未注意查用规范有关受直接动力荷载构件对焊条选材的专门要求。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第3.3.8条款要求选用焊条。对直接承受动力荷载且需验疲劳的结构,应选取低氢型焊条并配以相应焊剂,即对Q235钢应选E4315、E4316,对Q345钢应选E5015、E5016焊条。
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1.1.7 在钢结构构件计算中对t=18mm,t=20mm,Q235钢板强度设计值取值不同。未予以注意,造成错误。
原因分析:《钢结构规范》GB50017第3.4.1条(强制性条文)规定t>16~40mm钢板抗拉、抗压、和抗弯强度设计值f=205N/mm2,而原《钢结构设计规范》GBJl7-88规定t≤20mm钢板抗拉、抗压和抗弯强度设计值f=215N/mm2。
改进措施:对于钢材的强度设计值,经过多年的设计和生产经验,在大量的调查研究基础上,《钢结构规范》第3.4.l条(强制性条文)将t=18mm和t=20mm的Q235钢板的强度设计值调整为f=205N/mm2,应按此执行。
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1.1.8 在计算单面连接轴心受压单角钢和无垫板的单面施焊的对接焊缝强度时,其强度设计值未乘以折减系数。
原因分析:(1)由于平面连接的受压单角钢实际上是双向压弯构件,只是为计算简便将其作为轴心受压构件计算,应采用折减系数以考虑双向压弯的影响。
(2)经调查统计许多单面施焊不加垫板时,焊缝不能保证焊满焊件的全厚度,因此其强度设计值应乘以折减系数。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第3.4.2条(强制性条文),将强度设计值乘以折减系数0.85(稳定性计算另有规定)。如图1.1.8-1、2所示:
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1.2 构件计算
1.2.1 钢梁上翼缘或支座受有较大集中荷载处,未设置横向加劲肋,或未进行该处腹板
局部承压强度计算。
原因分析:当梁上翼缘或支座受有较大集中荷载时,宜在该处按置构造设支承加劲肋,并应进行该处局部承压验算,否则梁会因为局部承压强度不够而发生破坏。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第4.l.3、4.3.2、4.3.6、4.3.7条要求进行局部承压强度验算,同时注意此处施焊受剪。
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1.2.2 钢梁受压翼缘自由长度l1:与其宽度b1之比超过有关规定,未对钢梁进行整体稳
定计算。
原因分析:对钢结构的受弯构件不仅要进行强度计算,还应进行整体稳定计算,因稳定计算常起控制作用。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第4.2.1条的有关规定,对钢梁进行整体稳定计算。计算整体稳定系数φb时,应遵照附录B的有关规定。
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1.2.3 简支箱形梁截面尺寸不满足h/b0≤6和l1/b0≤95(235/fy)未对梁的整体稳定进行计算。
原因分析:箱形梁与工字形梁相比具有较好的抗扭特性,但其截面尺寸不宜超过限值。
改进措施:由于箱形截面梁的抗侧向弯曲和抗扭转刚度远远大于工字形梁,其整体稳定性很强,设计时应尽量避免计算其整体稳定性,《钢结构规范》GB50017也未给出整体稳定系数的计算方法,因此,《钢结构规范》第4.2.4条规定,箱形截面只要满足h/b0≤6和l1/b0≤95(235/fy)时可不计算其整体稳定性,当不满足时应进行整体稳定计算。
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1.2.4 支座反力比较大的梁端支承加劲肋未按轴心受压构件计算其在梁平面外的稳定性,且对加劲肋与梁腹板的连接焊缝也末进行计算。
原因分析:梁端的反力设计假定由加劲肋和部分腹板承受,加劲肋和部分腹板组成的截面按轴心受压构件计算,加劲肋与上翼缘接触面可以要求刨平顶紧后再焊接。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第4.3.7条,对支承加劲肋处进行计算。计算时应注意此处按轴心受压构件考虑的截面为加劲肋和加劲肋每侧15tw(235/fy)1/2范围内组成的十字形截面,计算长度取梁腹板高度h0,如图1.2.4所示:
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1.2.5 工字形截面梁受压翼缘外伸宽度b与其厚度t之比不符合有关规定。
原因分析:钢结构构件因局部稳定而对板件宽厚比是有限值要求的,尤其是当设计中考虑截面塑性发展与塑性设计时,其限值更严。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第4.3.8条和第9.1.4条规定,限制工字形截面梁受压翼缘的宽厚比。
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1.2.6 计算单角钢受压构件长细比时,未采用角钢最小回转半径,而采用了与角钢平行轴的回转半径。
原因分析:单角钢受压构件的长细比计算一般取最小回转半径,但计算在交叉点相互连接时杆件平面外长细比时则另有规定。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第5.3.8条注2规定取回转半径。
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1.2.7 轴心受压构件未按V=Af/85(fy/235)1/2式计算剪力。
原因分析:对于轴心受压构件,由于在制作、安装过程中构件存在着初始偏心,在外荷载作用下不是理想的中心受压,故应考虑随着构件的弯曲伴有剪力产生,根据理论计算《钢结构规范》GB50017给出剪力计算公式V=Af/85(fy/235)1/2。
改进措施:应按《钢结构规范》第5.1.6条计算轴心受压构件的剪力,此剪力值可假定沿构件全长不变,对于实腹式构件由构件截面承受,对于格构式构件由缀材承受。
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1.2.8 用作减小轴心受压柱自由长度的支撑,仅按构造计算其长细比,未根据支撑力计算其断面。
原因分析:有时支撑根据结构分析受力很小,常常根据长细比来确定支撑的断面,而忽略了用支撑力来验算支撑断面,这样给支撑结构带来了不安全的因素。
改进措施:应根据《钢结构规范》GB50017第5.1.7条的有关规定,按支撑力验算支撑断面,同时满足长细比要求。计算时应注意当支撑同时承担结构上其他作用的效应时,其相应的轴力可不与支撑力相叠加。
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1.2.9 设计桁架时桁架腹杆平面内、外的计算长度l0均取腹杆的几何长度l。
原因分析:对桁架腹杆平面内的计算长度取值规范是有规定的,人为放大了腹杆平面内的计算长度,将造成浪费。
改进措施:桁架腹杆的计算长度应考虑弦杆连接约束影响,按《钢结构规范》GB50017第5.3.1条有关规定取值,并注意该条适用于有节点板连接的条件。因为桁架腹杆用节点板与刚度大的弦杆连接,在桁架平面内转动受到约束,所以,计算长度应予折减;而支座斜杆和竖杆由于端部约束少,故不予折减。
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1.2.10 确定交叉点相互连接的桁架交叉腹杆的平面外计算长度时,取值有误(如取节点中心到交叉点的距离)。
原因分析:桁架交叉腹杆平面外计算长度取值,受另一杆影响,有各种不同取值方法。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第5.3.2条的有关规定进行计算。
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1.2.11 多层有支撑的等截面框架柱在平面内的计算长度系数μ计算取值有误(如按纯框架取值)。
原因分析:框架结构分为无支撑的纯框架和有支撑框架。其中有支撑框架根据抗侧移刚度的大小,分为强支撑框架和弱支撑框架,因此,框架柱平面内的稳定计算也不同。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第5.3.3条的有关规定计算框架柱平面内的计算长度系数μ,进而计算框架柱的轴压杆稳定系数φ,计算时应首先判别是强支撑框架,还是弱支撑框架。
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1.2.12 单层厂房阶形柱下端与基础刚接,框架柱在平面内的计算长度未乘以折减系数。
原因分析:单层厂房框架柱内力分析,多数是以一个平面受荷面积为一个计算单元,忽略了厂房的空间整体的影响,单层厂房阶形柱主要承受吊车荷载,一个柱达到最大竖向荷载时,相对的另一柱竖向荷载较小,荷载大的柱丧失稳定,应考虑本跨内对应柱的支撑作用与厂房的空间工作等有利影响,柱的计算长度应予以折减。
改进措施:框架柱平面内的计算长度应按《钢结构规范》GB50017第5.3.4条的规定乘以折减系数。
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1.2.13 平面外设有支撑的框架柱计算长度,未取支承点间的距离,而取柱全长作为平面外计算长度。
原因分析:在钢结构设计中,由于框架柱的平面外稳定性是主要控制指标之一,为了减小框架柱断面,设置支撑和系杆的主要目的之一就是减小柱平面外的计算长度,达到平面外的稳定应力与平面内的稳定应力接近的目的,从而减小框架柱的断面。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第5.3.7条规定,取图l.2.13中H1或H2中之较大者作为柱平面外计算长度。
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1.2.14 受拉构件在永久荷载与风荷载组合受压时,其长细比大于250。
原因分析:在结构计算中由于风荷载方向变化等原因,受拉构件在永久荷载与风荷载组合计算中会出现受压情况的长细比要求。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第5.3.9条注5控制构件长细比不宜超过250。
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1.2.15 Q235钢工字形截面轴心受压构件的翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t之比按b/t≤15(235/fy)1/2限值取值。
原因分析:误将工字形轴心受压构件与受弯构件的翼缘板宽厚比(自由外伸宽度b与其厚度t值之比值)混淆,容易发生错误取值。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第5.4.1条规定,计算翼缘板宽厚比(自由外伸宽度b与其厚度t的比值)b/t≤(10+0.1λ)(235/fy)1/2。
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1.2.16 箱形截面偏心受压柱,对受压翼缘的宽厚比未进行计算。
原因分析:在钢结构设计中,对于箱形截面,设计者经常注重强度和稳定性计算,而忽略了局部稳定计算,实际上箱形截面受压翼缘与工字形截面一样,其宽厚比计算有具体要求。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第5.4.3条对受压翼缘宽厚比进行计算。
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1.2.17 轴心受压焊接T形钢腹板的高度h0与其厚度tw之比未按h0/tw≤(13+0.17λ)(235/fy)1/2控制。
原因分析:对于轴心受压T形截面,腹板局部屈曲,虽然受到翼缘的约束。但考虑到焊接T形截面几何缺陷和残余应力都比热轧T型钢不利,因此其高厚比的限值相对严一些。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第5.4.4条的有关规定,用h0/tw≤(13+0.17λ)(235/fy)1/2控制腹板的高厚比。
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1.2.18 圆管截面受压柱,外径d与其壁厚t之比超过100(235/fy)1/2。
原因分析:由于此项规定是《钢结构规范》GB50017所增加的内容,设计时容易被忽略。
改进措施:圆管管壁局部弯曲,对于圆管有缺陷时特别敏感,因此应按《钢结构规范》第5.4.5条规定,外径与壁厚之比不应超过100(235/fy)1/2。此规定仅适用于非抗震设计。
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1.2.19 工字形截面偏心受压柱腹板计算高度h0与其厚度tw之比不满足规范要求。
原因分析:工字形截面受压构件中,腹板计算高度不满足有关计算要求时,可采取其他措施。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第5.4.6条的有关规定可设置纵向加劲肋或将腹板截面仅考虑计算高度边缘范围内两侧宽度各为20tw(235/fy)1/2的部分(计算构件稳定性时仍用全部截面)。
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1.2.20 直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接,当应力的循环次数等于或大于5X104次时,未进行疲劳计算。
原因分析:《钢结构规范》GB50017将要作疲劳计算的荷载产生应力变化的循环次数由原规范的n≥105降低到n≥5×104,因此设计时容易被忽略。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第6.1.1条进行疲劳计算,虽然在很多情况下不起控制作用,但还是应按规范规定进行疲劳验算。
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1.2.21 重级工作制软钩吊车梁疲劳计算时未乘或错乘欠载效应的等效系数αf。
原因分析:软钩吊车与硬钩吊车混淆,规范规定硬钩吊车αf=1.0,软钩吊车αf=0.8。
改进措施:计算重级工作制软钩吊车梁疲劳时应按《钢结构规范》GB50017第6.2.3条乘以欠载效应等效系数αf。
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1.3 连接计算
1.3.1 在角焊缝计算中,焊缝的计算长度仍取焊缝的实际长度减去10mm。
原因分析:现行《钢结构规范》GB50017将原《钢结构设计规范》GBJl7-88规定角焊缝的计算长度取实际长度减去10mm,改为取实际长度减去2hf。
改进措施:应按《钢结构规范》第7.1.3条规定,取角焊缝的计算长度lw为实际长度减去2hf。
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1.3.2 在普通螺栓受剪连接计算中仅按受剪承载力确定螺栓数量。
原因分析:普通螺栓受剪连接计算应同时考虑两种破坏:螺栓杆剪断与螺栓杆处的板件挤压破坏,因此在确定连接螺栓数量时要考虑这两种情况。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第7.2.l条第l款规定,根据普通螺栓受剪和承压承载力设计值中的较小者计算螺栓数量。
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1.3.3 在高强度螺栓连接设计中未正确选用摩擦型连接或承压型连接。
原因分析:因为两种高强度螺栓设计的极限状态不同,摩擦型连接是以在荷载设计值下,被连接板叠间产生摩擦阻力刚被克服作为其承载能力极限状态。而承压型连接是以在荷载设计值下,螺栓或连接件达到最大承载能力作为其承载能力极限状态。在荷载标准值下,连接件产生相对滑动,作为其正常使用极限状态。
改进措施:根据《钢结构规范》GB50017第7.2.2和第7.2.3条对摩擦型和承压型高强度螺栓连接的异同作了说明。《高钢规程》JGJ99规定,抗震设计时采用摩擦型高强螺栓连接,但连接的极限承载力计算按螺杆与孔壁接触考虑。
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1.3.4 直接承受动力荷载的结构错误采用承压型高强度螺栓连接。
原因分析:由于高强度螺栓承压型连接是以承载力极限值作为设计准则,即栓杆被剪断或连接板被挤压破坏,由于剪切变形比摩擦型的大,且在荷载设计值作用下将产生滑移,故不应用于直接承受动力荷载的结构连接。
改进措施:根据《钢结构规范》GB50017第7.2.3条规定,高强度螺栓承压型连接不应用于直接承受动力荷载的结构。
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1.3.5 钢结构构件采用高强度螺栓摩擦型拼接,螺栓沿受力方向的连接长度l1大于15d0时,螺栓的承载力设计值未予折减。
原因分析:在构件拼接时,由于高强度螺栓的连接长度过大,以考虑此时螺栓受力的不均匀性。端部的螺栓由于受力最大,往往首先破坏,并依次向内逐个破坏,其承载力应予折减。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第7.2.4条规定,应对高强度螺栓的承载力设计值乘以折减系数[1.1-l1/(150d0)]。当l1大于60d0时,折减系数为0.7,d0为孔径。
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1.3.6 在钢柱与梁刚性连接中,柱腹板在梁翼缘范围内的节点域未进行计算。
