特殊荷载的基本定义、设计与作用分析

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1、特殊荷载的基本定义 设计与作用分析 1 温度荷载的定义及分析2 吊车荷载的定义及分析3 特殊风荷载定义及分析4 特殊支座的定义及分析5 总结 1 温度荷载的定义及分析 温度荷载即温度场对结构的影响 有以下几方面问题 温度的时效问题 冬天和夏天的温度产生的温差将非常大 如冬天 20 夏天 30 温差50 如果以这个温差作为温度场 温度荷载 计算结构的温度效应将非常大 由于这个温差产生是在一年的时间内发生 结构的反应也是缓慢 变化的 一般情况下结构的温度效应可以考虑瞬间温差 指一天的时间内 温度的环境问题 考虑温差对结构的影响 要考虑结构的工作环境 如涂料 内外装修 保温隔热等的影响 要分别考虑施

2、工阶段 使用阶段的结构反应 如果只考虑使用阶段 则施工阶段应考虑相应的保证 保护措施 温度的梯度问题 温度对构件的影响也不是均匀的 对钢构件由于截面很薄 当温度变化时 可以认为截面中的温度也会产生均匀的变化 但是对混凝土构件则不同 由于截面厚大 表面温度很难达到里面 如下图所示 此时可以认为温度向截面里面是逐渐衰减的 即梯度 线性 非线性 线性梯度曲线梯度程序采用不变程序的做法将导致温度效应偏大较多 温度变化的设计控制 竖向温差的控制 其对结构顶部的梁将引起较大的弯矩 剪力 对结构底部的内外竖向构件会引起较大弯矩 轴力 拉 压 因此 1 结构设计宜对底部竖向构件的轴压比留有余地 保证适合的配筋

3、率 顶部若干层梁的配筋也要留有余地 2 对结构外露应做好保温隔热措施 水平温差的控制 其对受到剪力墙约束的水平构件 楼板 梁 将会引起较大的轴力 反过来对剪力墙产生较大的剪力 因此 1 对剪力墙的轴压比 剪压比留有余地 下部楼层梁 板考虑偏心受拉的配筋 2 主动释放温差变形 如 混凝土低温入模养护 设后浇带 减少混凝土收缩应变 改善使用环境等 温差定义 节点温差定义 温度作用内力的输出 温度作用的特点 高层建筑结构不仅平面尺寸大 而且竖向的高度也很大 其竖向构件截面尺寸较大 温度变化和混凝土收缩不仅会产生较大的水平方向的变形和内力 而且也会产生竖向的变形和内力 根据有关资料统计 工程实践中结构

4、物的裂缝原因属于由变形作用 温度 收缩 不均匀沉降 引起的约占80 以上 属于由荷载引起的约占20 左右 可见高层建筑结构设计中考虑变形作用的影响是很重要的 不容忽视 高层建筑结构的温度变形与应力应该引起设计人员的重视 有关规定 高规 宣讲培训材料 P4 17 高层钢筋混凝土结构一般不计算由于温度 收缩而产生的内力 因为一方面高层建筑的温度场分布和收缩参数等都难以准确确定 另一方面混凝土又不是弹性材料 它既有塑性变形 还有徐变和应力松弛 实际的内力要远小于按弹性结构的计算值 广州白云宾馆 33层 高112m 长70m 的温度应力计算结果表明 温度 收缩应力计算值过大 难以作为设计依据 曾经计算

5、过温度 收缩应力的其它建筑也遇到类似的情况 有关规定 但由于种种原因 诸如高层建筑各处的温度场 混凝土收缩 徐变等随时间变化的变量因素还难以直接采用数值准确量化 混凝土收缩 徐变的弹塑性特征使分析处理复杂 所以一般很难准确地计算结构的温度 收缩应力 并且作为设计的依据 因此 高规不要求直接计算非荷载作用 而强调由构造措施来解决 高规 宣讲培训材料 P4 17 钢筋混凝土高层建筑结构的温度 收缩问题 主要由构造措施来解决 程序实现 程序提供了计算温度应力 支座沉降以及设置弹簧支座的功能 设计人员可以通过给定温差或基础支座沉降值来计算结构的温度和基础支座沉降产生的效应 从而能较正确地估计温度 基础

