注册结构师继续教育讲稿-钢结构设计

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1、一、安全度 1、网（壳）架高次超静是否比平面结构可靠度高 一般概念网（壳）架高次超静定要比平面结构更可靠，从美国哈特福特 10992m 网架倒塌后，有 的认为网架会连锁破坏，多次超静定优点发挥不出、国内也有试验做出来，一根杆件坏了另外一根 跟着坏，问题是试验本身不符合实际，根据 Mero 规程，第一根杆坏了，第二根杆再坏时安全度 K=1 即行了，是体系可靠度，而试验的安全度完全靠加荷载，第一根坏了，第二根荷载无法降低， 安全度不降当然跟着坏，所以网（壳）架的高次超静定安全度仍然比平面结构大，当然也不能忽略 优化满应力的缺点。有的规定提出网架相邻杆件断面只能相差 12 级，以防连锁破坏。如按上述

2、 意见，将出现大面积人工调整，尤其附近腹杆将加大很多，是不合理的，从以上分析，也无必要。 如一根杆件断了，力也是向左右平行杆件重分布，由于断一根后，附近杆件安全度可降低，左右平 行杆件能承受，而附近腹杆也不需加大。 自然界万物结构都是遵循力学原则的，有些更是高度完善的“建筑构件” ，空间结构即来源于自然 界，外形处理这一新的课题被提出来作为人类吸收自然界有用的建筑形式。但自然界结构的用料节 约、技术高明是人类望尘莫及的。如鸡蛋壳是最完好的壳体，其厚度仅为直径的 1/120；而蜘蛛网 的强度相当于钢材的十几倍，并且施工简单，一道工序（蜘蛛爬过）吐丝结网即成完整的整体，而 人类只能先生产原料再生产

3、杆件，最后还要拼装。 2、我国规范的可靠度设计与过去方法有何不同 过去最早是定值法，凭经验设定一个安全度，不够科学。第一水准即前苏联的三系数法是半理论半 概率，超载系数、匀质系数、工作条件系数。三系数法是一大进步，缺点是荷载材料分别用概率统 计，没有根据不同结构、不同构件重要性加以区别，工作条件系数也不科学。第二水准是现在用的 近似概率法一次二阶矩法，即以 50 年内不大修的失效概率为基准，事物没有绝对安全的，均 有失效概率。现失效概率约十万分之一是人可以接收的程度，如打针、游泳等。但使用概率很难， 如钢材过去废品限值 240，是工厂验收标准，与概率无关。现用保证率 97.8的 235，二者接

4、近是 一种巧合。自重可以以概率统计，但标准差很小，所以用了平均值。风载用 50 年一遇的 10 分钟平 均值即过去经验，不是概率。第三水准即全概率根本做不到很多人为主观的因素是无法统计的。目 前国外很多规范未采用可靠度设计方法，他们认为安全需要考虑的不确定性非常复杂不是统计数学 以概率可以描述和处理的，并可能造成概念上的混乱，虚拟失效概率会造成不可揣摩和模糊不清， 不如安全度直观。 3、为何吃透规范灵活处理是保证质量经济合理的关键 我国规范条文多达 15 万条，实在太多，现又提出“黑体字”条文，一般条文不遵守只要不出问题 就不惩罚，黑体字违反了即使不出问题也要惩罚，不允许违反。国外规范指南性多

5、，设计余地较大， 我国较为强制；国外规范经常修改补充，我国五年十年才修订一次。因此规范是双刃剑，既规范了 行业的行为准则，也限制了技术发展。虽然近年我国规范进步很大，尤其网（壳）架规程是全世界 唯一的专门规程，但我们也不应不敢越雷池一步，应该在吃透规范的基础上在实践探索中前进，设 计应走在规范的前面。 4、规范规程：GB国标强制 GB/T推荐（主要用于材料）行业标准：JGJ建设部 YB冶金部标准化协会：CECS地区性：DB 代表上海 二、荷载 1、自重分项系数为何分 1.2 和 1.35? 分项系数用 1.35 是在恒载控制时，如用 1.2 则安全度会比活载占控制时低，因此 1.35 是弥补安

6、全 度。 2、活载要不要取不利位置 平板网架不必要，历来都未考虑；一些对不对称荷载较敏感的结构(如拱筒壳等)需要考虑。 3、附加荷载何时需按集中荷载考虑。 超过 25kg/m2 的附加荷载需考虑有无集中荷载，25kg 重的空调机在檩条计算时即需按集中荷载。 4、我国要不要考虑龙卷风 龙卷风范围小时间短破坏惊人，我国龙卷风少只好不考虑。 5、我国风载是否比国外小很多我国目前按 10 分钟，美国按 30-40 秒两者差 1.5，但美国允许风载时应力提高 1.33，这样 1.55/1.33=1.1, 美国风载比我国只大 1.1 倍。我国安全度偏低 K1.411.45,小于英美的 1.67。 6、横向