原因分析:一般认为,柱腹板节点域受力比较复杂,除承受弯矩外,还有剪力和轴力的影响,但它主要表现为受剪力控制,强度计算并不复杂,局部稳定验算也很简单,往往忽略计算,仅采取构造措施。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第7.4.2条规定,对柱腹板节点域进行强度和局部稳定计算。
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1.3.7 连接节点板在拉力和剪力共同作用下,对节点板的强度未进行计算。
原因分析:构件的连接节点板在承受拉力和剪力较大时,容易产生撕裂,设计时除对构件计算外,还应对节点板的强度进行计算。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第7.5.l条规定,对节点板进行强度计算。
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1.3.8 桁架节点板在斜腹杆压力作用下未进行稳定性计算。
原因分析:节点板的计算是《钢结构规范》GB50017较原规范增加的内容,设计者按以往经验只对杆件进行计算,忽略了节点板的稳定性计算。
改进措施:应按《钢结构规范》第7.5.3条规定,对节点板的稳定性进行计算。
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1.3.9 桁架节点板自由边长度lf与其厚度t之比大于60(235/fy)1/2,又未采取构造措施。
原因分析:只注重桁架杆件的强度和稳定性计算,忽略了节点板的稳定验算。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第7.5.4条第3款规定,节点板应符合lf/t≤60(235/fy)1/2,否则应沿自由边设加劲肋予以加强。如图1.3.9所示:
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1.3.10 梁端支座底板末进行计算。
原因分析:梁端支座底板的厚度需经计算确定是《钢结构规范》GB50017较原规范增加的规定,设计者易忽略。
改进措施:应按《钢结构规范》第7.6.1条规定对梁端支座底板进行计算。计算时应使底板有足够的面积将支座压力传给砌体或混凝土,底板厚度应根据支座反力对底板产生的弯矩进行计算。如图l.3.10所示:
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1.3.11 轴心受压柱底部铣平与柱底板用角焊缝连接,但角焊缝焊脚尺寸未经过计算。
原因分析:轴心受压柱底部铣平与底板连接,只能增大竖向荷载的承载能力,但是柱肢的剪力仍由柱肢与底板的连接焊缝承受。因此,必须对焊缝进行抗剪计算。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第7.6.6条的规定,对钢柱与底板的连接焊缝按最大压力的15%或最大剪力中的较大值进行抗剪计算。
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1.4 构造要求
1.4.1 非采暖地区的房屋钢柱与屋面钢梁刚接,横向温度区段大于120m。又未计算温度应
力或温度变形影响。
原因分析:在钢结构厂房设计中,由于受工艺布置的影响,柱间支撑经常不能设置在理想的柱距内,厂房横向由于结构布置的局限性,也不能按照规定设置横向变形缝,这样就要计算由于温度变化使结构产生的温度应力,在设计中采取相应的构造措施,以承受或消除温度应力,使钢结构处于安全的受力状态。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.l.5条规定的温度区段长度值,考虑温度应力和温度变形对结构内力的影响。当有充分依据或房屋有可靠构造措施时,温度区段的长度可适当增大。
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1.4.2 构件板件的现场拼接对接焊缝,设计文件中只注明采用剖口焊,未给出剖口形式。
原因分析:一般构件的现场拼接,设计上都要求焊缝与母材等强,但由于钢板厚度不同,为达到焊缝与母材等强,就要求根据不同的焊接方法给出不同的坡口形式,这一点设计时很重要,必须予以重视,
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.2.3条要求,给出对接焊缝的坡口形式,可参见《钢结构焊接规程》JGJ81。
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1.4.3 对接焊缝拼接处,焊件的厚度在一侧相差4mm以上,在厚度方向应做斜角。
原因分析:不同厚度的焊件对接焊时,为减小应力集中,一侧厚度相差4mm以上时应做斜角处理,此规定在设计时被忽略。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.2.4条规定,较厚的焊件在厚度方向做斜角处理,坡度不大于1:2.5。
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1.4.4 侧角焊缝连接计算中,按焊缝全长计算,未考虑只能按60hf有效长度计算,连接设计不安全。
原因分析:设计人员不了解侧角焊缝的传力特征与构造要求。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.2.7条第5款的有关规定,按有效长度为60ff计算。
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1.4.5 角焊缝的焊脚尺寸hf小于l.5(t)1/2。
原因分析:为了避免焊接中由于焊接金属冷却速度快而产生淬硬组织,因此规定了不同焊接情况的最小角焊缝尺寸。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.2.7条的有关规定,采用最小角焊缝的焊脚尺寸l.5(t)1/2。但应注意最小焊脚尺寸还要满足最大角焊缝计算长度的要求。
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1.4.6 直接承受动力荷载的结构,对角焊缝的表面形状未提出要求。
原因分析:承受动力荷载的结构,为减小应力集中,提高构件的抗疲劳强度,对角焊缝的表面形状作了规定。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.2.8条规定,对直接承受动力荷载结构的角焊缝表面应做成直线或凹形。焊脚尺寸的比例:对正面角焊缝宜为1:l.5,对侧面角焊缝可为1:1。
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1.4.7 板件端部采用两条侧面角焊缝连接时,两条侧面角焊缝之间的距离过大。
原因分析:板件端部采用两条侧面角焊缝连接,若两条侧面角焊缝距离过大,焊缝横向收缩时会引起板件的拱曲,从而影响结构的受力。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.2.10条规定,两侧面角焊缝之间的距离b不宜大于16t(当t>12mm)或190mm(当t≤12mm),t为较薄焊件的厚度,如图1.4.7所示:
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1.4.8 角钢与节点板采用三面围焊,但对围焊未提出施焊要求。
原因分析:为避免围焊在转角处熄火或起落弧引起较大的应力集中,因此对围焊的施焊设计要提出要求,
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.2.11条规定,对围焊时的施焊提出要求。
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1.4.9 在摩擦型连接高强度螺栓连接范围内,构件接触面的处理方法未在图中说明。
原因分析:尤其是高强度螺栓摩擦型连接是靠被连接板叠间的摩擦阻力传递内力,以摩擦阻力刚被克服作为连接承载力的极限状态,因此,构件接触面的处理方法不同,直接影响高强度螺栓的承载力。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.3.3条规定,在图中对构件接触面的处理方法作出说明。
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1.4.10 高强度螺栓连接的构件,螺栓中心至构件边缘距离不满足最小容许距离。
原因分析:设计时忽略了高强度螺栓连接构件切断边距的要求。
改进措施:螺栓中心至构件边缘的距离是根据螺栓的孔径、受力方向、构件钢板的厚度和边缘状况,以及对施工的影响等因素确定的,应符合《钢结构规范》GB50017第8.3.4条的规定,控制高强度螺栓的容许间距和边距。
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1.4.11 直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连接未采取防止螺帽松动措施,或采用打乱丝扣等损伤性措施。
原因分析:将普通螺栓受拉连接承受动力和承受静荷载混淆,违反了《钢结构规范》GB50017的强制性条文。
改进措施:在使用过程中,由于螺栓受拉并承受动力荷载,因此螺帽容易松动,甚至滑落,给结构安全留下了隐患。应按《钢结构规范》第8.3.6条(强制性条文)规定,对螺帽采取防止松动措施。如采用双螺帽、弹簧垫圈或将螺帽与螺杆焊死等。
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1.4.12 工字形实腹柱腹板计算高度h0与其厚度tw之比大于80(235/fy)1/2,未设置横向加劲肋。
原因分析:工字形实腹柱腹板的局部稳定数据是经过理论计算和试验得出的,《钢结构规范》中将它列为构造要求。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.4.2条的规定,设置横向加劲肋。
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1.4.13 较高的格构式柱末设置横隔。
原因分析:由于格构式柱较高,在制作运输和安装时容易出现扭曲,为增加抗扭刚度,应按规定设置横隔。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.4.3条规定设置横隔。
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1.4.14 桁架弦杆采用H型钢,H型钢的高度与其在平面内的几何长度之比大于l/10,未考虑次弯矩影响。
原因分析:由于桁架节点与其相连的杆件相比刚度比较大,因此当杆件的截面高度与其长度的比值超过一定数值时,要考虑由节点刚性所引起的次弯距对杆件的强度影响。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.4.5条规定,计算桁架弦杆的次弯矩。桁架弦杆按压弯杆件进行计算。
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1.4.15 桁架节点板厚度f=5mm,不满足规定。
原因分析:桁架节点板厚度应根据所连接杆件的内力经计算确定,但不得小于6mm,这是《钢结构规范》中的构造要求。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.4.7条的规定,节点板厚度不得小于6mm。
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1.4.16 焊接工字形梁横向加劲肋与翼缘板相接处未切角。
原因分析:为了避免三向焊缝交叉,加劲肋与翼缘板相接处应切成斜角,但对于直接承受动力荷载的梁的中间横向加劲肋下端不宜与受拉翼缘焊接,一般在距受拉翼缘不少于50mm处断开,对此类梁的中间加劲肋,切角尺寸的规定仅适用于与受压翼缘相连接处。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8,4,11条规定,将横向加劲肋作切角处理。
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1.4.17 梁突缘支座突缘加劲板的伸出长度大于其2倍的厚度。
原因分析:试验结果表明加劲肋的伸出长度与其厚度比不大于2时,一般不会产生明显的弯扭现象,可用端面承压的强度设计值fce进行计算。否则,应将伸出部分作为轴心受压构件验算其强度和稳定性。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.4.12条的规定,控制突缘加劲板的伸出长度不得大于其厚度的2倍。
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1.4.18 柱脚锚栓按同时承受拉力和柱脚底部剪力设计,违反了有关规定。
原因分析:柱脚锚栓的设计尽量避免锚栓承受剪力(规范未给出柱脚锚栓的抗剪强度),一般柱脚水平力由柱底板与混凝土基础间的摩擦力或设置抗剪键承受,柱脚锚栓仅承受拉力。
改进措施:由于柱底板与混凝土基础间此时没有摩擦力,且锚栓要承受拉力,应按《钢结构规范》GB50017第8.4.13条规定设置抗剪键,抗剪键的断面和连接焊缝要由计算确定。
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1.4.19 双肢格构柱插入杯口最小深度仅按1.5倍柱截面宽度取值(此值比0.5倍柱截面高
度小)。
原因分析:插入式柱脚的插入深度应分别按实腹柱与双肢格构柱的不同要求设计。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.4.15条的规定,双肢格构式插入杯口最小深度取l.5倍柱截面宽度bc和0.5倍柱截面高度hc的较大者。这是经过计算和试验确定的。
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1.4.20 重级工作制吊车梁腹板与上翼缘设计文件中要求焊透,未给出要求焊透的T形接头对接与角钢组合焊缝的形式。
原因分析:重级工作制吊车梁腹板与上翼缘的连接焊缝,受力比较复杂,除承受剪力、局部压力外,还有轨道偏心的影响,焊缝很容易疲劳损坏,因此焊缝必须要求焊透,且对焊缝的形式也有一定的要求。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.5.5条,对重级工作制吊车梁腹板与上翼缘要焊透的T形接头对接与角接组合焊缝形式提出要求,如图1.4.20所示:
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1.4.21 吊车梁中间横向加劲肋上端末与上翼缘刨平顶紧。
原因分析:原《钢结构设计规范》GBJl7-88对吊车梁中间横向加劲肋是否与上翼缘刨平顶紧后焊接不太明确,有的设计人员未要求中间横向加劲肋与上翼缘刨平顶紧,而现行《钢结构规范》GB50017明确规定,吊车梁中间横向加劲肋与上翼缘要刨平顶紧。
改进措施:应按《钢结构规范》第8.5.6条规定,吊车梁中间横向加劲肋与上翼缘刨平顶紧后再焊接。
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1.4.22 在设计文件中未注明钢材除锈等级和所用的涂料名称及涂层厚度。
原因分析:钢材的锈蚀严重影响钢结构的使用寿命,降低钢结构的强度,因此在钢结构的设计中必须重视钢结构的防腐设计。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.9.1条规定,在设计钢结构时,应根据结构类型、使用用途、使用环境等在设计文件中明确注明所要求的钢材除锈等级、所用的涂料和涂层厚度。钢结构的涂装设计可参照《钢结构施工规范》GB50205第14.2.1条和第14.2.2条进行。
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1.4.23 地面以下的钢柱脚未要求用混凝土包裹。
原因分析:许多事例表明地面以下的钢柱脚若不用混凝土包裹,柱脚处由于积水使钢材严重锈蚀,对结构存在着安全隐患,因此《钢结构规范》GB50017对地面以下的钢柱脚用混凝土进行包裹列为强制性条文。
改进措施:应按《钢结构规范》第8.9.3条(强制性条文)规定,对柱脚在地面以下部分采用强度等级较低的混凝土包裹(保护层厚度不应小于50mm),包裹的混凝土应高出地面不小于150mm。当柱脚底面在地面以上时,柱脚高出地面的高度不应小于100mm。
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1.4.24 按防火要求设计的钢结构,钢材表面仅用防腐涂料,未采用防火涂料、防火板
等防护措施。
原因分析:钢材对温度比较敏感,没有任何保护的钢材耐火极限仅有0.25小时,因此钢结构的防火设计应引起设计者的高度重视。
改进措施:应按《钢结构规范》GB50017第8.9.4条规定,根据钢结构的具体情况按有关规定进行防火设计。当防锈底漆和防火涂料同时使用时,应注意两者必须匹配。
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1.4.25 采用直接焊接的钢管桁架节点承受动力荷载。
原因分析:由于承受动力荷载,钢管的焊接节点存在着疲劳问题,计算比较复杂,需参考专门规范的规定。
改进措施:《钢结构规范》GB50017第10.1.1条规定,钢管结构不适用于直接承受动力荷载。因此,节点采用直接焊接的钢管桁架承受动力荷载,不能应用《钢结构规范》的有关规定进行设计。
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1.4.26 按现行设计规范设计的钢管桁架采用Q390等屈服强度fy大于345mpa的钢材。
原因分析:设计人员尚未明确了解《钢结构规范》GB50017对钢管桁架的选材要求。
改进措施:根据《钢结构规范》第10.l.3条的规定选择管材。
