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海外工程十五年之一00——美标钢结构设计概述(8)

《美国建筑钢结构设计规范》最新版本为 ANSI/AISC 360-16,英文名字为Specification for Structural Steel Buildings。360-10版国内已经有翻译版发行。为使大家更好的理解360-16版本,特别翻译其关键章节,不妥之处,敬请读者提出宝贵意见。本文为第B章的条文说明重点翻译。


5.横隔板和系杆

本节规定了横隔板和系杆体系中钢结构部件(构件及其连接)的设计要求。

横隔板将平面内的侧向荷载传递至结构的抗侧力体系中。建筑结构中最典型的横隔板单元就是楼盖和屋盖体系,该结构单元汇集了由重力、风荷载和/或地震荷载所形成的侧向力,并将这此力分配到建筑结构的竖向抗侧力体系的独立结构单儿上(如带支撑框架、抗弯框架、剪力墙等)。用系杆(也称受拉撑杆,dragstruts)汇集横隔板力并将其传递至结构抗侧力体系中。

横隔板可分为刚性、半刚性,和柔性的三类。刚性横隔板将平面内作用力分配至抗侧力体系上,并忽略横隔板平面内的变形。可以假定,刚性横隔板按抗侧力体系各独立单元的相对刚度的比例向这些结构单元分配侧向荷载。半刚性横隔板则按照横隔板平面内刚度和抗侧力体系的各独立单元的相对刚度来分配侧向荷载。柔性横隔板的平而内刚度与抗侧力体系的刚度相比可以忽略不计,因此,侧向力分配与抗侧力体系各独立单元的相对刚度是相互独立的。在这种情况下,侧向力分配可采用类似于一系列横跨在抗侧力体系之问的简支梁的计算方式。

应根据由设计荷载所产生的剪力、弯矩和轴力来没计横隔板。横隔板的响应类似于深梁,其翼缘(通常称为横隔板的弦杆)承受拉力和压力,其腹板抗剪。横隔板的组件单元需要具有一定的承载力和变形能力,以与分析假定和预期的性状相一致。

6.混凝土锚固设计

本节规定了第I章和第J章混凝土锚固设计的要求。

7.稳定性设计

本节规定第C章稳定性设计的要求。

8.适用性设计

本节规定了按第L章正常使用极限状态的要求。

9.结构完整性设计

本节规定了满足适用建筑规范要求的结构完整性要求的最低连接设计标准。《国际建筑规范》(ICC2015)第1615节将结构完整性要求用于风险类别为IIIIV的高层建筑,也即该要求目前适用的建筑数量有限。

对经历过特殊事件的已建结构的评估表明,具有较高连接能力的结构其他结构结构性能更好。完整性要求的目的是通过限制连接在承受意外拉力时发生故障的可能性来实现这种改进的连接。这些拉力可由多种事件引起,如火灾后的冷却、相邻结构构件的破坏以及柱上的爆炸或冲击荷载。规范完整性检查原则上类似于提供良好历史性能的其他模型规范和国际规范中定义的检查(GeschwindnerGustafson2010)。完整性要求的基本方面是,它只是一个连接设计要求,不是应用于结构任何部分(连接本身除外)的设计力。此外,为完整性检查确定的力不得与任何其他力组合,完整性连接设计检查应单独进行。结构完整性要求是连接的构造要求,而不是施加在结构上的荷载或力。

B3.9a)节规定了柱拼接的标准抗拉强度。本要求的目的是为抵抗意外力而提供最小拼接能力。该要求基于两层楼的拼接的假设。任何活载减少量应与用于设计楼板构件框架与柱连接的活载减少量相同。受拉设计力应在翼缘和腹板之间合理均匀分布,以便在受拉承载力的基础上提供一定的抗弯和抗剪承载力。无需提供该张力的加载路径。

B3.9b)节规定了梁与柱或梁下梁端部连接的最小标准轴向抗拉强度。GeschwindnerGustafson2010)已经证明,根据本规范设计的抗剪单板连接满足这一要求。由于完整性检验允许非弹性变形,因此预计大多数其他框架连接(如双角钢连接)可以通过非线性分析或屈服线分析来满足这一要求。本节中确定的力仅适用于连接设计本身,不包括在构件设计中。特别是本节不要求检查由拉力引起的柱和梁腹板的局部弯曲。

