拱形鋼結構設計的一般規定
2020-05-12 09:34 西安鋼結構 鋼結構公司
1、拱形鋼結構一般以壓彎受力居多,其設計需要包含強度、穩定以及剛度計算,還需要進行局部穩定性計算。對于實腹式與腹板開孔拱,局部穩定計算通過限制板件的寬厚比保證;對于結構式拱,局部穩定指節間內構件的穩定性。與梁比較,拱稱為推力結構。對于拱形鋼結構的設計,結構整體穩定計算是十分重要的內容,必須予以高度重視。
拱形鋼結構通常在均布豎向荷載作用下具有較好的承載性能,但是在荷載呈偏跨分布作用下,特別在局部荷載較大的位置,會產生較大的彎矩,結構受力較為不利。風荷載與雪荷載在拱屋面上一般呈現不均勻分布的特點,因此需要根據具體情況確定荷載的最不利分布形式。
2、對于等截面實腹式圓弧拱、拋物線拱,腹板開圓孔工字形截面圓弧拱、相貫焊接節點的圓弧形鋼管桁架拱的平面內穩定計算,已有相應的計算公式。對于截面與軸線變化復雜的拱形鋼結構,還沒有可供設計使用的簡化設計方法,一般可以按照有限元分析方法進行計算。
采用有限元法計算拱平面內整體穩定承載力時,取拱平面內最低階整體屈曲模態作為初始幾何缺陷的分布形式,其缺陷幅值按拱跨度的1/n取值。對反對稱屈曲的拱按《鋼結構設計規范》GB50017中a、b、c、d類截面分別取n=600、500、400、300。幾何初始缺陷的取值源于德國DIN18800提供的數值,其綜合考慮了幾何初始缺陷和殘余應力兩項因素的影響。采用彈塑性全過程有限元分析方法計算拱形鋼結構的極限承載力時,其計算結果直接與單元類型的選取、拱單元的劃分數量、屈服條件及軟件之間算法的差異、極值點的確定和計算人員知識水平的高低等多因素有關,建議拱形鋼結構的荷載效應(按照標準值組合計算)不要大于拱平面內穩定承載力計算值(按照荷載標準值組合后的比例關系確定)與K值之比。其中K反映了荷載效應(標準值)與結構抗力取值(標準值)的不利影響,再考慮到有限元計算的不確定因素，K綜合取值2.0。
目前對拱形鋼結構平面外穩定承載力還沒有可以直接采用的簡化計算公式。采用有限元方法計算拱平面外穩定承載力時,可以同時取拱平面內與平面外的最低階整體屈曲模態作為初始幾何缺陷的分布形式,其面內外缺陷幅值按拱跨度的1/n取值;對面內反對稱屈曲的拱按《鋼結構設計規范》GB50017中a、b、c、d類截面分別取n=600、500、400、300。面外缺陷幅值按面外屈曲波長的1/750取值。按照有限元分析方法計算拱的平面外穩定時,除了考慮拱材料與幾何非線性外,還可以采用能夠反映拱軸線面外變形、繞拱軸線扭轉及拱腳實際約束條件的空間模型,按照這一計算模型所獲得的計算結果反映了拱的空間失穩特性。同樣建議拱形鋼結構的荷載效應(按照標準值組合計算)不能大于拱平面外穩定承載力計算值(按照荷載標準值組合后的比例關系確定)與K值之比，K綜合取值2.0。
3、對于實腹式等截面梁,可以采用梁單元,但單元類型需要充分考慮截面剪切變形的影響。對于粗短拱或者扁拱,其剪切變形對其承載力影響較大。如果構成截面的板件寬厚比超過其限值,應用殼單元可以考慮板件局部屈曲的影響。對于腹板開孔截而拱,采用梁單元模型會產生較大的誤差,因而可以采用殼單元亦能考慮板件局部變形的影響。但若能提煉出腹板開孔截面拱的簡化計算模型,亦可用梁單元計算。對于鋼管桁架拱,一般要求弦桿做成弧形曲線,故采用梁單元能考慮其附加彎曲變形。條件允許時,可以對拱采用梁單元與殼單元分別計算并取二者的較小值作為承載力設計值。特別對于空腔內采用加勁肋的箱形截面拱,采用殼單元更能反映構件的實際受力情況,也可以通過殼單元進一步優化截面設計以及加勁肋配置。
計算拱形鋼結構穩定承載力,一定要考慮結構或構件的塑性發展。有限元彈塑性分析時，鋼材采用理想彈塑性應力應變曲線常會出現迭代不收斂現象,故采用適當強化的計算模型以解決收斂問題。
4、在建筑拱形鋼結構屋面,通常存在檀條以及屋面板等次構件的面外支撐作用,當支撐構件具有足夠剛度能夠完全限制鋼拱的面外位移或扭轉時,能保證鋼拱不發生整休面外失穩。對于兩鉸拱即拱腳截面處的線位移及繞拱軸切線的扭轉角完全受到約束而拱軸在其平而內及面外彎曲自由的情況，且面外支撐應能充分約束支承點處截面的面外位移與扭轉的情況,只要滿足公式，鋼拱的面外失穩不先于面內失穩。
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