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1.4.27 钢管结构主管与支管之间的夹角应不小于300。
原因分析:主管与支管之间夹角太小,会使得杆件受力不合理,同时施工不方便。有时施工空间非常小,很难使支管与主管焊接的焊根熔透。
改进措施:根据《钢结构规范》GB50017第10.2.1条第2款规定,主管与支管之间的夹角不宜小于300。
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2 冷弯薄壁型钢结构
2.1 基本设计规定
2.1.1 图纸和材料订货文件中,未注明所采用钢材牌号和质量等级、供货条件以及连接材料的型号(或钢材牌号)等。也未注明对钢材所要求的机械性能和化学成分的必要的附加保证项目,
原因分析:(1)材料牌号涉及工程质量、经济等重要因素,必须具体明确,便于采购、施工、监理、管理各方工作。(2)规范所列表格中,一般只考虑强度等级(如Q235),不注明质量等级(如A、B、C、D),而图纸则应标明包括质量等级在内的牌号(如Q235-B),否则会造成使用不当。(3)焊缝质量等级和施工要求也应恰当、具体、明确提出。
改进措施:(1)对材料、施工要求应全面、合理、完整提出。按《薄壁型钢规范》GB50018第3.0.6条(强制性条文)规定提出要求。(2)所采用的标准名称、代号、年号应准确提出。(3)凡我国钢材标准中有保证的项目可不再列出。只提附加保证和协议要求的项目。(4)抗震结构钢材应按《抗震规范》GB5001l第3.9.l、3.9.2条(强制性条文)提出特别最低要求。
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2.1.2 当房屋设计构造中考虑受力蒙皮作用时,未符合有关规定。
原因分析:(1)目前我国尚未出版冷弯型钢受力蒙皮结构有关规程,不能随意考虑蒙皮作用,关键在于连接的可靠性,如钩头螺栓等可滑移的连接件不具有抗剪能力,不能发挥受力蒙皮作用。(2)蒙皮作用与压型板类型、板面开洞、结构布置和形式等有关,应通过试验或可靠的分析方法取得相应的强度、刚度等参数。(3)考虑蒙皮作用的压型板及其连接等就成为结构体系的重要组成,不能随便拆卸。
改进措施:单层房屋当采用不能滑动的连接件连接压型板及其支承构件形成围护体系,且满足《薄壁型钢规范》GB50018第4.1.10条所提出的要求时,可在设计构造中适当考虑受力蒙皮作用。
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2.1.3 构件长细比未符合有关规定。
原因分析:(1)构件长细比是保证钢构件正常使用极限状态的重要指标,也是受压稳定计算的重要参数。(2)构件计算长度取值有很多规定,比较复杂,取值不当,会有严重后果。(3)回转半径取值要根据构件具体情况及计算长度、取值方向,配合使用。
改进措施:(1)《薄壁型钢规范》GB50018第4.3.3条规定受压、受拉长细比容许值,应按规定计算。(2)计算长度、回转半径分见各章节规定,要正确、全面、熟练掌握。
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2.1.4 格构柱未按有关规定设置横隔。
原因分析:(1)格构式柱依靠缀板或缀条的连接使其形成整体受力构件,为加强其整体作用,常隔一定间距设置横隔。(2)因加工、运输、安装的需要,常将柱子分段,因此在每个单元的两端应设置横隔。
改进措施:(1)按《薄壁型钢规范》GB50018第4.3.4条要求,对格构式柱设置横隔,横隔可用钢板或型钢组成。(2)实腹式受弯及压弯构件两端和较大集中荷载作用处,应设置支承加劲肋,当构件腹板高厚比较大时,构造上宜设横向加劲肋。(3)横隔及横向加劲如图2.1.4所示:
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2.1.5 单面连接的单角钢计算时,未乘以相应的折减系数。
原因分析:(1)《薄壁型钢规范》GB50018第4.2.1至4.2.6条规定的强度设计值是结构处于正常工作情况下求得的,对于一些工作情况处于不利的结构构件或连接,如单面连接的单角钢会产生偏心力,而单面连接的受压单角钢实际是双向压弯构件,为计算简便起见,习惯上将其作为轴心受力构件来考虑,用折减系数来调整其不利影响。(2)近年来对开口薄壁构件的研究、试验结果的验证,证明对经简化处理的规范条文中所提出的折减系数,是有足够精度的。
改进措施:(1)按《薄壁型钢规范》第4.2.7条规定,对单面连接的单角钢等乘以相应的折减系数。(2)对压杆回转半径取值,按该条文所注规定执行。(3)遇有本条文规定的其他折减系数同时存在,其折减系数应连乘。(4)本条文为强制性条文。(5)各种有关连接如图2.l.5所示。(6)第4.2.7条第5款的折减系数仅用于普通螺栓连接。
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2.2 构件计算
2.2.1 格构式轴心受压构件未按有关规定计算剪力。
原因分析:(1)格构式轴心受压构件由于在制作、运输及安装过程中会产生初始弯曲,同时,轴心力的作用存在着不可避免的初始偏心,在轴心力作用下会产生剪力。(2)计算时按此剪力沿构件全长不变,由承受该剪力的有关缀板或缀条分担。
改进措施:(1)按《薄壁型钢规范》GB50018第5.2.7条公式(5.2.7)计算剪力,并注意不同钢材牌号的修正。(2)缀板、缀条按此剪力计算强度、稳定和连接。
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2.2.2 受弯构件支座处的腹板未按规定计算梁腹板的稳定和局部受压承载力。
原因分析:(1)梁的支座反力作用在梁端,因此常设支座加劲肋和梁腹板的一部组成受压杆件,其最关键计算在于平面外稳定。(2)如不设支座加劲肋应按压型板的规定,验算腹板局部受压承载力。
改进措施:(1)受弯构件支座处的腹板,应按《薄壁型钢规范》GB50018第5.3。4条规定计算。(2)当有加劲肋时,应按公式(5.2.2)计算其平面外(对图a中的y轴)的稳定性,其截面积取图中阴影部分。(3)支座处无加劲肋,应按第7.1.7条验算局部受压承载力。公式(7.1.7-2)中,α=0.06,lc=10mm,E=206X103N/mm2,θ=90,则公式(7.1.7-2)可简化为:Rw=92.59(f)1/2[0.5t2+(0.2t3)1/2],式中各符号单位如下:Rw(N),f(N/mm2),t(mm)。
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2.2.3 格构式压弯构件中仅计算整个构件的强度和稳定性,未计算单肢的强度和稳定性。
原因分析:(1)格构式压弯构件应保证单肢不先于整体破坏。(2)双肢格构式压弯构件,只要分肢在两个方向的稳定性得到保证,整个构件在弯矩作用平面外的稳定性也可以得到保证,
改进措施:(1)按《薄壁型钢规范》GB50018第5.5.7条,对双肢或多肢格构式压弯构件的整体和分肢的强度和稳定性都应计算。(2)双肢压弯构件的单肢平面外稳定得到保证,整体平面外稳定可不计算。
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2.2.4 在构件节点处或拼接接头的一端,当螺栓沿受力方向的连接长度lb大于15d0情况下,螺栓承载力设计值未给以折减。
原因分析:(1)在构件节点处或拼接接头的一端,当螺栓沿受力方向的连接长度lb大于15d0时,螺栓受力很不均匀,端部螺栓往往首先破坏,依次向内逐个破坏,故应将承载力设计值乘以折减系数。(2)这里所指螺栓为普通螺栓,不包括摩擦型高强度螺栓。
改进措施:按《薄壁型钢规范》GB50018第6.1.6条规定之条件,乘以规定的折减系数。
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2.2.5 实腹式屋面檩条计算时未注意屋面能否阻止檩条侧向失稳和扭转。
原因分析:(1)实腹式檩条在屋面荷载作用下,属双向受弯,当采用开口薄壁型钢(非双轴对称)时,因荷载作用点对截面弯心的偏心,有弯曲扭转双力矩的作用。但由于板与檩条的连接能阻止或部分阻止侧向弯曲和扭转,为简化计算,不计入弯扭双力矩的影响。(2)所谓板与檩条的牢固连接,指采用自攻螺钉、螺栓、拉铆钉和射钉等的连接,且要求屋面板有一定的刚度(如压型钢板)时,才可不验算稳定。(3)对塑料瓦等刚度较弱或板与檩条连接不够牢固(如扣板、钩头螺栓连接)时,则应计算稳定性。
改进措施:按《薄壁型钢规范》GB50018第8.1.1条规定,按屋面能否阻止檩条侧向失稳和扭转作用,分别按公式(8.l.1-1)、(8.1.1-2)计算实腹式檩条的强度和稳定性。
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2.2.6 檩条在垂直于屋面方向的挠度未符合有关规定。
原因分析:(1)檩条的容许挠度限值属正常使用极限状态,避免因挠度过大致使面材断裂或漏水。(2)压型板因坡度很小,为防止檩条变形导致板面积水,加速锈蚀,故对其做出较严限值。
改进措施:按《薄壁型钢规范》GB50018第8.1.6条,根据屋面板材料不同,可选择相应的挠度容许值。
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2.2.7 墙梁若在构造上不能保证其整体稳定时,未按有关规定计算其稳定性。
原因分析:(1)当墙梁两侧均有墙板,或一侧有墙板、另一侧有拉杆和撑杆体系,可阻止其扭转变形时,可认为构造上能保证墙梁整体稳定。(2)当不具备上述条件,如墙板未与墙梁牢固连接或采用挂板形式,拉条和撑杆在构造上不能阻止墙梁侧向扭转,则应验算其整体稳定性。
改进措施:(1)若构造上不能保证墙梁的整体稳定性时,应按《薄壁型钢规范》GB50018第8.3.2条规定,采用公式(5.3.3-2)计算其稳定性。(2)该式中φbx可仅考虑Mx作用,不考虑My及B的影响,按附录A.2进行计算。(3)采取防止扭转构造措施后,按《薄壁型钢规范》第8.1.1条公式(8.1.1-1)、(8.1.1-2)计算。
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2.2.8 墙梁的挠度未符合有关规定。
原因分析:(1)墙梁的容许挠度限值属正常使用极限状态,对水平方向和竖向有不同要求。(2)门窗洞顶部墙梁挠度限值比其他墙梁严格,因为要保证门窗的开启,以及墙梁变形时门窗玻璃不致损坏。
改进措施:按《薄壁型钢规范》GB50018第8.3.3条,根据不同使用条件,计算水平和竖向挠跨比及挠度值,并满足其容许值。
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2.2.9 屋架计算未考虑屋面风吸力作用时,可能导致屋架杆件内力变号的不利影响。
原因分析:(1)屋架一般以竖向荷载为主,计算各杆件受拉、受压内力,选定截面。但计算时要考虑各种不利的荷载组合,如半跨活载、刚接屋架的正反向端弯矩。(2)对轻屋面的冷弯型钢结构,由于风吸力的体形系数很大,常引起杆件内力数值和方向的变化。如数值增大或由拉杆变为压杆,均应按最不利组合值设计杆件。
改进措施:(1)荷载组合要考虑各杆件最不利的组合。(2)当永久荷载效应对结构有利时,一般情况下,其分项系数应取l.0。
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2.2.10 屋架计算中屋架弦杆平面外的计算长度未取侧向支承点间的距离。
原因分析:(1)屋架平面外支承点应为侧向不能移动的点,如支撑的节点。当檩条、系杆或其他杆件未与水平(或垂直)支承节点或其他不移动点相连接时,不能作为侧向支承点。(2)仅当压杆侧向支承点间的距离为平面内节间长度的2倍,可按规定考虑折减计算,因为考虑折减的公式在此条件时能与精确分析相当接近。
改进措施:(1)按《薄壁型钢规范》GB50018第9.1.2条第2款,在屋架平面外的计算长度,弦杆取侧向支承点间距离;腹杆取节点间的距离。(2)如等节间的受压弦杆或腹杆之侧向支承点间的距离为节间长度的2倍,且内力不等时,其计算长度按公式(9.1.2-1~2)考虑折减计算。如图2.2.10所示。
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2.3 构造要求
2.3.1 简支屋架中,当三角形屋架跨度大于15m,梯形屋架跨度大于24m时,且下弦无曲折情况下,下弦未按有关规定起拱。
原因分析:(1)冷弯薄壁型钢屋架,一般能满足正常使用要求,但为了消除由于视差的错觉所引起之屋架下挠的不安全感,确保屋架下弦与设备的净空尺寸,对较大跨度的屋架宜起拱。(2)大量试验数据证明,在设计荷载作用下,相对挠度的实测值均小于1/500。
改进措施:(1)按《薄壁型钢规范》GB50018第9.2.1条,两端简支的跨度不小于15m的三角形屋架和跨度不小于24m的梯形或平行弦屋架,且下弦无曲折时,宜起拱,拱度可取跨度的1/500。(2)可将下弦起拱,一般也将上弦等值起拱。
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2.3.2 屋盖未设完整支撑体系,屋盖水平支撑采用圆钢时,没有张紧装置。
原因分析:(1)由于圆钢支撑不受长细比控制,外形小,由自重产生的挠度值较大,易下垂松弛,不能有效地起受拉作用。(2)一般采用花兰螺栓张紧,效果较好。
改进措施:(1)按《薄壁型钢规范》GB50018第9.2.2条(强制性条文),支撑构件宜自成体系,若将檩条兼作支撑系杆,应按压弯构件设计。(2)当支撑采用圆钢时,必须具有拉紧装置。(3)可用两端螺栓张拉或中部花篮螺栓张拉。
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2.3.3 屋架节点构造未符合有关规定。
原因分析:(1)屋架是作为铰接桁架设计的,故要求各杆件重心线交汇于节点中心,避免产生次应力。(2)冷弯型钢壁薄,刚度差,故薄弱节点宜增设加强板或采用措施增强节点刚度。(3)冷弯开口型钢截面复杂,厚度又小,设计节点时,应考虑施焊、涂装和清污的方便。
改进措施:按《薄壁型钢规范》GB50018第9.2.5条,对屋架节点的三项要求(各杆件相交于节点中心、加强薄弱环节、便于施工清污)在设计时应充分考虑,予以满足。
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2.3.4 设计文件未对构件除锈提出要求,对表面处理,未确定合适的除锈方法和除锈等级。
原因分析:(1)锈蚀是钢材的主要弱点,冷弯薄壁型钢防锈更为重要。(2)应根据钢材表面的锈蚀度和清洁度按《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》GB/T 8923-1988,采用目视外观或做样板、照片对比,确定锈蚀等级和除锈等级。(3)不同的除锈方法有不同的除锈等级标准。
改进措施:(1)《薄壁型钢规范》GB50018第11.2.3条要求设计提出结构表面处理的除锈方法和除锈等级。(2)要符合《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》GB/T 8923-1988的规定,该标准对钢材表面锈蚀从轻到重分为A、B、C、D共4个等级。(3)除锈方法和等级有:a.手动和动力工具除锈,分为St2、St3二级;b.喷射和抛射除锈,分为Sal、Sa2、 Sa21/2、Sa3共4个除锈等级;c,化学(酸洗)除锈,只有Be一个等级。如采用,应符合《薄壁型钢规范》第11.2.4规定; d,火焰除锈,只有F1一个等级。(4)现场除锈常用St2,工厂除锈常用Sa2轨。(5)具体防腐处理应符合《薄壁型钢规范》第11.2.5~11.2.12条规定。
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2.3.5 设计文件未根据耐火等级进行防火设计。
原因分析:(1)钢结构耐火极限只有0.25小时,应根据建筑物耐火等级确定各种钢构件耐火极限时间要求,从而选定不同品种和厚度的防火涂料。(2)注意防火涂料与防锈油漆的相互关系。
改进措施:(1)建筑物应根据《建筑设计防火规范》GBJl6—87(2001年版)确定耐火等级(一至四级),工业建筑还根据生产的火灾危险性分类(甲、乙、丙、丁、戊共5类)进而确定各构件耐火极限小时数。(2)符合该规范第2.0.3条、第7.2.8条的工业建筑钢结构可不用防火涂层。(3)防火要求须经当地消防部门审批。(4)凡无防火要求的钢结构,应选用合适油漆;有防火涂层者,如防火涂料起防锈作用,可不涂防锈底漆;如不起防锈作用,应涂不与防火涂料起化学反应的防锈底漆。(5)防火涂料的性能、涂层厚度及质量要求应符合《钢结构防火涂料》GB l4907-2002和《钢结构防火涂料应用技术规范》CECS 24:90的规定。
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2.3.6 设计文件缺涂装设计,未对于漆膜总厚度提出要求。
原因分析:(1)薄壁型钢结构受侵蚀作用与环境(城乡、工业区、沿海)、湿度、室内外等有关,根据侵蚀程度,选定合适涂料和厚度,会得到相应的维护年限。(2)设计应提出涂料的性能、厚度和技术要求,不应指定厂家。
改进措施:(1)根据《薄壁型钢规范》GB50018第11.2.5条选定防腐措施。根据第11.2.6、11.2.8、11.2.9、11.2.10条提出施工要求。(2)设计应提出涂料品种、涂装遍数、涂层厚度等要求,当设计对涂装无明确规定时,一般宜涂4~5遍,干漆膜总厚度室外构件应大于150μm,室内构件应大于125μm,(按《钢结构施工规范》GB50205第14.2.2条(强制性条文)),允许偏差为±25μm。
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3 门式刚架
3.1 基本设计规定
3.1.1 在设计文件中未注明结构的设计使用年限和安全等级。
改进措施:见《可靠度标准》GB50068的第1.0.5条和第1.0.8条。
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3.1.2 在设计文件中未注明所采用的钢材牌号、质量等级及连接材料型号。
改进措施:见本图集的第1.1.1条。
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3.1.3 在设计文件中未注明所要求的钢材除锈方法、除锈等级及配套的涂料和涂层厚度。
