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摘要：長細(xì)比是鋼結(jié)構(gòu)（詞條“鋼結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算的重要參數(shù)，而計(jì)算長度的確定則是構(gòu)件（詞條“構(gòu)件”由行業(yè)大百科提供）分析的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文在介紹長細(xì)比的力學(xué)意義，列舉標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)體系(包括軸力體系、彎矩體系)中計(jì)算長度的規(guī)定，討論在幕墻結(jié)構(gòu)常用的非標(biāo)力學(xué)體系中計(jì)算長度確定的方法，以解決實(shí)際項(xiàng)目中結(jié)構(gòu)安全和幕墻效果的相互平衡。并以魚腹式桁架弦桿的長細(xì)比的確定為例，介紹了此類非標(biāo)桿件計(jì)算長度的確定方法，為計(jì)算幕墻非標(biāo)結(jié)構(gòu)件計(jì)算長度提供借鑒方法。
關(guān)鍵詞：幕墻非標(biāo)結(jié)構(gòu)件;歐拉臨界力;計(jì)算長度;魚腹桁架
1、引言
深圳某項(xiàng)目塔樓頂部因建筑效果的需要，采用大分格玻璃以實(shí)現(xiàn)通透大氣的立面效果，采用魚腹式桁架作為主要受力構(gòu)件。桁架跨度高達(dá)18.1m，其間距為5.6m，如圖1所示，受力構(gòu)件看面投影寬度僅200mm，具有極好的視覺效果，然而為達(dá)到簡潔的建筑效果，建筑師不同意室內(nèi)側(cè)彎弧弦桿設(shè)置隅撐，其平面（詞條“平面”由行業(yè)大百科提供）外支撐只有上下各一道，直接套用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]GB5007-2017計(jì)算長度取18.1m，無法滿足現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于長細(xì)比限值要求。
在幕墻結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常出現(xiàn)類似魚腹桁架這類非標(biāo)力學(xué)體系，而幕墻規(guī)范多參照結(jié)構(gòu)規(guī)范，很多工程師在設(shè)計(jì)中很少考慮長細(xì)比這一參數(shù)。本文以魚腹式桁架為例，探討長細(xì)比及計(jì)算長度的取值，研究設(shè)計(jì)的合規(guī)性，為幕墻非標(biāo)結(jié)構(gòu)件中計(jì)算長度的計(jì)算提供借鑒方法。
2、長細(xì)比及計(jì)算長度的力學(xué)含義
細(xì)長型壓桿的失效模式通常表現(xiàn)為屈曲失穩(wěn)，即達(dá)到臨界壓力時(shí)壓桿受輕微側(cè)向干擾便不能恢復(fù)到原狀態(tài);而短粗型壓桿的失效模式通常表現(xiàn)為材料強(qiáng)度失效，即材料壓潰。為防止壓桿失穩(wěn)，工程師使用長細(xì)比的概念來研究其屬性、幾何形狀和預(yù)期失效行為。結(jié)合以上力學(xué)知識(shí)，我們可以將長細(xì)比視為研究壓桿屈曲失穩(wěn)的幾何剛度，即用以度量壓桿長細(xì)程度、區(qū)分長短柱的工具，用數(shù)學(xué)公式可以表達(dá)為 。細(xì)長型壓桿屈曲失穩(wěn)模態(tài)遵循正弦波，其波形取決于其邊界條件。根據(jù)支撐類型和負(fù)載條件，壓桿的計(jì)算長度有所不同。基于各類支撐條件，理想壓桿的屈曲模態(tài)如圖2所示，其邊界條件的自由度要么為零(即自由)，要么為無限剛度，然而在實(shí)際工程中，多為介于兩者之間，即彈性約束。故實(shí)際工程中構(gòu)件計(jì)算長度的確定要復(fù)雜得多。
3、各規(guī)范中長細(xì)比及計(jì)算長度的相關(guān)規(guī)定
3.1《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB5007-2017第8.3節(jié)規(guī)定了框架柱（詞條“框架柱”由行業(yè)大百科提供）的計(jì)算長度。其中。第8.3.5條規(guī)定：框架柱在框架平面外的計(jì)算長度可取面外支撐點(diǎn)之間的距離。
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB5007-2017第7.4.6條規(guī)定：軸心受壓構(gòu)件的長細(xì)比不宜超過表1規(guī)定的容許值，但當(dāng)桿件內(nèi)力（詞條“內(nèi)力”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計(jì)值不大于承載力的50%時(shí)，容許長細(xì)比值取200。
3.2《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（詞條“網(wǎng)格結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）技術(shù)規(guī)程》[2]相關(guān)規(guī)定
《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010第5.1.2條規(guī)定了不同桿件的計(jì)算長度，見表2;第5.1.3條規(guī)定了桿件的長細(xì)比限值，見表3。
3.3《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》[3]相關(guān)規(guī)定
《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003第6.3.9條規(guī)定：承受軸壓力和彎矩作用的立柱，其長細(xì)比不宜大于150。
4、計(jì)算長度的概念及理論計(jì)算方法
4.3 考慮桁架腹桿與弦桿鉸接的算例
4.4考慮桁架腹桿鋼接的算例
5、總結(jié)
在校核長細(xì)比的合規(guī)性時(shí)，受限于桿件截面大小，桿件的長細(xì)比通常取決于計(jì)算長度，而計(jì)算長度主要取決節(jié)點(diǎn)形式與桿件的受力狀況。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，架弦桿平面外計(jì)算長度取側(cè)向支撐長度，主要原因是桁架腹桿采用鉸接，偏于安全。然而如果采用鋼接節(jié)點(diǎn)，桁架腹桿可視為弦桿的約束，從而避免弦桿屈曲，減小計(jì)算長度。
分析3個(gè)算例，可以得出以下結(jié)論：
①弦桿和腹桿鋼接的屈曲臨界力遠(yuǎn)大于弦桿與腹桿鉸接的屈曲臨界力，其主要原因是鋼接節(jié)點(diǎn)能為弦桿提供側(cè)向約束，提高了弦桿剛度，使得弦桿不容易屈曲。
②無論弦桿和腹桿是否鋼接，無側(cè)向支撐弦桿計(jì)算長度均大于另一弦桿側(cè)向支撐間距，但當(dāng)弦桿與腹桿節(jié)點(diǎn)剛度較大、腹桿剛度較大時(shí)，其無側(cè)向支撐弦桿計(jì)算長度越小，并且另一弦桿側(cè)向支撐間距。
③魚腹桁架平面外計(jì)算長度，不等于自身側(cè)向支撐點(diǎn)的間距，直接套用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB5007-2017偏于保守。
如果考慮腹桿與弦桿鋼接，且腹桿能提供弦桿足夠的約束作用，桿件的計(jì)算長度可以大大減小。因此，在實(shí)際工程項(xiàng)目中，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目進(jìn)行具體分析。
參考文獻(xiàn)
[1] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):GB 50017-2017[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2017
[2] 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ 7-2010[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010
[3] 玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范:JGJ 102-2003[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003
作者單位：浙江中南建設(shè)集團(tuán)有限公司
