门式刚架柱计算长度系数值

1、对门式刚架规程中柱计算长度系数值的质疑2011年02月23日16:02作者：左权胜160次阅读0次被顶共有评论0条可能大家也都遇到过这样的情况，但认为那是自己不懂的学问，于是就让它沉淀下去， 时间愈久，就显得愈发的深奥，慢慢地，它也就偶像起来。其实，我要说的是一些枯燥的公式，在设计钢结构门式刚架时，某些柱的计算应力很低， 但长细比却大大地超标。比如下面这个例子。这是一个中跨很大(36m)，边跨很小(6m)的钢结构轻型门式刚架，图中未给出构件的截 面，也未给出荷载，你可以按常规地数值假定，也无论你用什么软件来进行计算，对构件的 验算遵照门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102 ：2002(以

2、下统一简称规程)。从内力结果你可以看出边柱的轴向压力很小，而从构件验算中则有边柱的长细比非常之 大。这有些蹊跷，而且与其截面很不相称，当我们怀着忐忑的心情追查原因时，会发现该柱 的计算长度系数异常。一路找下去，一直找到规程中关于柱在刚架平面内的计算长度的 计算公式，也就是卜=li /，其中u .是计算长度系数，关于计算长度系数，规程中 给出了三种方法，分别为查表法、一阶分析法和二阶分析法。查表法所能涵盖的范围非常有限，比如仅针对单跨门式刚架；仅适用于屋面坡度不大于1：5的情况；多跨刚架仅考虑中间柱为摇摆柱等等，让人用起来没有信心。而对于二阶分析，恐怕目前还多在某些论文里徜徉。于是我们只能满怀希

3、望地来看一阶分析法给出的公式，对于规程中的公式6.1.3-7a和公式6.1.3-7b所适用的范围也同样有限，于是聚光灯照在这最后的舞者# 我 ，（公式6.1.3-8a）（公式 6.1.3-8b）（公式 6.1.3-8b）p踏分别针对柱脚铰接和刚接两种情况。其中一 11 -是欧拉临界力，1为柱顶在水平荷载下的侧移刚度，-是各柱竖向荷载与柱高之比求和，这几个值不值得深入探究， P.为所求柱的竖向荷载，需要质疑的是当该柱的竖向荷载很小，极端情况为。时，按上述公式得到的计算长度系数自然是无穷大。那么公式中的竖向荷载”在具体设计中究竟应该取什么值呢？文献1 中说“STS认为 将规程规定P.为第i根柱所承

4、受的竖向荷载处理成第i根柱在各种工况组合下所承受的 最大轴向压力，但问题是你求的某柱在某一种工况组合下的稳定应力，求该稳定应力所用 到的长细比竟去用另一种工况组合的计算长度。这样是否合适？而且，纵使我们认可了这种 做法，依然会找到最大轴向压力接近0的柱，我们前面提到的例子就是如此。这样看来，就有必要去追溯该公式的来历了，规程条文说明中指出，该公式是参照 美国标准AISC钢结构房屋荷载和抗力系数设计规范，查阅LRFD（ 1999）的相关章节， 我们作如下的梳理。涉及受压构件的最重要的就是稳定问题，而除荷载以外的跟稳定有关的就是长细比 这个参数，计算长细比是要用到计算长度”可以说是基本参数中最为玄

5、妙的，与它相关的 基准参照是上下均为不动铰的情况这时的几何长度即为计算长度其他情况下的计算长度， 通过几何长度乘上一个系数，该系数称为计算长度系数，就是上面提到的u 。对于无 侧移框架柱，考虑到柱上下端处梁的刚度约束，实际的计算长度应该小于几何长度，因此， u .是个小于1的数，而对于有侧移的框架柱，u .值大于1，文献3给出了公式得详细推 导过程，而规程中所涉及的*的计算公式是属于考虑P-D效应的方法。所谓考虑P- D效应是属于二阶效应，也就是柱顶在一阶分析荷载下有了水平侧移D，而作用在柱顶的垂 直力依然存在，那么此时必然有一个P.D的附加弯矩，公式中的侧移刚度等体现了 P-D的 二阶效应的

6、影响，而让我们感到茫然的公式分母中的P，在LRFD（ 1999）中有相同的表 示。k =京K（ C-C2-5）而LRFD涉及到的相关描述如下：同一楼层的附加弯矩之和：产乙会重新分配，受荷 小的柱将会承担受荷大柱的站上的一部分。而文献3中对该公式进行了推导，而体现P的 f =1.2是一个经验放大系数P。从这里依然很难找到一些蛛丝马迹，而实际上真正的罪魁祸首是推导这一系列公式的一个假定，那就是：结构失稳模式基于结构同一层柱同时按 相同模式对称或反对称失稳。你想，在同一层柱中，某柱几乎没有轴向压力，如果想让它 与其他柱同时屈曲，岂不就只好让它的计算长度无限地增长。但是，我们的另一些专家在另 外的办公室里却又对柱构件的长细比作了统一的非常严格的约束规定。所以问题的症结是现行钢结构设计方法的缺陷，规范是将结构体中的构件作为研究对象， 将它们分类为受弯构件、轴压构件、压弯构件等等分别研究及规定它们在荷载作用下情况， 而对于结构作为整体的承载情况，也只能尴尬地通过弹性分析，将内力作用在所有构件上看 每个构件的结果，而且结构整体失稳模式，也只能通过同层同时失稳的假定，勉强地体现在 构件计算长度系数上虽然我们在具体的设计活动中悠悠然地应用着这些巨大简化的公式