改进措施:见本图集第1.4.22条。
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3.1.4 在设计文件中未注明焊缝形式及焊缝质量等级。
改进措施:见本图集的第1.1.1条。
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3.1.5 在设计文件中未注明建筑物的耐火等级、构件耐火极限和防火做法及要求。
改进措施:见本图集的第1.4.24条。
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3.1.6 钢柱脚未采用混凝土包裹防护。
改进措施:见本图集的第1.4.23条。
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3.1.7 在房屋的温度区段内,未设置能独立构成空间稳定结构的支撑体系。
改进措施:结构布置时,在温度区段内应使结构成为能保持空间稳定的独立体系,按《门式刚架规程》CECS 102第4.5.1条第1款设置支撑体系。
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3.2 支撑体系
3.2.1 屋面横向水平支撑与柱间支撑未布置在同一跨间内。
原因分析:布置在同一跨间内的屋面横向水平支撑和柱间支撑同门式刚架一道构成稳定的空间结构体系,既可承受和传递房屋纵向的各种荷载和作用,又方便于门式刚架结构的施工安装。
改进措施:根据《门式刚架规程》CECS 102第4.5.l条第2款和第4.5.2条第1款的规定,宜将屋面横向水平支撑和柱间支撑同时布置在房屋温度区段端部第一开间或第二开间,在布置柱间支撑的开间,宜同时布置屋面横向水平支撑,如图3.2.1所示。当无法布置在同一跨间时,可布置在相邻跨间,有一定搭接区,但这种情况在温度区段内只能是个别的,否则应对整个支撑系统重新合理布置。
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3.2.2 屋面横向水平支撑布置在房屋温度区段端部第二开间,而在第一开间相应于屋面横向水平支撑竖腹杆位置未布置纵向刚性系杆。
原因分析:房屋端墙(山墙)的风荷载或地震作用要靠屋面横向水平支撑传递给房屋纵向柱间支撑。屋面横向水平支撑布置在第二开间时,第一开间仅布置未按压弯杆件验算和加强的檩条,不足以传递端墙的风荷载或地震作用。
改进措施:根据《门式刚架规程》》CECS 102第4.5.2条第1款的规定,在房屋温度区段的第一开间相应于屋面横向水平支撑竖腹杆位置布置满足受压杆件长细比要求和受压(压弯)杆件承载力要求的刚性系杆。如图3.2.2所示。
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3.2.3 屋面横向水平支撑的竖腹杆未按刚性压杆设计。
原因分析:屋面横向水平支撑的计算简图为简支于有柱间支撑柱列的门式刚架柱顶的水平桁架,其交叉斜腹杆系柔性系杆,只能承受拉力,竖腹杆必须设计成刚性压杆才能组成几何不变体系,传递端墙的荷载或作用。
改进措施:根据《门式刚架规程》》CECS 102第4.5.2条第6款和第4.5.3条的规定,将屋面横向水平支撑桁架的竖腹杆按压杆设计;当檩条位于屋面横向水平支撑桁架节点处拟由其兼作屋面横向水平支撑的竖腹杆时,檩条应满足对压弯杆件的刚度和承载力要求,必要时应加强。如图3.2.1所示。
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3.2.4 屋面横向水平支撑节点未与抗风柱布置相应协调。
原因分析:屋面横向水平支撑桁架的节点布置在抗风柱处,可以使抗风柱柱顶的反力直接传递,避免刚架斜梁受扭。
改进措施:首先根据房屋的使用要求布置抗风柱,然后根据抗风柱柱顶位置布置屋面横向水平支撑桁架的节点及支撑杆件;因为刚架斜梁允许在任意位置布置屋面横向水平支撑的节点,屋面横向水平支撑的交叉斜杆为柔性拉杆,与刚架斜梁的连接较为简单,可以不必等间距布置,这是门式刚架与普通屋架不同之处。在抗风柱与刚架斜梁连接处,刚架斜梁下翼缘应设隅撑。如图3.2.4所示。
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3.2.5 屋面横向水平支撑和柱间支撑采用圆钢时,未设张紧装置;当设有桥式吊车时,柱间支撑未采用型钢支撑。
原因分析:圆钢支撑侧向刚度小,安装时会因自重而卞垂,再加上圆钢支撑初始弯曲和连接松弛等缺陷,不设张紧装置就不能保证支撑始终处于张紧状态,对门式刚架房屋的整体稳定性和整体刚度起不到应有的作用。当有吊车时,柱间支撑改而采用型刚支撑,也是为了保证门式刚架房屋的纵向刚度。
改进措施:采用圆钢支撑时,应按《门式刚架规程》CECS 102和《薄壁型钢规范》GB50018第9.2.2条的要求设置张紧装置,有吊车时,柱间支撑应采用型钢支撑;在8度及以上地震区或地震作用效应组合控制时,门式刚架房屋的屋面横向水平支撑和柱问支撑亦应采用型钢支撑。
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3.2.6 在刚架转折处(边柱柱顶和屋脊、多跨房屋中间柱柱顶),未沿房屋纵向全长设置刚性系杆。
原因分析:在刚架转折处设置刚性系杆除了承受压力和传递纵向水平力外,在安装过程中可增加刚架的侧向刚度,保证结构安全。
改进措施:根据《门式刚架规程》CECS 102第4.5.2条第5款的规定,在刚架的边柱柱顶和屋脊处及多跨房屋适当位置的中间柱柱顶处,均沿房屋全长设置通长的刚性系杆;不宜由加强的檩条代替刚架转折处的刚性系杆,如图3.2.1。所示。
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3.2.7 压型钢板薄壁型钢檩条屋面,当檩条跨度大于4m时,未合理设置拉条、斜拉条及撑杆体系。
原因分析:冷弯薄壁型钢檩条通常采用Z型钢和卷边槽钢檩条,由于其重心高,弱轴抗弯能力差。当檩条跨度大于4m时,应设置拉条、斜拉条及撑杆体系,以提高其侧向刚度与承载力,减少其在安装和使用阶段的侧向变形和扭转。
改进措施:根据《门式刚架规程》》CECS 102第6.3.5条和6.3.6条的规定,当檩条跨度大于4m不大于6m时,应在檩条跨中设置一道拉条,当檩条跨度大于6m时,应在檩条跨度3分点处各设一道拉条,拉条宜设置在距檩条上翼缘1/3腹板高度范围内。为了防止檩条向屋脊方向弯扭失稳,在设置拉条的同时,应在檐口处增设斜拉条和撑杆;为了承受屋面的坡向分力,在屋脊处(有天窗时在天窗处)亦应增设斜拉条和撑杆;当屋面坡面过大时,在檐口和屋脊之间的适当位置必要时也宜增设斜拉条和撑杆。当门式刚架跨度不大、屋面对称屋脊布置且坡度较小时,屋脊处可不设斜拉条和撑杆。拉条应根据最大的屋面坡向分力按拉杆计算确定,撑杆则按压杆设计,如图3.2.7所示:
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3.3 设计计算
3.3.1 刚架梁、柱高强度螺栓连接节点的端板,不满足最小厚度16mm的要求。
原因分析:刚架梁、柱连接节点通常假定按刚性连接节点设计,要保证连接节点与计算模型相符,传力可靠,除满足计算要求外,必须严格控制端板厚度不小于16mm,以保证端板有足够的刚度。
改进措施:根据《门式刚架规程》CECS 102第7.2.9条规定,设计刚架梁、柱连接节点端板时,如计算出的端板厚度不足16mm时,应取端板厚度≥16mm;工程习惯上,端板的厚度也不宜小于节点所用高强度螺栓的直径d。同时,根据《门式刚架规程》CECS 102第7.2.11条规定,端板与刚架柱翼缘和斜梁翼缘的连接应采用全熔透对接焊,焊缝质量等级为二级;端板与刚架构件腹板的连接应采用角对接组合焊缝或与腹板等强的角焊缝,
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3.3.2 柱脚锚栓的直径,不满足不小于24mm的要求,且未设置双螺帽。
原因分析:刚架柱脚通常假设与基础为铰接相连,有吊车时则应采用刚接柱脚;柱脚锚栓直径除按计算确定外,考虑到实际工程中可能会承受部分水平剪力等不利因素,其直径不宜过小。
改进措施:根据《门式刚架规程》CECS 102第7.2.18条规定,当计算出的柱脚锚栓直径小于24mm时,应取24mm。一般情况下,刚架跨度不大于18m时,采用2个M24的锚栓;刚架跨度不大于27m时,采用4个M24的锚栓;刚架跨度不大于30m时,采用4个M30的锚栓。柱脚锚栓均应设双螺帽,以防螺帽松动,影响柱脚安全可靠的工作。
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3.3.3 未复核有柱间支撑的柱脚锚栓在风荷载作用下的上拔力。
原因分析:门式刚架房屋端墙(山墙)上的风荷载经由抗风柱、屋面横向水平支撑等结构构件传至柱间支撑,柱间支撑的最大竖向分力使与其相连的柱脚锚栓产生上拔力。
改进措施:根据《门式刚架规程》CECS 102第7.2.19条规定,进行有柱间支撑的柱脚锚栓在风荷载作用下的上拔力计算。计算柱间支撑产生的最大竖向分力时,不考虑活荷载(或雪荷载)、积灰荷载和附加荷载的影响,恒荷载的分项系数应取l.0;计算柱脚锚栓的受拉承载力时,对Q235钢锚栓,其抗拉强度设计值fat=140N/mm2,锚栓的面积取螺纹处的有效截面面积。
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3.3.4 未复核柱脚底部水平剪力能否由底板与混凝土基础间的摩擦力承受,当摩擦力不足
时,应设柱脚抗剪键。
原因分析:根据《门式刚架规程》CECS 102第7.2.20条规定,柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由柱脚底板与混凝土基础间的摩擦力(摩擦系数可取0.4)或设置抗剪键承受。
改进措施:按《门式刚架规程》的规定,复核柱脚底部的水平剪力是否可由柱脚底板与混凝土基础间的摩擦力承受,当摩擦力不足时,柱脚底板下应加焊抗剪键。柱脚底部的水平剪力和摩擦力均应取可能的最不利的组合设计值。柱脚抗剪键的截面尺寸和连接焊缝应按混凝土的局部抗压和抗剪键本身的弯剪承载力计算确定。
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3.3.5 檩条和墙梁设计计算时,未按《门式刚架规程》的附录A计算风荷载,也未考虑风吸力的不利影响。
原因分析:门式刚架轻型钢结构房屋属于低矮房屋范畴,进行风荷载计算时所需要的风荷载体形系数,由于我国现有的资料不完备,《门式刚架规程》CECS 102建议采用美国MBMA手册中的规定,并作为附录A列于规程中。为和MBMA手册配套,《门式刚架规程》要求将我国现行国家标准《荷载规范》GB50009的基本风压值乘以综合调整系数1.05。
改进措施:进行门式刚架轻型钢结构房屋檩条和墙梁设计计算时,取自《荷载规范》第7.1.2条的基本风压值应乘以1.05的综合调整系数,风压高度变化系数按《荷载规范》第7.2.l条和第7.2.2条的规定采用,当高度小于10m时,按10m处的数值采用;风荷载体型系数,考虑内、外风压最大值的组合,且含阵风系数,按《门式刚架规程》附录A的A.0.2条的规定采用。在风吸力作用下,冷弯薄壁型钢檩条下翼缘受压时,当屋面能阻止檩条上翼缘侧向位移和扭转时,可偏安全地按《薄壁型钢规范》GB50018的公式(8.1.l-2)进行验算,墙梁的设计计算与檩条类同。
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3.3.6 门式刚架轻型钢结构房屋的刚架立柱随意改为钢筋混凝土柱,仍按门式刚架结构体系进行设计,会造成工程事故。
原因分析:门式刚架轻型房屋钢结构是一种跨变结构,其斜梁和立柱可以是变截面的,也可以是等截面的,立柱与基础的连接可以铰接,也可以刚接,但斜梁与立柱必须刚接。钢筋混凝土排架结构则不同,它的屋面主构件可以是钢筋混凝土梁或钢梁,也可以是钢筋混凝土屋架或钢屋架,并且与钢筋混凝土柱顶铰接,钢筋混凝土柱脚则与基础刚接。
显然,这是完全不同的两种结构体系。因此,按门式刚架轻型钢结构设计的房屋,不应随意将刚架立柱改为钢筋混凝土柱。因为钢材和钢筋混凝土两种材料在材性、刚度和承载力方面有很大差别,不能简单代换,而且在柱顶,钢结构的斜梁与钢筋混凝土的柱是两种不同材性的构件,很难实现刚接。所以随意将门式刚架立柱改为钢筋混凝土柱会导致结构严重不安全。
改进措施:(1)不得随意将门式刚架轻型钢结构房屋的立柱改为钢筋混凝土柱,也就是说不得随意改变结构的材料和体系;(2)当必须将门式刚架轻型钢结构房屋的立柱改为钢筋混凝土柱时,钢筋混凝土柱必须与基础刚接,钢斜梁与柱顶应按能承受水平推力的铰接连接进行构造设计,所构成的跨变排架结构应重新进行内力分析,除应重新验算斜梁的承载力外,还应按承载力和柱顶位移限值确定钢筋混凝土柱的截面尺寸和配筋,也应重新复核地基及基础的承载力。
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3.3.7 屋面横向水平支撑、柱间支撑、抗风柱及刚架结构连接节点(含柱脚连接节点及支.撑构件连接节点)无计算书。
原因分析:屋面横向水平支撑、柱间支撑、抗风柱和刚架一道形成门式刚架结构的空间体系,共同承受屋面和墙面结构传来的垂直荷载、水平荷载和地震作用,其构件和连接的承载能力必须满足《门式刚架规程》CECS 102第3.l.3条、第3.1.4条和第7.2节的要求。
改进措施:在施工图阶段,设计单位的校审人员除校审门式刚架的计算书外,还应校审屋面横向水平支撑、柱间支撑和抗风柱等主要受力构件的计算书,也应校审刚架结构体系各连接节点的计算书;计算书齐全后才可以连同施工图图纸一道送施工图审查单位审查。支撑构件采用型钢时,连接节点应采用焊接连接节点。
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3.4 构造要求
3.4.1 檩条与刚架斜梁上翼缘连接处设置单板檩托未加焊加劲肋。
原因分析:檩托除安装时固定檩托防止檩条倾覆外,尚要承受檩条因荷载偏心产生的扭矩。因此檩托应有必要的刚度和承载力,以便对檩条端部提供扭转约束。
改进措施:根据《薄壁型钢规范》CB50018第8.2.l条规定,垂直于斜梁上翼缘设置的单板檩托,应加焊侧向加劲肋,以提高其对檩条端部扭转的约束刚度。为了有效地约束檩条端部的扭转,檩托高度不宜小于檩条高度的2/3。墙梁的支托宜参照檩托设计,如图3.4.1所示。
当屋面坡度及荷载均较小,且檩条高度也不大时,可采用单板檩托。单板檩托宜与刚架斜梁上翼缘坡口熔透焊。
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3.4.2 位于坡屋面坡顶的屋脊双檩,未用型钢或圆钢相互连接。
原因分析:门式刚架房屋通常采用实腹式冷弯薄壁型钢檩条,并在屋脊处布置双檩。屋脊双檩间用型钢或圆钢相互连接形成一体共同受力,并同屋面拉条、斜拉条及撑杆组合,使屋面的整体性和坡向刚度大大提高。
改进措施:根据《门式刚架规程》CECS l02第7.2.12条屋脊双檩间用型钢相互连接时,可根据具体情况采用焊接或螺栓连接;用圆钢相互连接时,应在每个连接点处檩条腹板两侧各设置一个锁紧螺帽;双脊檩间相互连接点的位置在檩条跨度的3分点处及拉条连接点处如图3.2.7和图3.4.2所示。
屋脊双檩也可用撑杆(钢管内设拉条)相互连接。
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3.4.3 在刚架斜梁下翼缘受压区和柱内侧翼缘受压区未设置保证其稳定的隅撑。
原因分析:刚架梁、柱构件翼缘的局部稳定,在一般情况下系通过限制板件的宽厚比来保证;刚架梁、柱构件的整体稳定则由刚架的支撑系统提供的侧向支承点通过计算来保证。
改进措施:在刚架斜梁下翼缘受压区和柱内侧翼缘受压区,应按《门式刚架规程》第6.1.6条第3款和第7.2.14条的要求设置隅撑作为侧向支承点;刚架斜梁侧向整体稳定计算时,计算长度取侧向支承点间的距离;隅撑一端与斜梁受压翼缘相连,另一端与檩条相连;隅撑按轴心受压杆件设计。如图3.4.3所示:
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3.4.4 刚架斜梁在翼缘转折处腹板未设横向加劲肋。
原因分析:刚架斜梁腹板考虑屈曲后效应,在一般情况下虽然可通过限制其高厚比来保证合理的设计,但在斜梁翼缘转折处,由于受力复杂,应设置横向加劲肋对腹板予以加强。
改进措施:在刚架斜梁翼缘转折处的腹板两侧,应设置横向加劲肋,如图3.4.4所示。加劲肋的外伸宽度b≥h0/30+40(mm),其厚度ts>bs/15。
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3.4.5 柱脚锚栓中心到基础边缘的距离小于4倍锚栓直径及150mm,钢柱脚底板边缘到基础顶面边缘的距离小于100mm。
原因分析:上海市标准《轻型钢结构设计规程》DBJ08-68-97规定,柱脚锚栓中心到基础边缘的距离不应小于4d及150mm,主要原因是要保证锚栓有足够的保护层厚度,使锚栓锚固充分,受力可靠,也考虑了基础施工时锚栓位置可能发生偏差等不利因素。类似地,要求板边距不小于100mm,主要考虑基础顶面局部承压和施工偏差的影响。
改进措施:宜参考上述要求,确定基础顶面尺寸和预留柱脚锚栓位置;基础施工时采取必要措施,减少施工偏差。
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4 高层建筑钢结构
4.1 基本设计规定
4.1.1 钢结构(焊接)设计说明中,对主要承重结构的钢材材质未按有关规范规定选用,并且对钢材的冷弯试验及碳含量的合格保证未提出要求。
原因分析:鉴于高层民用建筑钢结构的重要性,对钢材的材质应提出更为严格的要求。在高烈度抗震设防地区的主要承重结构构件使用的钢材宜参照直接承受动荷载结构构件使用的钢材选用。
改进措施:《钢结构规范》GB50017规定,对于焊接承重结构采用的钢材尚应具有碳含量的合格保证及还应具有冷弯的合格保证。高层钢结构承重构件应按《高钢规程》JGJ99第2.0.2条规定,根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、环境温度、钢材厚度以及构件所处部位等不同情况,选择其牌号和材质,并应保证抗拉强度、伸长率、屈服点、冷弯试验、冲击韧性合格和硫、磷含量符合限值。对于焊接结构尚应保证碳含量符合限值。因此应按此规定,选定适用的钢材牌号。
