關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)中的一些思考

周俐俐　沈鵑

摘 要

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程是土木工程專業(yè)的核心專業(yè)課，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，對一些問題需要進(jìn)行辯證理解。本文結(jié)合具體實(shí)例談?wù)勍聊竟こ虒I(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)中的一些辯證思考方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，也為土木工程專業(yè)其他結(jié)構(gòu)類課程的教學(xué)提供一些參考。

關(guān)鍵詞

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);辯證思考方法;教學(xué)

中圖分類號： TV34-4? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.044

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程是土木工程專業(yè)的核心專業(yè)課，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，對一些問題進(jìn)行深度分析，教會(huì)學(xué)生們對問題進(jìn)行深度思考，辯證理解。下文結(jié)合具體實(shí)例談?wù)勍聊竟こ虒I(yè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教學(xué)中的一些辯證思考方法，同時(shí)也為土木工程專業(yè)其他結(jié)構(gòu)類課程的教學(xué)提供一些參考。

1 梁的最小高度確定

在組合梁的設(shè)計(jì)中，需要初步選擇梁的截面尺寸，包括初步確定截面高度、腹板尺寸和翼緣尺寸。首先需要確定梁的截面高度，梁的截面高度應(yīng)根據(jù)建筑設(shè)計(jì)容許的最大高度、剛度要求的最小高度和用鋼量最少的經(jīng)濟(jì)高度三方面條件確定。梁的最小高度是根據(jù)剛度要求確定的，即根據(jù)正常使用極限狀態(tài)的要求，在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，梁的撓度不得超過設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的容許值。比如均布荷載作用下的簡支梁，其相對撓度應(yīng)滿足：

由得

將綜合荷載分項(xiàng)系數(shù)1.4（近似取恒荷載分項(xiàng)系數(shù)1.3和活荷載分項(xiàng)系數(shù)1.5的平均值），將代入上式，可得：

則（1）

若在梁的撓度達(dá)到撓度容許值的同時(shí)，梁的抗彎強(qiáng)度亦達(dá)到鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f，即令σ=f，這樣可充分利用鋼材強(qiáng)度，則式（1）變成：

（2）

式中：l——梁的跨度，mm;

[vT]——永久荷載和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的撓度（如有起拱應(yīng)減去拱度）的容許值，mm;

f——鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

由式（2）可得出不同情況下的最小梁高h(yuǎn)min。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）規(guī)定主梁的允許撓跨比為[vT]/l=1/400，次梁的允許撓跨比為[vT]/l=1/250，此時(shí)最小梁高可參考表1。需要說明表1是根據(jù)均布荷載作用下的簡支梁推導(dǎo)出的梁高取值，當(dāng)梁端部是剛性連接或半剛性連接的情況下，梁高可以適當(dāng)減小，梁的高跨比可以適當(dāng)放寬到1/20～1/15。

從表1中發(fā)現(xiàn)，鋼材厚度越厚，梁的最小高度可以取得越小。而鋼材厚度越厚，強(qiáng)度越低，其力學(xué)性能愈差。因?yàn)椋阡摬牡臒彳埑尚瓦^程中，厚度越薄的鋼材，其壓縮比越大，隨著壓縮比增大，即鋼材厚度軋制得愈小，其強(qiáng)度、塑性及沖擊韌性性能愈好。因此，我們不能孤立地看問題，需要辯證地分析問題。鋼材厚度較大會(huì)降低鋼材的力學(xué)性能，但是對梁的最小高度選擇有好處，也即選擇較小的梁高即可滿足要求。我們分析結(jié)構(gòu)問題應(yīng)該有一種全局的觀念，沒有絕對的優(yōu)點(diǎn)，也沒有絕對的缺點(diǎn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮各方面的匹配、均衡和協(xié)調(diào)，做到了各種結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性方面的匹配，就是優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)。

2 不同支撐設(shè)計(jì)方法下支撐框架的破壞模式

鋼框架結(jié)構(gòu)可以布置水平支撐和豎向支撐，水平支撐分為橫向水平支撐和縱向水平支撐，豎向支撐分為豎向中心支撐和豎向偏心支撐。比如對于十字交叉斜桿型的中心支撐，如圖1所示。在確定框架和支撐的相對強(qiáng)弱時(shí)，就需要全方面的平衡和考慮，并不是支撐的剛度越強(qiáng)越好，也不是框架的剛度越大越好。

對于弱支撐框架，如圖1（a）所示。支撐先屈服，消減地震響應(yīng)。弱支撐就是有側(cè)移，所以支撐屈服后框架繼續(xù)發(fā)生側(cè)移，框架可以繼續(xù)提供抗震能力，設(shè)計(jì)屬于兩道抗震設(shè)防。罕遇地震下鋼材的極限強(qiáng)度（超出屈服強(qiáng)度部分）可以發(fā)揮作用。對于強(qiáng)支撐框架，如圖1（b）所示。強(qiáng)支撐就是無側(cè)移或者側(cè)移很少，屬于無側(cè)移屈曲，非常危險(xiǎn)，是單一的抗震結(jié)構(gòu)體系;任何鋼材的延性和超出屈服強(qiáng)度的抗拉強(qiáng)度都無法發(fā)揮作用。

通過不同支撐設(shè)計(jì)方法下支撐框架的破壞模式的對比，我們發(fā)現(xiàn)，支撐和框架的強(qiáng)弱是相對的，有側(cè)移和無側(cè)移也是相對的，不能籠統(tǒng)地定性為哪一種情況好，哪一種情況不好。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)通過充分的對比和分析，做到協(xié)調(diào)和匹配的設(shè)計(jì)就是最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

（a）弱支撐框架的破壞模式? ? ? ? ?（b）強(qiáng)支撐框架的破壞模式

圖1 不同支撐設(shè)計(jì)方法下支撐框架的破壞模式

3 結(jié)束語

現(xiàn)代應(yīng)用型工程人才的培養(yǎng)除在注重扎實(shí)的理論知識和實(shí)踐能力培養(yǎng)之外，還應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生對專業(yè)知識進(jìn)行深度辯證思考和養(yǎng)成重視思考的習(xí)慣。以學(xué)生為本，對土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的專業(yè)問題進(jìn)行思考和探索是一項(xiàng)長期的過程，作為土木工程專業(yè)的專業(yè)教師，應(yīng)在不斷總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不斷深度思考教學(xué)內(nèi)容，教會(huì)學(xué)生分析問題和思考問題是非常必要和迫切的，最終可達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]周俐俐，王汝恒.鋼結(jié)構(gòu)（第三版）[M].北京：知識產(chǎn)權(quán)出版社，2019.

[2]童根樹，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.