6、支座沉降的影响 有助于设计人员采取相应对策与措施 温度应力计算情况 高层建筑的温度分析可考虑下列三种情况 施工阶段当主体结构完成后 未作内外装修和围护结构 结构处于通透状态时的温差造成的内力 正常使用阶段1外墙围护结构已施工 室内处于自然通风状态时的温差造成的内力 正常使用阶段2外墙围护结构已施工 室内空调恒温状态时的温差造成的内力 对温度作用的简化 温度变作用表现为 1 构件内外表面温差造成的弯曲 2 构件内外表面温差的平均值比构件初始温度高 低 时造成的伸长 缩短 程序仅考虑了平均温差造成的伸缩作用 而忽略了内外表面温差造成的弯曲作用 最不利温差的确定 樊小卿在 温度作用与结构设计 一书中

7、建议 室外空气温度夏季取30年一遇最高日平均温度 冬季取30年一遇最低日平均温度 使用阶段室内空气温度夏季取空调设计温度 冬季取采暖设计温度 初始温度取结构成型时的环境空气温度 计算温差的确定 对于钢结构 最不利温差和计算温差是一致的 对于钢筋混凝土结构 最不利温差与计算温差不同 其差异在于钢筋混凝土结构的特点 收缩 徐变以及裂缝 王铁梦在 工程结构裂缝控制 一书中建议 1 温度应力只按弹性计算太保守 造成材料浪费 2 由于结构遭受的年温差及收缩都是在相当长的时段变化中进行的 必须考虑徐变引起应力松弛 从而大幅度降低弹性应力 钢筋混凝土结构的收缩影响 混凝土收缩可以用收缩当量温差来表示 收缩值

8、换算为当量温差 永远是负值 应力为拉应力 收缩当量温差与最不利温差叠加计算 混凝土结构的降温与收缩同时考虑时 混凝土结构将承受互相叠加的拉应力 作用效应增大 而当升温与收缩同时考虑时 则两者作用效应会互相抵消 作用效应减小 钢筋混凝土结构的徐变影响 简单的做法是将实际温差乘以应力松弛系数 作为计算温差 根据温差变化过程速度的缓慢程度不同 应力松弛系数可取值为0 3 0 5 温差变化过程速度快 应力松弛系数大 反之则小 2 吊车荷载的定义及分析 带吊车结构的分析 主要是合理考虑吊车的作用问题 吊车作为移动荷载 分析时应考虑移动的效应 吊车结构分析主要分为 1 吊车梁的分析 2 吊车移动对整体结构

9、的分析 TAT SATWE软件是分析第 2 项的内容 STS中可以分析钢吊车梁 程序分析吊车荷载的说明 在TAT和SATWE的吊车荷载计算中 没有考虑吊车荷载对吊车梁的影响 即没有按照影响线的方式考虑吊车梁 吊车梁应采用其它软件专门分析 软件要求根据吊车的形式 如对各种轨道 轮压点的吊车 给出最大轮压反力 或作用 及最小轮压反力 及作用 不论该吊车运行轨道上有几部吊车 均按这个方式给出 在一对轨道内的吊车荷载称为第1组吊车荷载 不论该对轨道内有几部吊车 第二对吊车轨道则可以定义第2组吊车荷载等等 吊车水平刹车力作用在上层的柱中间 吊车结构的计算模型 由于吊车荷载作用在吊车柱的牛腿上 所以在牛腿

10、处应该设置一个标准楼层 并且在沿吊车运行轨迹方向应定义框架梁 如吊车柱在吊车运行轨迹方向没有框架梁 也应把吊车梁作为两端铰接梁输入 吊车荷载的移动顺序是通过轨迹上的梁所确定的 这是吊车运行轨迹方向必须布置梁的原因 在吊车荷载作用的有牛腿的楼层应一般没有楼板 所以应考虑该层的节点为 弹性节点 即不受刚性楼板假定的制约 即使是多层工业厂房 在吊车柱的外边有楼板 也要按 弹性楼板 考虑 或者不考虑楼板的存在和作用 这样可以比较安全地求出水平刹车力对上下梁的影响 当吊车柱之间设有交叉支撑时 必须考虑支撑的作用 在吊车柱的设计中 可适当减少吊车柱在支撑布置方向的长度系数 注意 当这种结构产生了多个 弹性