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4.1.2 用于抗震结构设计时未对所选用的钢材性能指标提出最低要求。
原因分析:按《抗震规范》CB50011的规定,抗震结构对于材料和施工质量的特别要求,应在设计文件上注明。对于高层钢结构所使用的钢材,尚应满足较高的延性等要求。
改进措施:结构说明中对所选用的钢材性能指标应按有关规范、规程的规定提出要求.对于有抗震设计要求的结构还应符合规范规程的特殊规定:
《高钢规程》JGJ99第2.0.3条规定,用于抗震结构钢材的强屈比不应小于1.2;应有明显的屈服台阶;伸长率应大于20%;应有良好的可焊性。
《抗震规范》第3.9.2条规定,用于抗震钢结构的材料性能指标,应符合下列最低要求:1) 钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于l.2;2) 钢材应有明显的屈服台阶,且伸长率应大于20%;3) 钢材应有良好的可焊性和合格的冲击韧性。
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4.1.2 结构的焊接节点所使用的钢板厚度已大于40mm,并且在承受厚度方向拉力情况下,未对钢板厚度方向的断面收缩率提出要求。
原因分析:(1)高层建筑钢结构经常使用厚钢板,而厚钢板在轧制过程中的X,Y,Z三个方向的力学性能存在着各向异性,以Z向的性能最差。尤其是塑性和冲击功值;(2)高层建筑钢结构在梁与柱的连接和箱形柱的角部焊缝等部位,由于局部构造形成高约束,焊接及承受厚度方向拉力作用时容易引起层状撕裂。
改进措施:焊接约束度很大的节点部位厚板,因焊接约束应力过大易引起厚板在焊接处层状撕裂。所以应在设计文件中按《高钢规程》JGJ99的规定对钢板厚度方向的断面收缩率提出要求。《抗震规范》GB50011第3.9.5条规定,当此部位板厚等于或大于40mm,并承受沿板厚方向的拉力作用时,要求按现行国家标准《厚度方向性能钢板》(CB 5313)的规定,附加板厚方向的断面收缩率的条件。同时,也应注意,因增加Z向性能要求将大幅度提高钢材价格(约15%以上),故除上述部位,上述约束受力条件以外的厚度,不宜仅按板厚随意要求附加Z向性能的材料要求。
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4.2 构件设计
4.2.1 偏心支撑框架不按规范设计,认为将支撑偏置即为偏心支撑框架,甚至采用冷弯型钢作消能梁段。
原因分析:偏心支撑框架结构有以下几种类型:
消能梁段指偏心支撑框架中斜杆与梁交点和柱之间的区段或同一跨内相邻两个斜杆与梁交点之间的区段。地震时消能梁段发生屈服而使其余梁段仍处于弹性受力状态。
改进措施:消能梁段是结构的“保险丝”,在大震下首先屈服和耗能,在构造上应保证它在屈服时不屈曲。消能梁段宜设计成剪切屈服型,其与柱的连接不应设计成弯曲屈服型。按《高钢规程》JGJ99第6.5.5条规定,消能梁段的截面宜与同一跨内框架梁截面相同,在多遇地震作用效应组合作用下其截面尺寸及强度应按该条的有关规定进行计算,包括消能梁的腹板和翼缘板的强度,并采取相应的构造措施。
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4.2.2 偏心支撑消能梁段的承载力抗震调整系数应取0.85,但某些工程中按普通梁抗震调整系数0.75取用。
原因分析:结构构件抗震验算中的承载力抗震调整系数应按有关规范选用。《抗震规范》GB50011第5.4.2条规定的钢结构柱、梁的承载力调整系数为0.75;而对于消能梁段的承载力抗震调整系数应按有关规范规定取值。
改进措施:根据《抗震规范》第8.2.7条的规定,其消能梁段承载力抗震调整系数应取0.85,而不是通常梁用的0.75,同时还应该注意,偏心支撑框架构件的抗震承载力应按规范规定验算以下内容:1)偏心支撑框架消能梁段的受剪承载力的验算;2)支撑斜杆与消能梁段连接的承载力不得小于支撑的承载力。若支撑需要抵抗弯距,则支撑与梁的连接应按抗压弯连接设计,否则支撑斜杆、框架柱和与消能梁段相连的非消能梁段按现有规定设计,就不能保持弹性。
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4.2.3 轴心受压柱的板件厚度已大于40mm,按有关规定厚壁构件稳定系数的类别为d类,当计算轴心受压柱稳定性时,其稳定性系数应按厚壁构件稳定系数φ取值。
原因分析:高层建筑钢结构的厚壁柱设计有两个不同于一般轴心受压柱的问题应注意:一是钢材强度设计值f的取值,二是稳定系数φ的取值。
改进措施:高层建筑钢结构的轴心受压构件当板件厚度≥40mm时,其厚板构件截面类别应降低(φ值减小),《钢结构规范》GB50017对此有专门规定。应按《钢结构规范》第5.1.2条规定分类并计算φ值。
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4.2.4 抗震设计时,框架梁在罕遇地震作用下可能出现塑性铰截面处,梁的上下翼缘均未设置侧向支撑。
原因分析:抗震设计时,为防止框架横梁在大震下发生侧向弯曲,应在梁可能出现塑性铰截面处的上下翼缘设置侧向支撑。
改进措施:抗震设计时,框架梁在罕遇地震作用下可能出现塑性铰截面处,梁的上下翼缘均应按有关规范、规程规定设置侧向支撑。《高钢规程》JGJ99第8.5.4条规定,抗震设防时,框架横梁下翼缘在距轴线l/8~1/10梁跨处,应设置侧向支撑构件,如图4.2.4所示。《高钢规程》第6.1.3条规定:“当梁上设有符合《钢结构规范》GB50017规定的整体铺板时,可不验算整体稳定性。”据此,当上翼缘设有现浇钢筋混凝土板时,上翼缘可不设侧向支撑构件。相邻两支撑点间的构件长细比,应符合《钢结构规范》关于塑性设计的有关规定。
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4.2.5 结构构件设计计算中,轴心受压柱的长细比按λ=150控制,该数值不符合高层建筑钢结构设计规程中的有关规定。
原因分析:构件允许长细比值的规定,主要是避免构件柔度太大,在本身重力作用下产生过大的挠度和运输,安装过程中造成构件弯曲,以及在大震时竖向地震作用下防止屈曲。由于刚度不足产生的不利影响压杆远比拉杆影响严重。高层建筑钢结构压杆的长细比规定要比普通钢结构严格。
改进措施:高层建筑钢结构压杆的长细比规定要比普通钢结构严格,例如对于柱、桁架、天窗架中受压的杆件、柱的缀条、吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑的容许长细比《钢结构规范》GB50017规定为150。而《高钢规程》JGJ99第6.2.4条规定,其轴心受压柱的长细比不宜大于120。
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4.2.6 按抗震设防的框架柱板件的宽厚比不符合有关规范、规程的规定。
原因分析:结构设计时,首先要确定工程的抗震设防烈度,当抗震设防烈度为6度或非抗震设防时,柱一般不会出现塑性铰,其框架柱板件宽厚比可按《钢结构规范》设计,对于高层建筑钢结构的框架柱,当按7度及7度以上抗震设防时,按照强柱弱梁的要求,柱一般不会出现塑性铰,但是考虑到材料性能变异、截面尺寸偏差及竖向地震作用等因素,柱在某些情况下也可能出现塑性铰。因此,柱的板件宽厚比也应按塑性发展来加以限制。
改进措施:对于需要抗震设防的结构,高层建筑钢结构的框架梁柱的板件宽厚比,应按《抗震规范》GB50011第8.3.2条规定设计,见表4.2.6-1及表4.2.6-2。
(1)不超过12层框架的梁、柱板件宽厚比应符合表4.2.6-1的规定。
(2)超过12层框架的梁、柱板件宽厚比应符合表4.2.6-2的规定。
表4.2.6-1 不超过12层框架的梁、柱板件宽厚比限值
板件名称 7度 8度 9度
柱 工字形截面翼缘外伸部分 13 12 11
箱形截面壁板 40 36 36
工字形截面腹板 52 48 44
梁 工字形和箱形截面翼缘外伸部分 11 10 9
箱形截面翼缘在两腹板的部分 36 32 30
工字形和箱形截面腹板(Nb/Af<0.37) 85-120(Nb/AF) 80-110(Nb/AF) 72-100(Nb/AF)
工字形和箱形截面腹板(Nb/Af≥0.37) 40 39 35
注:表列数值适用于Q235,当材料为其它牌号钢材时,应乘以(235/fay)1/2
表4.2.6-2 超过12层框架的梁、柱板件宽厚比限值
板件名称 6度 7度 8度 9度
柱 工字形截面翼缘外伸部分 13 11 10 9
工字形截面腹板 43 43 43 43
箱形截面壁板 39 37 35 33
梁 工字形和箱形截面翼缘外伸部分 11 10 9 9
箱形截面翼缘在两腹板的部分 36 32 30 30
工字形和箱形截面腹板 85-120(Nb/AF) 80-110(Nb/AF) 72-100(Nb/AF) 72-100(Nb/AF)
注:表列数值适用于Q235,当材料为其它牌号钢材时,应乘以(235/fay)1/2
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4.2.7 框架柱与梁的连接为刚性节点,框架柱与梁的上、下翼缘对应位置未按规定设置柱的横向加劲肋。
原因分析:抗震框架柱与梁刚性连接时,为了使柱翼缘和腹板在梁翼缘集中力作用下不致压坏,保证节点域的承载力和稳定性,以及当节点域进入塑性时能较多地吸收地震能量,规范规定框架柱在与梁的上、下翼缘对应位置应设置柱的横向加劲肋。
改进措施:工程设计中应根据工程的抗震设防级别按有关设计规范、规程的规定在框架柱与梁的上、下翼缘对应位置应设置柱加劲肋,在箱形柱中应设置隔板。
《高钢规程》JGJ99第8.3.6条规定,框架梁与柱刚接时应在梁翼缘的对应位置设置柱的水平加劲肋。对于抗震设防的结构,水平加劲肋和隔板应与梁翼缘等厚,水平加劲肋和隔板的中心线应与梁翼缘的中心线对准。
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4.2.8 按抗震设计设防的框架柱其长细比不符合有关规范规程的规定。
原因分析:框架柱要满足强柱弱梁要求,它的长细比关系到钢结构的整体稳定,对于高层建筑钢结构,高度越高,轴向力越大,应考虑竖向地震力对框架柱的影响,后者在结构分析时一般是不计算的。此外,框架柱还应满足轴压比要求,轴压比不能过大。所以地震区高层建筑钢结构框架柱的长细比不应太大。
改进措施:对于高层建筑钢结构框架柱,应根据不同的抗震设防要求按有关规程规定数值采用:
《高钢规程》JGJ99第6.3.6条规定,对于7度及以上抗震设防的结构,柱的长细比不宜大于60(适用于Q235)。
《抗震规范》GB50011第8.3.1条规定:1)不超过12层的钢框架柱的长细比,6~8度时不应大于120(适用于Q235)。2)超过12层的钢框架柱的长细比,8度时不应大于60(适用于Q235)。
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4.2.9 抗震设防框支体系中,中心支撑按有关规定不得使用“K”形斜杆体系支撑。
原因分析:高层建筑钢结构的中心支撑形式一般有以下几种,如图4.2.9-1所示。其中(d)型为“K”型支撑,该形式支撑在地震作用下,可能因斜杆屈服,引起较大的侧向变形,使柱发生屈服甚至造成倒塌,故不应该在抗震结构中采用。
改进措施:应按《高钢规程》JGJ99第6.4.1条,采用图4.2.9-1中的(a)、(b)、(c)形式。另外,当采用只能受拉的单斜杆体系时,应同时设不同方向的两组单斜杆体系如图4.2.9-2所示,且每层中不同方向单斜杆的截面面积在水平方向的投影面积之差不得大于10%。
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4.2.10 抗震设防的框架,中心支撑的长细比取值不符合有关规范规定。
原因分析:框架的中心支撑主要作用是减少层间位移和保证结构的整体稳定,在地震作用下框架支撑体系的恢复力特性,主要取决于支撑杆件的受压行为,支撑的长细比大者,滞回圈较小,吸收能量的能力较弱。支撑的长细比应根据抗震设防烈度按有关规范、规程的规定设计。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第6.4.2条对抗震设防烈度为6、7、8、9度时的支撑长细比都作了明确规定。《抗震规范》GB5001l中第8.4.2条对支撑的长细比作为强制性条文规定如下:
表4.2.10 钢结构中心支撑杆件长细比限值
类型 6、7度 8度 9度
不超过12层 按压杆设计 150 120 120
按拉杆设计 200 150 150
超过12层 120 90 60
注:表列数值适用于Q235钢,采用其它牌号钢材应乘以(235/fay)1/2
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4.2.11 抗震设防的柱间支撑杆件采用单轴对称截面(双角钢组合T型截面)情况下,未采取防止截面绕对称轴屈曲的构造措施。
原因分析:试验证明,结构杆件在地震作用下,双角钢组合T型截面支撑斜杆绕截面对称轴失稳时,会因杆件弯扭屈曲和单肢屈曲而使性能下降,因此单轴对称断面形式不宜用于抗震设防烈度大于或等于7度地区。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第6.4.3条规定,“支撑斜杆宜采用双轴对称截面”,例如 H形及箱形截面。工程中柱间支撑的杆件如果采用单轴对称截面时,应当采取防止截面绕对称轴屈曲的有效构造措施。如图4.2.11中在人字形斜杆支撑上增加再分杆等措施。
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4.2.12 结构中的偏心支撑消能梁段按有关规定腹板上不得开洞,且梁翼缘宽厚比已超过规程规定数值。
原因分析:在消能梁段腹板上开洞,将影响其弹塑性变形和耗能能力,使偏心支撑的性能不好预测。因此消能梁段的翼缘宽厚比要求也宜比普通梁严格些。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第6.5.8条规定,消能梁段不得在腹板上开洞。并规定:
(1)翼缘板自由外伸宽度b1与其厚度tf之比,应符合下式要求:b1/tf=8(235/fy)1/2
(2)腹板计算高度h0与其厚度tw之比,应符合下式要求:h0/tw=(72-100N1b/A1b•f)(235/fy)1/2,式中A1b为耗能梁段的截面面积。
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4.3 节点设计
4.3.1 框架梁断面高度为1800mm,梁端部开设直径为1000mm的管道用孔口,且孔口的补强措施不满足有关规范、规程的规定。
原因分析:框架梁端的1/10跨度或长度等于两倍截面高度范围为塑性铰区域,规范规定该区域一般情况下应避免开设孔口。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第8.5.5条规定,不应在消能梁段(设有隅撑)范围内开孔口。孔口的高度(直径)不得大于梁高的1/2,孔的净距不应小于梁高,当孔直径小于100mm时孔可不予补强。否则,宜按下图对孔口补强。如图4.3.l所示:
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4.3.2 工字形柱与梁刚接情况下,由柱翼缘和柱水平加劲肋所包围的节点域(柱的腹板),在弯矩和剪力共同作用下,其柱的腹板抗剪强度不满足规程规定的数值。
原因分析:工字形柱与梁刚接情况下,由柱翼缘和柱水平加劲肋所包围的节点域除满足规范规定的构造要求外,尚应按规定验算其抗剪强度,对于抗震设防结构,尚应验算其在大震情况下的屈服强度,在抗震设防的结构中,若节点域厚度太厚,将使其不宜吸收地震能量,若太薄,又将使框架的水平位移增大。
改进措施:根据《高钢规程》JGJ99第8.3.9条的规定,应对节点域应进行抗剪强度验算(注意抗震设防级别),当节点域厚度不满足要求时,宜将柱腹板在节点域局部加厚,对H型钢柱可在节点域加贴钢板。对于焊接H形柱,宜将该部分柱腹板在制作时采用较厚钢板,与邻近的柱腹板进行工厂拼接,以便于焊接垂直方向的构件连接板。节点域补强措施参考图
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4.3.3 承重结构为双向刚架,相互垂直两个方向的钢梁与柱的连接均为刚性连接情况下,框架柱宜采用箱形截面。
原因分析:梁与柱的刚性连接多采用柱贯通形式。对于框架结构,要求柱在框架平面内有较大的惯性矩,而在截面面积相同的情况下工字形柱绕弱轴的惯性矩比箱形的惯性矩小;因此规程规定在相互垂直方向都组成框架的柱,宜采用箱形截面柱。
改进措施:《高钢规程》JCJ99第8.3.1条规定,相互垂直方向都组成框架的柱宜采用箱形截面,箱形柱与梁的连接构造如图4.3.3:
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4.3.4 框架梁与柱刚性连接情况下,梁翼缘对应位置设置的柱水平加劲肋厚度不满足规程规定要求。
原因分析:参考 的规范规定,框架梁与柱刚性连接情况下,梁翼缘对应位置设置的柱水平加劲肋厚度应比翼缘大一级, 设计经验认为:该加劲肋十分重要,厚度加大一级是考虑钢板有负公差,并认为即使保守一点,因为材料用量有限也是值得的。结合我国实际情况,考虑到接头中柱腹板实际上要传走一部分内力,因此我国规范规定加劲肋与梁翼缘板等厚。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第8.3.6条明确规定:框架梁与柱刚性连接情况下,梁翼缘对应位置设置的柱水平加劲肋(或隔板),对于抗震设防结构,水平加劲肋应与梁翼缘板等厚。并规定水平加劲肋的中心线应与梁翼缘的中心线对准。(工字形柱)水平加劲肋与柱翼缘宜采用坡口全熔透焊缝,其与柱腹板的连接焊缝可采用角焊缝。
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4.3.5 框架柱与梁刚性连接,在框架梁垂直于柱腹板情况下,柱的加劲肋厚度及其与柱的板件焊接不符合有关规程的规定。