7、效应在什么情况下考虑 风力一般只考虑顺风力，我国的风压、阵风、风振都仅考虑顺风力，而由于风的涡旋引起弯与扭的 耦合振动，如驰振、颤振等有动力失稳时才考虑横向风，桥梁较多考虑。 7、风的体型系数一般的高度小于 18m，檐口高度小于房屋最小尺寸即可按门架规程的体型系数、 而有的以 L / H 4 为分界，这是以设计中哪本规范受力大即用哪本规范，是不合理的。因为 18M 为界的两本规范依据试验不同数据，是分别使用，并不需要两者兼顾。美国即明确规定 18 米以下 采用 MBMA，18 米以上采用 UBC。 8、门架规程的风体型系数与荷载规范相比对门架有何影响 二本规范的差别门架规范向上风大，而荷载规范

8、水平风大，结果是门架规程编安全。 9、门架规程风载为何要乘 1.05 国外一般低矮房屋在海岸线时应乘以 1.1，而我国却笼统的都乘以 1.05。 10、部分开敞与开敞建筑如何判定 部分开敞即一面墙开口超过其余墙面和屋面开口面积的总和，并大于该墙面面积的 5%，在开口大 时其内部风力也应加大为+0.6 -0.3，开敞建筑开口超过墙面面积的 50%. 11、端部门架如何算风力 当端部风载加大区域小于柱距时，端部门架也应按风力加大考虑。 12、门架坡度10%能否用门架规程风体型系数门架规程的风体型系数是考虑坡度10%，如果超 过 10%，门架体型系数应加大 10%。 13、航空航天的风洞试验能否用于

9、建筑 过去风洞试验都用航空航天的试验设备、但建筑在地面高度 600m 以内的边界层风速是改变的与航 空航天高空不同，风速变化将引起气流流动及风压值改变，对于有尖角的建筑如平顶房屋即一般厂 房，其气流层的分离点与在尖角处，风速变化影响小、而曲面结构其气流风速在变引起气流分离， 其分离 S 是变化的，因此，曲面应采用风速变化的风洞试验，而平屋顶可以勉强用航天航空风洞试 验。 14、CFD（计算流体力学）能否代替风洞试验 CFD 的测量系统不会对流体产生干扰，可以避免风洞试 验缩尺而带来的相似的问题，对于流动参数选择有灵活性， 价格也便宜，航空航天方面已使用很成熟，土建刚起步， 对于有湍流分离等复杂

10、问题还会有一定问题，但风洞试验 也存在更多问题，因此可以代替风洞试验。 15、筒壳，球壳等风体型系数各国规范出入较大该如何办。 筒壳目前我国规范与澳、美及前苏联都比较接近，由于风荷的复杂性与风洞试验的不完善，因此出 入是正常的，目前的澳美前苏联比较安全，如果有体型相似的风洞试验也应多做一些验算。弯顶即 球壳目前我国规范可以用最好也按英国荷载手册再验算（可参考网壳设计书，尹德钰、刘善维、钱 若军、中国建筑工业出版社） 16、围护结构是否要考虑阵风 阵风是瞬时风，一般加大 2 倍，瞬时下塑性材料的钢材应力可以提高，因此阵风下钢材是安全的不 需考虑阵风系数，而玻璃是脆性材料就不能提高应力必须考虑阵风

11、，如果钢的围护结构考虑了阵风， 就在可能大风时不是吹掀围护结构而会危及主体结构反而不利，当然加强围护结构的连接和螺栓是 需要的。 要注意的是门式刚架规程说明中提到考虑“阵风系数”是不对的，这是按美国 MBMA，而 MBMA 说明中提出“阵风反应考虑了渐进风中的紊流和在风路中房屋及结构引起的风流型式应遮断后产生 的后果造成的紊流” ，MBMA 提出已考虑阵风系数是对的，因为即考虑了紊流，更主要的是美国风 载按了秒，基本上已是瞬时风速，因为测量原因，瞬时风速也只能是 2 秒的风，而门式刚架仅考虑 了很少部分阵风中紊流，而大部分阵风由于我国风载是 10 分钟平均风速，因此与瞬时风压差别在 （1.5）