B3.9c)节规定了支撑柱的最小标准拉力。保持柱支撑是提供结构完整性的基本原则之一。由于柱支撑构件通常比柱小得多,因此与柱本身相比,特殊事件更有可能影响柱周围的支撑构件或板。这就是钢连接本身需要提供支撑力的原因。假设特殊事件已经影响了柱由板或柱框架梁支撑的能力,如附录6所述,该拉伸支撑力要求与其他支撑要求分开应用。本节的要求通常适用于高层建筑的低层,而B3.9a)节的要求适用于大多数其他情况。

尽管完整性要求仅在规范要求时适用,但对于需要在未定义的特殊事件下改善结构性能的任何建筑物,都应考虑完整性要求。对于具有规定特殊荷载的结构,应参考ASCE/SEI 7。对于要求设计为抵抗连续(不相称)倒塌的结构,应参考ASCE/SEI 7条文说明。

10.积水设计

在本规范中,积水是指仅由于平屋顶框架的挠度而导致的积水。积水量取决于框架的刚度。由于滞留水的增量增加而产生的无边界增量挠度可导致顶板坍塌。当更多的水导致更多的挠度,导致更多的空间容纳更多的水,直到屋顶倒塌时,问题就变得严重。

本规范以前的版本建议,通过提供1/4尺寸每英尺(20mmm)屋顶坡度,可以避免积水不稳定。有些情况下,这种最小屋顶坡度不足以防止积水不稳定(FisherPugh2007)。本版规范要求,如果屋顶蓄水,无论屋顶坡度如何,都应考虑积水设计。在确定初始条件时,必须考虑与雨荷载同时作用的荷载引起的拱度和挠度

稳定性的确定通常通过结构分析来完成,假设主要屋顶排水沟堵塞,则雨水荷载通过框架系统对累积雨水的挠度而增加。

确定积水稳定性和强度的详细规定和设计方法见附录2

11.Design for Fatigue

11.疲劳设计

本节规定了按附录3进行疲劳设计。

12.抗火设计

本节规定按附录4进行结构抗火设计。合格性测试(Qualification testing )抗火性的分析设计的替代方法。ASCE/SEI/SFPE标准29ASCE2008)、ASTME119ASTM2009b)和类似文件中有详细的介绍。

13.抗腐蚀设计

钢构件品质在某些使用环境中可能会下降。这种下降可能表现为外部腐蚀(在检查时可见),或未发现的变化,会降低构件强度。设计人员应通过在设计中考虑特定的腐蚀量或采取适当的保护(例如,涂层或阴极保护)和/或维护计划,以避免此类问题的发生。

由于对矩形钢管的内部很难进行检杳,因此其内部腐蚀问题会受到人们一定的担心。良好的设计做法可以消除这种担心、并降低昂贵的防护费用。在存在氧气和水的环境中会发生腐蚀现象。在一个封闭的建筑物中,不大可能重新引入足够的湿气从而引起严重的腐蚀因此,只有当空心型材裸露在大气中时才要考虑管材的内腐蚀防护。

在一个密封的钢管中,当超过了化学城化所必须消耗的氧气和湿气的那个点后,内腐蚀就无法进一步发展( AISI ,  1970 )。当腐蚀过程必须停止时,甚至当封闭管材的时候处于腐蚀性的环境中时,其氧化深度也是相当小的。如果在连接部位存在细小的孔洞,就会通过毛细管作用或者由于空心管材迅速冷却所形成的局部真空,导致湿气和空气进人空心管材(Blodgett,  1967)。这可以通过设置均压孔(pressure-equalizing holes)来防止出现这利情况,要在水流不会由于重力作用而进入空心管材的位置设置均压孔。

保守的做法可能是建议采用内防护层,包括:(a)在空心管材上开孔,通过通风来改变空气的流量,或者有可能直接把水引流出来;(b)对承受温度改变会导致冷凝水的空心管材开孔。

对填充或部分填充混凝土的钢管不应进行密封。这是因为在发生火灾时,混凝土中的水汽会蒸发,并且会形成足够大的压力使密封的空心管材破裂。要注意避免在施工期间或施工后水分在管内滞留,由于冻涨引起的压力会造成管材破裂。

    由于在镀锌过程中压力的急剧变化往往会导致密封组件爆裂,因此镀锌钢管组件不应完全密封。

 


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作者: ganggouren

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