11、节点 后 地震振型数就要增加 振型分析也应该采用 总刚模型 吊车荷载的计算 吊车荷载的作用点就是与吊车轨道平行的柱列各节点 它是根据吊车轨迹由程序自动求出 1 程序沿吊车轨迹自动对每跨加载吊车作用 2 求出每组吊车的加载作用节点 3 对每对节点作用4组外力 分别为 A 左点最大轮压 右点最小轮压 B 右点最大轮压 左点最小轮压 C 左 右点正横向水平刹车力 D 左 右点正纵向水平刹车力 4 对每组吊车的每次加载 求每根杆件的内力 5 分别按轮压力和刹车力 求每根柱的预组合力 预组合力的目标为 最大轴力 最大弯矩等 吊车内力的预组合目标 吊车柱预组合目标共14项 1 Vxmax 2 Vymax

12、3 Mxmax 4 Mxmax 5 Mymax 6 Mymax 7 Nmax Mxmax 8 Nmax Mxmax 9 Nmax Mymax 10 Nmax Mymax 11 Nmin Mxmax 12 Nmin Mxmax 13 Nmin Mymax 14 Nmin Mymax吊车荷载作用下梁的预组合目标为 1 Mmax T 2 Mmax T 3 Vmax N 预组合方式 1 吊车柱预组合分别有 只考虑轮压的预组合力 和 考虑轮压加刹车的预组合力 预组合1 是吊车的 轮压 刹车 内力组合 预组合2 是吊车的 轮压 内力组合 2 梁预组合也按照 只考虑轮压的预组合力 和 考虑轮压加刹车的预组合

13、力 这两种情况搜索出梁的包络内力 即为 预组合1 轮压 刹车包络内力 预组合2 轮压包络内力 吊车荷载结构的设计注意事项 1 地震分析时 没有计入吊车的桥架重和吊重 2 没有考虑吊车梁的作用 3 吊车柱的配筋 没有考虑排架的长度系数 因为吊车的桥架重和吊重是移动荷载 所以很难确定质量的位置 在地震分析中这部分的质量没有计入 则计算地震作用局部算小了 可以通过地震作用放大来弥补这个问题 对于吊车梁 当排架中间有框架梁 则应输入该框架梁 否则应把吊车梁按两端铰接梁定义 输入 在用TAT SATWE分析时 排架柱之间必须要有梁才能正确分析 排架柱的计算长度可以人工修正 因此在用软件设计中要注意以下几

14、点 1 对于重型吊车 排架结构应用PK计算 2 TAT SATWE适用于中 轻型的吊车分析 特别是多层结构中带吊车的结构形式 3 吊车分析以每对轴线为准 程序自动搜索每对轴线上的吊车柱 并成对作用 4 TAT SATWE只计算吊车柱 并生成柱的预组合力 5 吊车柱的配筋考虑了刹车 轮压 轮压的不同组合 6 吊车柱的长度系数应由用户自行修正 吊车荷载定义 吊车布置平面 吊车轨迹上必须有梁 吊车计算选择 吊车内力的图形输出选择菜单 柱预组合内力 柱预组合内力显示选择 梁吊车包络选择 格层吊车内力文本输出 吊车预组合内力的文本输出 3 特殊风荷载定义及分析 特殊风荷载主要用于多层钢结构 尤其在施工阶

15、段时 风对结构可能产生的吸力 对一些特殊的结构 如有大悬挑结构的广告牌 候车站 收费站 雨蓬 等等 在使用阶段风也会是向上 向下作用 特殊风定义于梁上 节点上 并用正 负荷载表示压力或吸力 节点上的特殊风可以是三个方向 XYZ 作用组成 特殊风荷载定义 4 特殊支座的定义及分析 特殊支座是特指 1 支座位移 如 沉降 转动等 对结构的影响 2 地基变形大 导致上部结构内力重分布 3 特殊要求的设计 隔震材料 指定方向的铰接等 特殊支座目前应用得较少 主要是应用面较窄 应用对象较少 多用于旧工程的改造 加固的复核验算 特殊支座定义 5 总结 正确理解特殊荷载 1 温度场的确定及稳定 软件的处理方式 2 吊车荷载的正确定义 软件的局限性 3 特殊风荷载的目的 软件的操作方式 4 特殊支座的用途和定义方式 特殊荷载的设计 组合控制 1 需要人工指定组合分项系数 2 可以对温度作用的结果适当折减 3 可以对带吊车结构的地震作用适当放大 4 特殊支座产生的荷载只作用于竖向荷载工况 对水平荷载作用不起作用 自定义组合选择 工况选择