在钢结构工程设计中,最关键的莫过于稳定计算,经常涉及的其一是受压构件的稳定,其二是关于板件的局部稳定。本文讨论的是后者。
先看我们所涉及的厂房基本设计资料:
梁柱材料:Q345B
屋面恒载取0.25kN/m2,活载0.3kN/m2
基本风压:0.8kN/m2
吊车荷载:8.000m标高处两台5t+5t,15.000m标高处两台32t.A5级桥吊。
边柱为单阶柱:柱顶20.000m,上段柱6.6m,刚架纵向柱距12m。
典型刚架如图:
我们对边柱截面进行假定,根据《钢结构设计手册》第三版 表10-3,考虑到刚架柱距较大因素,上下柱截面尺寸如下图所示,因其它原因,下柱未采用格构式。本文主要讨论的是对于腹板厚度的取值问题。
从下柱截面尺寸可以看出,其截面高度为1500mm,按《钢结构设计规范GB500017-2003》公式5.4.2-2、5.4.2-3计算,腹板容许高厚比为45.24,按照此值来控制的话,腹板的厚度要达到34mm才能满足。而在强度及稳定计算过程中,腹板对整个截面的刚度贡献值不明显,因此有必要考虑一下可否在满足规范的前提下,降低腹板厚度,为此我们采用18mm厚的腹板,但需要解决的问题有两个方面:
一是解决构件的问题,根据GB50017-2003的5.4.6条,不满足腹板容许高厚比时,可采用纵向加劲加强,或在计算中仅考虑腹板截面两侧部分截面的作用。
如果采用纵向加劲,无非是减少腹板计算的高度而已,而且按要求纵向加劲加在受压翼缘侧的腹板,但对于刚架柱而言,由于水平方向的荷载,风载和吊车荷载的方向皆是两个方向都得考虑,也就是两边翼缘都可能受压。
如果采用第二方案,即考虑腹板屈曲后效应,我们的计算结果如下:
用18mm厚腹板,考虑整个截面有效时
强度计算最大应力为181.49MPa,平面内外稳定计算最大应力分别为172.64MPa和189.56MPa。
考虑腹板的局部截面作用时
强度计算最大应力为204.16MPa,平面内外稳定计算最大应力分别为194.31MPa和194.16MPa。
从上面的数据可知截面计算应力值提高了12%,需要说明的是,《建筑抗震设计规范GB50011-2001》对抗震构造措施有一些规定,其中9.2.12条对单层钢结构厂房板件宽厚比有限值,但对工字形截面的腹板部分没有要求。
第二个要考虑的问题是腹板的局部稳定问题。
根据GB50017-2003 的8.4.2条构件构造要求,应加横向加劲加强,尽管上面我们采用第二种方案时,是考虑了腹板屈曲后强度,也就是说无需对腹板的局部稳定进行验算。但是实际上如果按GB50017-2003的 4.3.3 条要求对腹板局部稳定进行验算的话,也是满足的。
从上面的计算结果可以看出,我们虽然没有按照腹板高厚比的控制值来确定腹板的厚度,但仍然可以满足规范的要求。而这样做所带来的有利因素则是非常可观的。仅看下段柱,高度6.88m,总重2768.37kg,如果采用34mm厚的腹板则重达4038.64kg,重量增加了45.9%之多。
采用这种方案,本工程的框架柱的用钢量一共节约达336吨。
总之,在放弃工字形腹板高厚比限值的约束后,我们实腹柱的设计应力值虽提高了12%左右,但是在用钢量上来看是非常值得关注的。