原因分析:框架柱与梁刚性连接,当框架梁与工字形柱弱轴连接时,梁翼缘与柱水平加劲肋要求采用全熔透焊缝焊接,以免在地震作用下框架往复变形时破坏,根据美国的研究成果,其与梁连接的加劲肋宜伸出柱翼缘外100mm,宽度平缓过渡至梁翼缘宽度以免该板在与柱梁翼缘的连接处因板件宽度突变而出现应力集中在地震时引起破坏。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第8.3.4、8.3.7条规定,当框架梁端垂直于工字形柱腹板与柱连接时,应在梁翼缘对应位置设置柱水平加劲肋,其厚度不应小于梁翼缘板的厚度,水平加劲肋与柱腹板的焊接应采用坡口全熔透焊缝。梁与柱的现场拼接中,染翼缘与柱水平加劲肋应采用全熔透焊缝焊接。另外为了避免水平加劲肋宽度的突变,所以要求加劲肋伸出柱翼缘100mm。如图4.3.5所示:
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4.3.6 柱两侧梁的高度相差不大于150mm情况下,应采取调整梁的端部高度措施,将截面高度较小的梁腹板局部加大,腋部翼缘的坡度宜按1比3设计。
原因分析:规范规定:对于梁与框架柱刚性连接节点,柱的腹板水平加劲肋应与梁翼缘齐平。当柱两侧主梁高度不相等时,应按有关规定处理。对于高层建筑钢结构框架,一般不采用斜向加劲肋构造措施。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第8.3.8条规定,当柱两侧梁的端部高度不等时,每个梁翼缘对应位置均应设置柱的水平加劲肋,加劲肋的间距不应小于150mm,且不应小于加劲肋的宽度。当不能满足此项要求时,应当调整梁的端部高度,将截面高度较小的梁腹板局部加大,腋部翼缘的坡度按l比3设计。如图4.3.6所示:
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4.3.7 对于箱形柱及十字形柱的组装焊缝未按抗震设防要求绘出详图。
原因分析:对于箱形柱及十字形柱的组装焊缝,应该按规程规定根据结构的抗震设防级别绘出详图。对于箱形柱的组装焊缝通常采用V形坡口部分熔透焊缝,在不考虑抗震时其有效熔透深度不宜小于板厚的1/3,例如深圳发展中心大厦采用t/3,上海希尔顿酒店取t/4+3mm,而对于按8度抗震设防的北京京城大厦按t/2要求,t为柱的板件厚。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第8.4.2条规定,对于焊接箱形柱,其角部的组装焊缝应为部分焊透的V形焊缝,焊缝厚度不应小于板厚的1/3,并不应小于14mm,抗震设防时不应小于板厚的1/2,如图4.3.7-1所示:
十字型柱应由钢板或两个H型钢焊接而成;组装的焊缝均采用部分熔透的K形坡口焊缝,每边焊接深度不应小于1/3板厚,如图4.3.7-2所示:
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4.3.8 对于梁与柱的刚性连接节点,梁翼缘与柱焊接全部采用全焊透剖口焊逢时还应说明按规定设置衬板,翼缘两侧设置引弧板,对于腹板的上下端还应提出作扇形切角。
原因分析:对于梁与柱的刚性连接节点,梁翼缘与柱焊接的坡口、焊根开口宽度、扇形切角的加工以及引弧板的设置,对于保证焊接质量和连接的抗震性能都非常重要。梁腹板的端部与翼缘的连接焊缝亦应按有关要求给出详图。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第8.3.5条及《抗震规范》GB50011第8.3.4条均对上述构造作出规定:对于梁与柱的刚性连接节点,梁翼缘与柱焊接全部采用全熔透坡口焊缝时并应按规定设置衬板,翼缘坡口两侧设置引弧板,对于腹板的上下端还应提出作扇形切角,其半径r宜取35mm,扇形切角端部与梁翼缘连接处,该端与梁翼缘处焊缝间应保持10mm以上,并应以r=10mm的圆弧过渡,梁下翼缘反面与柱翼缘连接处的焊缝易发生裂缝,故宜适当加强。考虑到仰焊困难,可仅在下翼缘焊接,采用焊脚尺寸为6mm左右的角焊缝,其长度等于翼缘的总宽度。如图4.3.8所示:
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4.3.9 框架梁节点塑性区段内的梁翼缘侧向支承点的长细比不符合有关规程、规范的规定:
原因分析:规范规定结构在罕遇地震作用下于钢梁可能出现塑性铰的部位(梁端和集中荷载作用点)应有侧向支撑点。由于地震作用方向变化,塑性铰弯矩的方向也在变化,所以要求梁的上下翼缘均应设支撑。同时支承点间构件的长细比还必须满足规范的规定。
改进措施:框架梁在罕遇地震作用下梁端下翼缘受压,对于已形成塑性铰的截面,在结构尚未达到破坏机构前将继续变形,为了使塑性铰具有在转动过程中能承受弯矩极限值的能力,不但要避免板件的局部屈曲,而且必须避免构件的侧向扭转屈曲。要使构件不发生侧向扭转屈曲应在塑性铰处及其附近适当位置设置侧向支撑,并且要求该段的长细比必须满足《钢结构规范》GB50017第9.3.2条的有关规定。
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4.3.10 框架梁与柱刚性连接时,梁翼缘与柱采用全熔透焊缝连接,梁腹板与柱采用高强度螺栓摩擦型连接时,其拼接板的厚度及高强度螺栓数量应满足计算要求。
原因分析:框架梁与柱刚性连接节点,当梁翼缘与柱采用全熔透焊缝连接时,此时可认为梁翼缘与柱的连接与梁翼缘等强,梁腹板与柱的连接,当框架柱为H形柱时可按腹板承担的弯矩和剪力进行设计,一般采用连接板用高强度螺栓摩擦型连接。
改进措施:框架梁与柱刚性连接分为非加强式和加强式连接形式。梁腹板与柱的连接可按腹板承担的弯矩和剪力或腹板按弯矩为Mw=twhw2•f/6与承受的剪力设计。腹板连接所使用的高强度螺栓应能承受0.85/0.75=1.133倍由腹板所能承受的最大抗弯设计值和地震作用效应组合剪力设计值在螺栓中所产生的合成剪力。《高钢规程》JGJ99第8.3.3条及第8.3.5条给出了详细要求。图4.3.10为几种连接形式供参考。
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4.3.11 工程设计中没验算节点域剪切变形对框架层间位移角的影响。
原因分析:高层建筑结构节点域钢板不加厚时,根据有关资料和计算结果,其节点域的剪切变形对结构侧移的影响可达10%~20%,甚至更大。根据同济大学约160个从5层到40层工字形柱刚框架结构的示例计算分析,节点域的剪切变形对结构水平位移的影响较大,影响程度主要取决于梁的抗弯刚度FIb、节点域剪切刚度K、梁腹板高度hb以及梁柱的刚度之比。至于节点域剪切变形对内力的影响一般在10%以内,影响较小,因此可以不对内力进行修正。
改进措施:《高钢规程》JGJ99的第5.2.8条及第5.2.9条给出了相关的计算方法。对于n>5时,应按《高钢规程》第5.2.9条规定计算修正后的层间侧移。
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4.3.12 框架-支撑结构中,缺少验算框架部分的剪力分配率是否满足25%结构总底部剪力和框架部分承担的剪力的1.8倍。
原因分析:框架-支撑结构等双重抗侧力体系中,国外规范规定,框架部分应按25%的结构底部剪力进行设计,这一规定体现了多道抗震设防的原则。
改进措施:《抗震规范》GB50011第8.2.3条规定:(钢框架-支撑)框架部分按计算得到的地震力应乘以调整系数,使其达到不小于结构底部总地震剪力的25%和框架部分地震剪力最大值1.8倍二者的较小者。
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4.3.13 偏心支撑的消能梁段梁高已大于640mm,因此,梁的加劲肋应双面设置;支撑与消
能梁段连接处,梁两侧亦应设置双面加劲肋;同时加劲肋的断面亦应满足规程、规范规定的数值。
原因分析:消能梁段分为剪切型和弯曲型两种,前者要求的加劲肋间距较小,试验证明,消能梁段在端头设置加劲肋是必要的。腹板上设置加劲肋可以防止腹板过早屈曲,使腹板充分发挥屈服耗能能力,同时减少由于腹板反复屈曲变形而产生的刚度退化。因此必须按规范规定设置加劲肋。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第8.7.5条对于消能梁段的加劲肋的设置作了详细规定。如图4.3.13-1所示:
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4.3.14 截面为焊接H形的中心支撑与梁柱连接处,与支撑翼缘相对应的位置应设置加劲肋,当支撑与箱形柱连接时,在柱壁板的相应位置应设横隔板。(本工程为高层建筑钢结构)焊接H形支撑的翼缘与腹板连接焊缝要求采用坡口全熔透焊缝。
原因分析:高层建筑钢结构的支撑一般均采用焊接H形截面,其构造上要求支撑重心线通过梁与柱轴线的交点,支撑的两端应采用刚性连接,支撑杆件的翼缘与梁柱连接处要传递支撑力,故需要设置加劲肋。
改进措施:因为支撑有一定宽度,与框架连接时其翼缘将与梁柱连接。为了将支撑的内力传至梁柱节点,所以《高钢规程》JGJ99第8.7.1条规定截面为焊接H形的中心支撑在与梁柱连接处,与支撑翼缘相对应的位置设置加劲肋,支撑与箱形柱连接处,在柱壁板的相应位置应设横隔板。加劲板和隔板的连接应按支撑内力的分量计算。另外又规定焊接H形支撑的翼缘与腹板连接焊缝应采用坡口全熔透焊缝,如图4.3.14所示:
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4.3.15 梁与柱刚接时,柱在梁翼缘上下各500mm的节点范围内,柱翼缘与柱腹板间的连接焊缝,未按规范要求采用坡口全熔透焊缝。
原因分析:在罕遇地震作用下,框架节点将进入塑性区,为了保证结构在塑性区的整体性,因此采取了将柱在梁翼缘上下各500mm的节点范围内,柱翼缘与柱腹板间的连接焊缝要求采用坡口全熔透焊缝的构造措施。在 工程设计中,当柱截面较大时,上述的500mm数值通常按600mm选用。
改进措施:《抗震规范》GB50011中第8.3.6条系参考国外关于高层建筑钢结构设计的要求提出的构造措施,将柱在梁翼缘上下各500mm的节点范围内,柱翼缘与柱腹板间的连接焊缝要求采用坡口全熔透焊缝。
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4.3.16 框架柱的工地拼接,对于柱拼接端100mm范围内焊缝在设计文件中未提出采用全熔透焊缝的要求。
原因分析:该项构造规定是 在高层建筑钢结构中通常采用的构造形式,在我国已建成的高层建筑钢结构中已被广泛采用。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第8.4.5条及第8.4.6条和《抗震规范》GB5001l第8.3.7条均对框架柱的工地拼接做出的规定,规范中规定框架柱(工地拼接)上下柱的对接接头应采用全熔透焊缝,柱拼接接头上下各100mm范围内,工字形截面柱翼缘与腹板间及箱形截面柱角部壁板间的组装焊缝应采用全熔透焊缝,其目的是使对接缝和柱端组装焊缝连成整体。
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4.3.17 抗震设防结构未按《抗震规范》的规定计算连接节点的最大承载力。
原因分析:节点连接的最大承载能力要求高于构件本身的全塑性受弯承载力,是考虑到构件的实际屈服强度可能高于屈服强度标准值,在罕遇地震作用下构件出现塑性铰时,结构仍能保持完整,继续发挥承载作用。工字形截面柱的工地拼接,通常腹板用高强度螺栓摩擦型连接,翼缘用坡口全熔透焊缝连接。计算中弯距由翼缘和腹板承受,剪力由腹板承受,轴向力由翼缘和腹板分担。
改进措施:应按《抗震规范》第8.2.8条的规定计算节点的最大承载力。
另外,对于焊接组合截面柱,在柱拼接接头上下各1/2柱高范围内,柱翼缘和腹板间的焊缝,应要求采用全熔透焊缝。如图4.3.17所示:
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4.3.18 抗震设防工程中梁的拼接接头仅满足按梁的内力设计,未按《高钢规程》JGJ99第8.1.3条规定验算节点连接的最大承载力。
原因分析:梁的拼接对于非抗震结构按梁的内力设计,此时,腹板按全部剪力和分配到的弯距共同作用计算,翼缘连接按所分配的弯距设计。当接头处的内力较小时,接头承载力不应小于梁截面承载力的50%。对于需要抗震设防的结构,还应按有关规程规定验算节点连接的最大承载力。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第8.5.2条及第8.1.3条明确了梁的拼接计算原则。该规定是参考国外设计经验并结合我国目前情况确定,对于弯矩增大系数取1.2,受剪时考虑跨中荷载的影响系数取1.3。
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4.3.19 箱形柱的工地拼接按规程的要求不应采用部分熔透焊缝,并宜给出详细拼接详图。
原因分析:规程规定的箱形柱工地拼接采用部分熔透焊缝形式,仅实用于非抗震设防的高层建筑钢结构。当建筑物需要抗震设防时,其箱形柱工地拼接应采用完全熔透焊缝形式。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第8.4.6条的规定是参照 高层建筑钢结构中的典型构造形式而规定的,在我国已建成的高层建筑钢结构中已被广泛应用。下节箱形柱的上端应设置隔板,并应与柱口齐平,厚度不宜小于16mm。下柱隔板应与柱壁板焊接一定深度,使其边缘与柱口一起铣平后不致将焊根露出。在上节箱形柱安装单元的下端附近,尚应设置上柱隔板,其厚度不小于10mm。并且柱在接头上下侧各100mm范围内,截面组装焊缝应采用坡口全熔透焊缝。如图4.3.19所示:
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4.3.20 高层钢结构框架柱的柱脚未采用刚性柱脚。
原因分析:外露式柱脚一般为铰接柱脚,通常用于中心受压柱。对于高层建筑钢结构框架柱与基础的连接,一般采用刚性柱脚,刚性柱脚又分为埋入式柱脚及外包式柱脚。
改进措施:高层建筑钢结构一般采用刚性柱脚,刚性柱脚存在着M、N、V作用力,其设计计算见《高钢规程》JGJ99第8.6.2条~第8.6.6条规定。如图4.3.20所示为两种刚性柱脚形式。阪神地震表明,外露式柱脚破坏严重,高层建筑宜采用埋入式柱脚。
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4.3.21 埋入式柱脚钢柱四周设置的钢筋,不满足主筋最小含钢率0.2%的要求。
原因分析:埋入式柱脚是高层建筑钢结构设计中常用的一种纲性柱脚形式,其形式构造比较简单,易于安装就位,柱的嵌固性容易保证。当柱脚的埋入深度超过一定数值后柱的全塑性弯距可以传递给基础。
改进措施:埋入式柱脚的钢柱四周应按《高钢规程》JGJ99第8.6.5条规定计算主筋面积,并规定主筋最小含钢率为0.2%,其配筋不宜小于4?22,并在上端设弯钩,主筋的锚固长度不应小于35d(d为钢筋直径)。当主筋间距大于200mm时,应设置?16的架立铜筋。箍筋宜采用?10,间距为100;在埋入部分的顶部应配置不小于3?12,间距为50的加强箍筋。其构造如图4.3.21所示:
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4.3.22 外露式刚性柱脚的锚栓直径太小,且锚固长度不满足有关规定,未验算柱脚底板水平反力,以确定是否需要设置抗剪件或者采取其它措施,
原因分析:由柱脚锚栓固定的外露式刚性柱脚,当底板压应力出现负值时,该拉力应由锚栓承受,此时,锚栓应采用屈服强度较低的材料,以保证柱脚转动时锚栓的变形能力。
改进措施:刚性柱脚采用外露式柱脚时,柱脚的刚性难以完全保证,因此内力分析时,应考虑反力点下移引起的柱顶弯距增大。锚栓的内力应由其与混凝土之间的粘结力传递,因此锚栓的长度应满足计算的要求,当锚栓埋设深度受到限制时,应采取措施将锚栓固定在锚板上或锚梁上。锚栓在施工安装过程中也起固定作用,所以锚栓直径一般多在30~76mm范围内选用。柱脚底板的水平反力,由底板和基础混凝土间的摩擦力传递,摩擦系数可取0.4,当水平力超过摩擦力时,可采取在底板下部焊接抗剪件或采取柱脚外包钢筋混凝土的措施。外露式刚性柱脚构造如图4.3.22所示:
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4.3.23 埋入式柱脚的埋入深度不符合有关规定。
原因分析:高层建筑钢结构应采用刚性柱脚,埋入式柱脚为刚性柱脚的一种形式,规范中规定的埋入式柱脚的埋入深度是参考 有关资料结合我国的实际情况规定的。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第8.6.2条规定,对于轻型工字形柱,不得小于钢柱截面高度的二倍;对于大截面H型钢柱和箱形截面柱,不得小于截面高度的三倍。参见本图集的图4.3.21埋入式刚性柱脚构造。
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4.3.24 埋入式柱脚钢柱翼缘的保护层厚度不符合有关规定。
原因分析:埋入式柱脚钢柱翼缘的保护层厚度是参考 有关规定和我国的成熟经验规定的。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第8.6.4条作出了详细规定。对于中间柱不得小于180mm;对于边柱及角柱的外侧不小于250mm。如图4.3.24所示:
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4.3.25 外包式柱脚的混凝土外包高度不符合有关规程、规范规定数值。
原因分析:柱脚计算中,外包式柱脚的轴力是通过钢柱底板传至基础,剪力和弯矩主要由外包混凝土承担。与埋入式柱脚不同,在外包式柱脚中,栓钉起着重要的传力作用。
改进措施:外包式柱脚的埋入深度与埋入式柱脚相同,对于轻型工字形柱不得小于钢柱截面高度的二倍;对于大型截面H型钢柱或箱形柱,不得小于截面高度的三倍。对于钢柱翼缘上的栓钉数目应按《高钢规程》JGJ99第8.6.6条的规定计算,柱轴向的栓钉间距不得大于200mm,其构造如图4.3.25所示:
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4.3.26 外包柱脚底部的弯矩应全部由外包混凝土承受,其受拉主筋应经计算确定,主筋的锚固长度应符合有关规程、规范的规定。