12、2 2.25，因此绝不能说已考虑了阵风。 17、风振系数怎样计算 风与稳定风与脉动风，体型系数是假定结构是刚性的，因此就考虑稳定风，实际上结构并非刚性的， 风是非定常，在有一定柔性的结构上会引起风力改变，风力又将引起结构变形和振幅的加大，造成某些共振，也即是风振，大跨度屋盖现要求考虑风振，但并无统一算法，设计很是为难，计算又比 较复杂，根据北京市设计院分析 24216088m 网架风振系数为 1.2 同济大学对 200m 长挑看台, 其路中悬臂头风振系数也仅 1.9,因为挑蓬的柔度要大跨屋盖大得多,因此目前大跨屋盖暂时考虑最大 点风振系数 1.5,并按挠度曲线求出推应的风振系数是可以作为验算参

13、数。风荷载谱常用 DEVENPORT 谱，功率谱是谱域，只能用于线性，要转化为时域谱，才能用于非线性，需要用 FIFT 程序快速傅立叶变换、广义积分再频域分析。北京院根据随机振动理论再积分也可计算，浙 江大学罗尧治教授和北京院甘明研究员已分别编制出计算程序。 18、筒壳敞开二端时风荷如何取 目前规范没有这样数据，但可以想象风从筒壳内经过时必然将 屋盖向下吸。现根据罗尧治教授做的鸭河口 108m 筒壳风洞试验是 考虑了二端开口时，风与平行于筒壳线 150 风向下压的数据可作参 考，由于煤不可能堆满，因此有煤堆与无煤堆没有差别。 19、屋面上雪载与地面雪载哪个大 屋面由於风会吹去一部分雪，厚度比地

14、面小但由于雪熔化后吸 收在积雪的海绵体内使密度加大，最终国外一般取屋面雪载=0.7 地 面雪载而我国则采用雪载分布系数反映屋面雪载，美国采暖房屋为 1.0，非采暖则乘以 1.2，我国则未加区别。 20、筒壳等网壳雪堆如何考虑 雪载资料目前比风载少，而且也无法做类似的风洞试验，尢其 不均匀的雪载影响难以判断目前筒壳的雪载取值我国与前苏联比较 接近，可以采用，也反映了雪堆，球壳我国没有规范目前只有英国瑟雷大学的（可见网壳设计书） 所以对于雪载大的地区雪堆应引起注意，最近北京航站楼是一个扁平的壳，同济大学利用两相流理 论，模拟风载对雪漂作用、雪堆达到 1.2-1.5。三、稳定 1、稳定为何复杂 稳定

15、是“混沌”问题比随机模糊都要复杂，欧拉公式至今已 236 年，但在稳定理论方面进展不大； 随机问题可用概率法来解决，事先不知、事后可知；模糊问题属于有些说不清问题，属于经验的问 题如专家系统等可以用模糊数学解决。但混沌问题理论较深缺乏数理资料，当前还无法解决，混沌 的特点非线性，解的多样性、初始值敏感，因此振动，地震均是混沌。 2、第二类失稳是否是强度问题 从现象看似乎是强度问题，但应是稳定问题，强度与稳定的区分：强度是载面承载力而稳定是杆件 整体承载力问题伴随大变形，过去规范用 = N/A 是混淆概念，将稳定表达为强度，现已改进。 3、二阶效应与非线性分析有什么区别 二者本质一样，都是由变形

16、后的轴线来求得平衡条件，但二者在要概念上有区别：非线性分析有几 何非线性与物理非线性之分，二阶仅对一阶而只有几何非线性。对于柔性结构根本就没有一阶二阶 之分就是非线性。 4、计算长度与非线性关系 计算长度是在一阶基础上考虑变形引起的附加弯矩，是近似的非线性分析，如悬臂柱计算长度 L。=2L 也就是悬臂柱所产生的附加弯矩与一个跨度 2L 的筒支柱的附加弯矩等效，以每筒的附加弯 矩作为标准，计算长度是近似的，如一个悬臂柱设计数 L。=2L，但在图 5 情况下左柱上下 2 个铰 要倾倒，必须由右柱加以支持，精确计算右柱 L0=2.69h，一个框架再加一个摇摆柱，要保证其不失 稳必然靠框架支撑，因此按一般规范可给的框架计算长度即不对，应该 , n=P3/(P1+P2)，而一般框架计算长度 1.25，1.5 也是考虑群柱作用即各柱互相支持的问 题，如悬臂柱有水平力时其计算长度即如图 6：其合力延长线与曲线交点才是计算长度这些情况无 法一一反映，因此计算长度是近似的。5、网壳稳定是混沌问题，为何稳定问题无法解决 沈土钊院士陈昕教授最大的