原因分析:柱脚的剪力和弯矩应由外包混凝土承担,外力通过箍筋传给外包混凝土及其主筋后再传给基础。因此外包混凝土中的主筋面积应经计算确定。
改进措施:外包式柱脚的外包混凝土中的主筋面积应按《高钢规程》JGJ99第8.6.6条的规定计算。其主筋的锚固长度按受拉控制,亦应满足《混凝土设计规范》GB50010-2002的有关规定。如图4.3.25所示。阪神地震后, 的经验是钢柱锚栓的抗拔能力要加强,此点值得借鉴。
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4.4 组合楼板设计
4.4.1 连续组合梁按塑性进行内力分析时,钢梁的受压区板件的宽厚比未符合有关规程规定。
原因分析:控制钢梁的腹板及翼缘的宽厚比主要是为了避免因板件局部失稳而降低整个构件的承载力。当构件按弹性设计时其板件的宽厚比应按有关规程的规定选用。特别要注意的是普通钢结构与高层建筑钢结构的要求不同。对于高层建筑钢结构构件当按塑性设计时,应按《高钢规程》JGJ99的有关规定进行设计。
改进措施:《高钢规程》第7.1.2条规定,组合梁的塑性中和轴通过钢梁截面时,钢梁翼缘及腹板的板件宽厚比应符合表4.4.1的规定。
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4.4.2 计算组合梁的挠度时,未将组合梁整体截面折合为钢梁截面后计算其刚度,组合梁的挠度不满足规范对组合梁容许值的限值。
原因分析:计算组合梁的挠度时,应分别考虑荷载的标准组合及准永久组合。其梁的刚度应采用组合梁整体截面折算为钢梁截面后计算其刚度。组合梁的挠度值应满足规范规定的容许值。此挠度值应为钢梁施工阶段与组合梁使用阶段整体挠度的叠加值总和。
改进措施:《全国民用建筑工程设计技术措施-结构》第21.l.6条规定,组合梁整体截面折算为钢梁截面采用将翼板有效宽度换算为be/(2α)等效宽的钢板(对准永久组合),α为钢板与混凝土弹性模量之比值,α=Es/Ec。如图4.4.2所示;其组合梁的挠度值应满足规程规定,参见表4.4.2。
表4.4.2 组合梁容许挠度υ
构件类型 施工阶段容许挠度 最终容许挠度
屋盖、楼盖及楼梯构件 L<7m时 L/200 L/200(L/250)
7m≤L≤9m L/250(L/300)
L>9m L/300(L/400)
注:(1)L为构件计算跨度,计算悬臂梁时,按悬臂长度的2倍计算。
(2)施工阶段挠度按钢梁计算,其荷载为组合梁自重(标准值)与施工活荷载1KN/m2(标准值)的组合值。当施工中梁下设临时支撑时,可不考虑施工阶段挠度。
(3)最终挠度按施工阶段钢梁挠度与使用阶段组合梁挠度相叠加计算,其容许挠度中的括号值适用于对挠度有较严格限制的构件。
(4)当构件预先起拱时,其计算挠度应减去起拱值,
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4.4.3 组合梁翼板的横向钢筋最小配筋量不符合规程规定的配筋量。
原因分析:规程对于组合梁翼板的横向配筋数量要求是参考欧州钢结构协会(ECCS)组合结构设计规程制定的。
改进措施:对于组合梁翼板(压型钢板肋与钢梁垂直的组合梁可不验算)的横向钢筋最小配筋量应满足《高钢规程》JGJ99第7.2.17条的规定。
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4.4.4 该组合梁(连续)处于高湿度环境,其负弯矩区的裂缝宽度已超过规程规定的裂缝宽度限值。
原因分析:对于构件裂缝宽度的控制主要是根据结构的功能要求及环境条件对钢筋的腐蚀影响确定的。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第7.2.19条规定如下:负弯矩区的最大裂缝宽度,对于处于正常环境不应大于0.3mm,处于室内高湿度环境或露天时不应大于0.2mm。
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4.4.5 组合梁中支座处的剪跨区段内所配置的剪力连接件数量不满足计算要求。
原因分析:组合梁的剪力连接件必须根据剪跨区段内的剪力大小确定。剪跨区是以支座点,弯矩绝对最大点和零弯矩点为界限,划分成若干个剪跨区,如图4.4.5所示:
改进措施:组合梁的剪力连接件,应经计算确定。根据每个剪跨区内翼板混凝土与钢梁叠合面上的纵向剪力大小决定。按《高钢规程》JGJ99第7.2.6条的规定可计算出每个剪跨区段内的剪力连接件的数量。剪力连接件可均匀布置在该区段内。
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4.4.6 连续组合梁负弯矩区段钢梁受压翼缘在弯矩作用平面外应设侧向支撑构件。
原因分析:连续组合梁在正弯矩区,钢梁受压翼缘与混凝土板相连,故不存在钢梁的失稳问题。但在负弯矩区段,下翼缘受压,虽然钢梁上翼缘与混凝土板相连,但是对于钢梁在罕遇地震作用下,应在可能出现塑性铰的部位(如梁端和集中荷载作用点)设置侧向支撑。
改进措施:工程中一般在连续组合梁负弯矩区段(支座处)布置次梁,用来作为钢梁的平面外的支点。另外,对于可能出现塑性铰的部位应按《高钢规程》JGJ99第7.2。2l条规定布置侧向支撑,验算钢梁受压翼缘在弯矩作用平面外的长细比。
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4.4.7 组合板在集中荷载作用下,其抗冲切计算不满足规程要求。
原因分析:组合板在集中荷载作用下,其抗冲切计算是参考国外有关规范及《混凝土规范》GB50010-2002设计计算。
改进措施:按《高钢规程》JGJ99第7.3.5条进行计算,集中荷载V1应满足以下计算,如图4.4.7所示:
V1≤0.6ftucrhc
式中:ucr——临界周界长度,如4.4.7所示;
hc——压型钢板顶面以上的混凝土计算厚度;
f1——混凝土轴心抗拉强度设计值。
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4.4.8 连续组合梁的钢梁翼缘板厚度为12mm,采用的栓钉直径为19mm,且栓钉焊后长度仅
高出压型钢板波高20mm不符合规范的有关规定。
原因分析:根据试验资料,连接件的破坏有时还取决于连接件的型号和材质。栓钉的承载能力与栓钉的长度有关,承载力随长度增长而增加。若栓钉长度太短,不仅承载力很低,而且会出现栓钉拉脱破坏。
改进措施:《高钢规程》JCJ99第7.4.1条规定如下:当栓钉焊于钢梁的受拉翼缘时,其栓钉直径不得大于翼缘板厚的l.5倍;当栓钉穿过压型钢板焊于钢梁上时,焊后栓钉高度应大于压型钢板波高加30mm。另外栓钉钉面的混凝土保护层厚度不应小于15mm。
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4.4.9 组合板或非组合板中的压型钢板未进行施工阶段的强度和变形计算(说明中未明确
是否采取临时支撑)。
原因分析:楼面用压型钢板基板厚度一般不小于0.6mm(非组合板不小于0.75mm),次梁的间距较大(如4.5m)情况下,设计文件未明确说明施工时是否需要采取临时支撑。同时又未提供压型钢板计算书。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第7.3.2条规定:对于组合板或非组合板中的压型钢板应对施工阶段的强度和变形进行验算,验算时应计入临时支撑的影响;第7.3.4条规定:当压型钢板仅作模板使用时,应在波槽内设置钢筋,并进行相应计算。
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4.4.10 采用压型钢板作为模板的混凝土楼板,当组合楼板的受力钢筋与梁腹板平行时,梁顶部设置的抗裂钢筋数量不满足有关规定。
原因分析:组合楼板一般按单向板计算,因此在板受力钢筋与梁腹板平行的梁顶部设置的抗裂钢筋数量是按构造配置的,因此往往设计时被忽视。
改进措施:《全国民用建筑工程设计技术措施-结构》第21.2.1条规定,采用压型钢板作为模板的混凝土楼板,在楼板计算中仅考虑楼板单向受力,其板肋方向即为板的跨度方向,因此楼板的计算一般按常规的钢筋混凝土密肋板进行设计。为了避免梁的顶部发生裂缝,所以要求在钢梁的上部混凝土内配置一定数量的钢筋:抗裂钢筋不小于?6@200,同时其单位长度内总截面面积不应小于板中单位长度内受力钢筋截面面积的1/3,如图4.4.10所示:
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4.4.11 压型钢板组合楼盖中,没有采取必要措施使压型钢板与混凝土间有可靠的连接。
原因分析:压型钢板组合楼盖中应采取相应措施使混凝土与压型钢板间有可靠的结合,使二者形成一体,共同工作。
改进措施:某工程采用图4.4.11(c)示板型,但没有采取加焊横向钢筋的措施,不利于压型钢板与混凝土间的剪力传递。《高钢规程》JGJ99第7.3.l条规定以下措施:
(1)采用带有纵向波槽的板型图4.4.11(a);
(2)采用带有压痕,开的小洞或冲成的不闭合孔眼图4.4.11(b);
(3)依靠压型钢板上焊接的横向钢筋图4.4.11(c)并规定任何情况下均应在端部增设锚固件图4.4.11(d)。如图4.4.11所示:
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4.4.12 压型钢板组合楼板的挠度限值错误按L/200取值。
原因分析:组合楼板的挠度计算是根据《可靠度标准》GB50068及《荷载规范》GB50009规定,按标准和准永久效应组合计算。组合楼板的挠度限值与钢筋混凝土受弯构件有所不同。
改进措施:《钢结构高规》JGJ99第7.3.7条规定:组合板的挠度,应分别按标准组合和准久性组合计算,不应超过计算跨度的梁l/360。且应按《钢-混凝土组合楼盖结构设计与施工规程》YB 9238-92第4.1.l条规定,限制压型板在施工阶段挠度不大于梁l/180或20mm。
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4.4.13 组合板的跨度大于3m情况下,栓钉直径采用13mm,且栓钉焊后高度仅高出压型钢板波高20mm不符合有关规程规定。同时组合板的端部也应设栓钉。
原因分析:组合板端部的锚固(特别是简支梁)可阻止压型钢板与混凝土之间的滑移,因此栓钉锚固件应设在简支组合板端部支座处及连续组合板各跨的端部。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第7.4.7条明确规定,组合板端部应设置锚栓固定件。《全国民用建筑工程设计技术措施-结构》第21.2.l条给出了栓钉直径与板跨关系表,同时规定栓钉焊后高度应大于压型钢板波高加30mm。栓钉顶面的混凝土保护层厚度不应小于15mm,见表4.4.13及图4.4.13。
表4.4.13 栓钉直径与板跨关系表
板跨(m) <3.0 3.0~6.0 >6.0
栓钉直径(mm) 13~16 16~19 19
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4.4.14 组合楼板的说明中未明确采用的压型钢板为双面热镀锌钢板。
原因分析:组合楼板中的压型钢板不论是作为模板使用,或是当楼板受荷载作用时承受拉力起受拉钢筋的作用。为了结构在使用期间钢板不锈蚀从而有关规程规定压型钢板采用双面热镀锌钢板,禁止使用电镀锌板。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第7.4.4条规定:组合板用的压型钢板应采用镀锌钢板。《钢-混凝土组合楼盖结构设计与施工规程》YB9238-92第2.1.3条规定组合板用压型钢板应采用镀锌卷板,镀锌量双面总计不小于275g/m,基板厚度一般为0.5~2.0mm。
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4.4.15 楼板的耐火极限确定为1.5h情况下,压型钢板又未采取保护措施,压型钢板板肋顶部以上的混凝土厚度仍取50mm不满足规程规定的防火要求。
原因分析:结构的防火设计应首先确定建筑物的耐火等级,再按防火规范确定耐火极限,而后选择防护措施。对于钢筋混凝土楼板应按有关规范规定设计。当压型钢板作为承重结构时,应更加重视防火设计。
改进措施:《高钢规程》JGJ99第7.4.6条规定:组合板的总厚度不应小于90mm;压型钢板顶面以上的混凝土厚度不应小于50mm。此外尚应满足《高钢规程》第12.2.3条规定的楼板防火保护层厚度的要求,见表4.4.15。
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5 空间网格结构
5.1 材料选用
5.1.1 焊接空心钢球设计时采用Q235钢板,没有提出质量等级要求。该做法违反《网壳规程》JGJ61第5.2.l条规定。
改进措施:该做法违反《网壳规程》JGJ61第5.2.l条规定。因为按Q235要求订货,一般供应商按Q235A钢板供货。而Q235A的含炭量不作为交货条件,这是焊接结构所不容许的。故此,一般焊接结构应采用Q235-B钢材。对使用温度低于-20℃时,应采用Q235-C或Q235-D。
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5.1.2 空间网格结构中的小钢管竟然选用电缆套管。
改进措施:该做法违反《网壳规程》JGJ61第5.1.4条规定。对于大跨度结构小钢管的刚度太弱(如φ45x3),且杆件最小截面应根据工程的跨度、网格大小、荷载大小确定,较小的钢管宜采用高频焊接钢管,不能采用电缆套管。
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5.1.3 设计人员同意采用钻探用钢管代替Q345热轧钢管,造成焊缝开裂。
改进措施:该做法违反《钢结构设计规范》GB50017第3.3.1条规定。因钻探用钢管强度虽高,但是其含炭量高,又经调质处理,没有特殊措施,焊接必然开裂;没有热轧钢管可用高频焊接钢管代替,应该选用直缝高频自动焊接管或热轧钢管。
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5.1.4 网壳结构使用的高强度螺栓直径为M48强度级别采用10.9S。
改进措施:该做法与《网壳规程》JGJ61第5.3.4条规定不符合。规程规定:高强度螺栓性能等级应按螺栓规格分别选用,对于M12~M36的高强度螺栓,其强度等级为10.9S,对于M39~M64的高强度螺栓其强度等级为9.8S。M48应选强度等级为9.8S。
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5.1.5 Q235圆钢端部加工螺纹后强度设计值按215N/mm2取值。
改进措施:螺纹处的强度设计值取值违反《钢结构设计规范》GB50017第3.4.1条规定。采用Q235圆钢杆端部加工成4.8S级螺栓的螺纹形式,在螺纹处其受拉强度设计值按规范规定仅有170N/mm2,应按170N/mm2取值。
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5.1.6 干煤棚网壳没有采用与其周围腐蚀介质相适应的有效防腐措施,钢构件很快被腐蚀。
改进措施:该设计违反《网架规程》JGJ7第1.0.4条规定。因干煤棚中堆放的煤中含硫量大,挥发以后与空气合成二氧化硫,再与水气化合成酸雾,对钢结构腐蚀力强,宜采用特殊的防酸底漆和中间漆以及面漆防护。
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5.1.7 网架支坐板下的橡胶垫中没有夹钢板层。
改进措施:该设计违反《网架规程》JCJ7附录A中规定。橡胶弹性好,但是强度低,故在橡胶垫中必须夹若干层薄钢板,使橡胶垫。既有弹性又有一定强度,满足受力要求。如图5.1.7所示:
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5.1.8 设计中螺栓球的毛坯选用Q345锻造成型。
改进措施:该做法违反《网壳规程》JGJ61第5.3.2条规定。规程规定:螺栓球的钢材为45号钢加工而成;因45号钢的硬度和高强度螺栓级配正好合适,这是大量试验得出的结论并为大量工程实践证实。故螺栓球应采用45号钢制成。如图5.1.8所示:
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5.1.9 锥头采用ZG230-400铸钢件。
改进措施:该做法违反《网壳规程》JGJ6工第3.3.2条规定。锥头必须与杆件等强,应采用与杆件相适应的钢材。牌号和等级ZG230强度低,含碳量高,可焊接性差,因此锥头不能采用ZC230-400铸钢件。
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5.1.10 网架结构采用角钢板节点时,角钢用钢与十字节点板和盖板采用钢材的强度不匹配。
改进措施:该设计违反《网架规程》JGJ7第4.2.l条规定。条文规定十字节点板与盖板所用钢材应与网架杆件钢材一致,各零件均应用同样的钢材牌号和质量等级,如图5.1.10所示:
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5.2 结构选型
5.2.1 折板型网架缺少纵向上弦杆,结构模型为几何可变体系。
改进措施:该做法违反《网架规程》JGJ7附录一的规定。折板型网架结构体系缺少纵向杆支撑是一个几何可变体系,不能用于工程结构。正确的折板型网架结构体系,应按网架规程规定的标准型式。如图5.2.l-1、2所示:
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5.2.2 棋盘型网架省掉周边上弦杆。
改进措施:该结构型式违反《网架规程》JGJ 7附录一的规定。棋盘型网架缺少周边上弦杆成为几何可变体系,不能在工程设计中采用,应按规程规定的型式采用。具体如图5.2.2-l、2所示:
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5.2.3 单层网壳采用螺栓球节点。
改进措施:这种设计违反《网壳规程》JGJ61第3,Q,•5条规定。规程规定单层网壳应采用刚接的型式,因单层网壳采用铰接整体稳定有问题。故单层网壳应按刚接设计。
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5.2.4 网架上弦节点上找坡小立柱较高时,未布置支撑。
改进措施:该设计违反《网架规程》JGJ7第2.0.14条规定。找坡群柱不设支撑,可能产生稳定问题;当达2m高时,必须设支撑,具体做法如下:
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5.2.5 网格结构未按吊装的实际结构状态进行施工工况的强度稳定与变形验算,发生工程质量问题。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ61第4.l.6条规定。柱面网壳在安装阶段侧边支承情况与使用阶段支承情况不一致,没有按新的网壳分块形式及支承情况进行验算。柱面网壳这种结构型式水平推力大,如果安装时分条滑移,即变成拱的型式,由于采用不同的安装方法,柱面网壳可能变成各种与原结构型式和支承情况不一致,故应执行规程规定,按安装过程的不同工况应进行验算。应按《网壳规程》第4.1.6条进行网格结构在不同吊装工况下的验算,一般可与吊装单位协商好吊装方案后进行此项工作。
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5.2.6 单层球面网壳采用肋环网格,杆件为角钢“┓┏”截面。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ61第4.1.4条规定。单层网壳的杆件除承受轴向力外,还可能受弯受剪,所以杆件要能够同时承受轴向力和弯矩与剪力作用。杆件应采用适应受力需要的截面形式,如工字型截面等。
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5.2.7 斜放四角锥网架下弦支承,周边缺少边桁架。
改进措施:该型式违反《网架规程》JGJ7第2.0.9条规定。规程规定当网架结构采用下弦支承时,应在周边支座形成竖向或倾斜的边桁架。图5.2.7-1周边缺少一圈上弦杆,应增加上弦杆。则周边形成竖直边桁架。如图5.2.7-2所示:
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5.2.8 四点支承网架选用斜放四角锥网架,如图5.2.8-l:
改进措施:该设计违反《网架规程》JGJ7第2.0.6条规定。斜放四角锥支座约束作用对网架内力影响比正交正放类网架大。据四点支承网架计算内力比约5:7,挠度比约8:7,故点支承网架适合选用正交正放类网架,如图5.2.8-2所示:
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5.3 设计计算
5.3.1 网架结构采用摇摆支座计算分析时,边界条件按三向固定的约束条件计算。
改进措施:该网架结构计算分析边界条件约束与实际构造不符。违反《网架设计指南》第3.5条第(3)款规定,摇摆支座也称双面弧形压力支座(如图5.3.1)。支座节点可随铸钢块上、下弧面转动并能沿上弧面作一定的侧移,并不是固定不动。
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5.3.2 网架结构采用平板型支座,网架结构计算分析时边界条件按三向固定的约束条件进行计算。
改进措施:该网架结构计算时取的边界条件与《网架结构设计指南》第3.5条第(1)款不符。该支座(如图5.3.2)底板虽采用过渡与基础顶板焊接。但底板上锚栓开的孔是做成椭圆孔;支座节点可沿法向做微量移动。
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5.3.3 网架支座设在圈梁中间,而圈梁支承于两柱之间,网架结构计算时边界条件按刚性支座计算。
改进措施:该图没有错,但按该图的实际支承情况,其网架结构计算时按刚性支座计算违反《网壳规程》JGJ61第5.5.5条规定。因二柱之间的圈梁中间可能产生挠度,没有大的刚度可支承上部支座,不能使下部结构在支座反力作用下所产生的位移和转动都控制在设计容许范围内。故这种支承状况应按弹性支承进行计算分析,即应考虑支座下的圈梁刚度和支撑柱的刚度一起计算分析,才能和其构造相符。
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5.3.4 按最不利荷载组合计算网架结构内力时,按荷载设计值计算挠度值。
改进措施:该计算方法违反《钢结构设计规范》GB50017第3.5.3条规定。网架结构挠度应在恒载和活荷载标准值作用下的挠度计算值。
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5.3.5 网架结构平面尺寸较小,没有相应资质的设计单位也没有计算书,即行施工造成网架结构倒塌。
改进措施:该设计违反《网架规程》JGJ7第3.1.1条规定。条文明确规定网架结构应进行外荷载作用下的内力、位移计算,并应根据具体情况对抗震,温度变化,支座沉降及施工安装荷载作用下的内力、位移进行计算,而有些单位随意找人画图即加工安装造成事故。正确的程序应根据工程的具体规模,由具有相应设计资格的单位指派具有相应级别的注册建筑师和注册工程师进行设计,然后由具有相应级别的施工单位施工。
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5.3.6 网架结构支座被埋入墙体内。如图5.3.6-l所示:
改进措施:该设计违反《网架规程》JGJ7第4.5.1条规定。网架结构支座应传力明确可靠,支座节点构造应与结构分析取的边界条件相符,否则将使网架结构实际内力与计算内力出现较大差异。并可能危及网架结构的整体安全。支座应支承在墙体上面的圈梁上。如图5.3.6-2所示:
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5.3.7 网壳结构支承设在单排独立柱上。结构计算分析时,没有考虑支承结构的刚度影响。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ61第4.4.7条规定。在抗震分析时应考虑支承结构对网壳结构的影响。当网壳结构支承在单排独立柱、框架柱或承重墙上时,可把支承结构简化为弹性支座进行计算分析。
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5.3.8 建于抗震设防烈度为8度地震区的网壳,没有进行抗震计算分析。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ61第4.4.1条规定。在抗震设防烈度为8度地区必须进行网壳结构水平与竖向抗震计算。
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5.3.9 网架结构计算时重分析次数太多造成刚度过份集中。
改进措施:该优化计算方法不符合《网架结构设计指南》第2.2条要求。网架结构优化设计时无限制的重分析却导致刚度很集中,随着刚度不断集中,网架秆件内力也不断增大,杆件截面有的很大,有的很小。为得到比较满意结果,重分析次数不宜过多,一般情况下3~4次即可。
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5.3.10 多个连续的圆柱面或特殊曲面网壳的风载体型系数按《荷载规范》GB50009取值。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ61第4.1.3条规定。多个连续的圆柱面或特殊曲面网壳应根据模型风洞试验结果确定风载体形系数的取值。
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5.3.11 单层网壳曲面外杆件的计算长度l0取刚接几何长度lc。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ61第5.l.2条规定。单层网壳如下图所示,壳体曲面外,在确定计算长度时,仅考虑了局部凹陷一种屈曲模态,由于网壳环向杆件可能受压、受拉或内力为零。因此其横向压杆的支承作用不确定。可不考虑其影响,仅考虑压杆远端的横向杆件给予的弹性转动约束,经简化计算,并适当考虑节点的约束作用,可取其计算长度为1.6l,如图5.3.11所示。
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5.4 杆件
5.4.1 网架结构采用钢管杆件,轴心受压杆件设计计算时山值均按a类截面查得。
改进措施:该设计违反《钢结构设计规范》GB50017第5.l.l条规定。因网架结构杆件直径比较小的钢管多采用高频焊接钢管,在一个网架结构中往往有热轧钢管和高频焊接钢管同时采用,按规范规定(如下表)应分别取用不同的截面分类。
表5.4.1 轴心受压构件的截面分类(板厚t<40mm)
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5.4.2 钢管端部插入节点板但是没有封口。如图5.4.2-1所示:
改进措施:该设计违反《网壳规程》第5.1.5条规定。条文明确规定钢管端部应进行封闭,如下图所示:如果封板较厚,有足够刚度,节点板可焊于封板上。但应验算焊缝是否满足受力要求。如图5.4.2-2所示:
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5.4.3 单层网壳空心焊接球径厚比不符合有关规定。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ61第5.2.3条规定。规定单层网壳空心球外径与壁厚的比值应不大于35,目的是为了避免空心球在受压时由于失稳而破坏,而该设计选用Sφ450x8钢球,其比值已超过56,是不允许的,应增加焊接球的厚度。
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5.4.4 汇交于空心钢球上有的杆件轴线没有通过空心钢球的中心线。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ61第5.2.5条规定。条文明确规定汇交杆件的轴线必须通过球体中心线。如图5.4.4-2所示:宜调整复杆的夹角。
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5.4.5 螺栓球节点网壳中的受压杆件为φ133x7,端部配置M20高强度螺栓直径选用不符合有关规定。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ6l第5.3.5条规定。规程规定受压杆件的连接螺栓直径,可按其设计内力绝对值求得螺栓直径后,按规程中规定的螺栓直径系列减少l~3个级差,而该设计已降了8个级差,故不能允许,应适当增加高强度螺栓直径。
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5.4.6 螺栓球节点拉杆端部配置的螺栓承载能力低于杆件的承载能力,造成工程事故。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ61第5.3.4条规定。条文明确规定高强度螺栓的直径应由杆件内力控制,一般采用高强度螺栓与钢管杆件等强设计,以保证协调一致共同承担内力,并有一致的安全度。
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5.4.7 螺栓球节点网壳的杆件,端部锥头与杆件的焊接既没有坡口又没有表明焊接空隙,使焊接不能全熔透。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ6l第5.3.7条规定。钢管端部的锥头或封板以及它们与锥管间的连接焊缝均为杆件的重要组成部分,必须确保锥头或封板以及连接焊缝与钢管等强,一般封板用于连接直径小于76mm杆件,锥头用于连接直径大于76mm杆件。焊缝底部宽度b可根据刚接壁厚取2~5mm。具体见图5.4.7-2:
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5.4.8 在网壳杆件长度方向挂重物没有对杆件进行验算。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ61第4.1.4条规定。双层网壳杆件只承受轴向力,单层网壳杆件还受弯矩、剪力等,当杆件上作用有局部荷载时,必须另行考虑局部弯曲内力的影响。
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5.4.8 网架结构杆件有多个拼接接头,易产生破坏。
改进措施:该设计违反《网架设计指南》JGJ7第3.1.3条规定。受拉杆件一般不宜设有接头,受压杆件也只容许有一个接头且应设在受力较小区,并避免接头过于集中。接头多很容易在焊缝处破坏。
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5.5 节点设计
5.5.1 焊接球节点网架中杆件φ159x8与钢球焊接没有坡口。如图5.5.1-1所示:
改进措施:如图5.5.1-1违反《焊接规程》JGJ81第4.6.2条规定图样。按规程规定钢管内壁加套管作为单面焊接坡口的垫板时,坡口角度、间隙及焊接外形要求应符合图5.5.1-2(a)
要求。钢管与钢球连接要求全焊透时,一般宜加垫板。钢管不用套管时,管端加工的坡口角度为300~600折线形坡口,间隙尺寸应符合图5.5.1-2(b)要求。要求全焊透时,应进行专项工艺评定试验和宏观切片检验以确认坡口尺寸和焊接工艺参数。
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5.5.2 焊接球节点上两根钢管有部分相贯,部分与钢球连接,无加强措施。
改进措施:该做法违反《网壳规程》JGJ61第5.2.5条规定。主要是连接强度不够,等强焊接热响也较大,可采用图5.5.2-2做法:
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5.5.3 点支承网架中间支座均被焊牢,又没有计算温度应力,造成焊缝开裂,如图5.5.3-l。
改进措施:该设计违反《网架规程》JGJ7第3.4.3条规定。当网架支座节点构造不能侧移时,应计算由温度变化而引起附加内力对上部、下部结构的不利影响。支座反力较小时,可采用锚栓直接连接形式,如图5.5.3-2(a)所示。当支座反力较大时,宜采用板式橡胶支座连接形式以解决焊接应力和温度应力影响。橡胶支座还可适应有转动要求的网格结构,如图5.5.3-2(b)做法:
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5.5.4 周边支承网架的支座高度太高(有的工程支座高350mm)。如图5.5.4-1:
改进措施:该做法违反《网壳规程》JGJ6l第5.5.7条规定。按该条规定支座高度可取100~250mm,支座太高增加的偏心弯矩太大,不能忽略不计。正确的做法如图5.5.4-2所示,改进方法是调整端腹杆的夹角。
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5.5.5 周边支承网架的支座搁在伸缩处,引起工程事故。图5.5.5-1:
改进措施:该做法违反《网架规程》JGJ7第4.5.1条规定。其连接方法受力不可靠,传力有问题,网架在伸缩缝处应断开,使上部结构和支承构造变形能够协调,具体做法如图5.5.5-2所示:
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5.5.6 利用钢筋混凝土柱子中的受拉钢筋伸出柱顶与支座底焊接代替锚栓。
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ61第5.5.2条规定。这样的构造做法,支座受力不可靠。与计算假定不相符,支座安装时无法定位,故应按规程规定采用可定位的锚栓做法,如图5.5.6-2所示:
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5.5.7 在抗震设防烈度为8庋地区设计的网壳支座底板采用过渡板螺栓塞焊的做法,又没有进行抗震验算。如图5.5.7-1所示:
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ6l第4.4.1条规定。该构造设计在8度地震水平力作用下,螺栓既受拉还要受剪应该验算。比较合理的做法是采用橡胶垫支座,可以耗能,可以微动,减少网壳内力。如图5.5.7-2所示:
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5.5.8 网壳支座拉力锚栓埋设深度不足,有的锚栓M22埋设仅350mm,只有单螺母。如图5.5.8-1所示:
改进措施:该设计违反《网壳规程》JGJ6l第5.5.7条规定。按该条规定受拉锚栓的长度不应小于锚栓直径的35倍,并应采用双螺母。当锚固深度受到限制时,应使锚栓牢固的固定在锚板或锚梁上。如图5.5.8-2所示:
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5.5.9 网壳上的檩条支托是随着网壳的曲面变化的,其连接螺栓或与球的焊缝没有验算受拉、剪、弯的复合应力状态。
改进措施:一般平板网架的檩条支托或找坡支托基本上是垂直于地面,故没有验算连接螺栓而按构造设立,网壳上的支托是斜着放的,应验算连接处是否满足受力要求。如图5.5.9所示:
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5.5.10 钢管网架中方钢管相关连接没有任何加强即按刚接节点计算。
改进措施:方钢管网架或立体绗架相关连接,若按刚接节点计算必须对连接处进行加强,如在支管与主管连接处,主管翼缘加厚并设加劲肋如图5.5.10(a)所示,也可在支管端部侧边加劲板如图5.5.10(b)所示等。
主编单位、参编单位、联系人及电话:
主编单位:中冶京诚工程技术有限公司 王立军 010-83587001
中国建筑标准设计研究院 汪洪涛 010-88361155—800
图集主审人:柴昶
主管单位、联系人及电话:
中国建筑标准设计研究院 李文扬 010-88361155-800(国标图热线)
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