鋼結(jié)構(gòu)工作特性約束作用

在結(jié)構(gòu)體系中或連接節(jié)點(diǎn)中，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件之間，構(gòu)件或板件之間，因相互連接不能自由變形而形成的相互牽制作用稱為約束作用，約束的強(qiáng)弱程度稱為約束度。約束作用可分為結(jié)構(gòu)承載時，因內(nèi)力引起的節(jié)點(diǎn)內(nèi)約束作用與溫差引起的結(jié)構(gòu)間或節(jié)點(diǎn)內(nèi)的約束作用。

前者是為了組成不同類型結(jié)構(gòu)，由設(shè)計者預(yù)設(shè)不同的約束度，亦即不同程度嵌固作用的鉸接、剛接、半剛接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，組成鉸接排架與框架等；后者則是設(shè)計者非預(yù)期的，不利于結(jié)構(gòu)承載的約束作用，如縱向柱列對溫差自由變形的約束，會對柱產(chǎn)生附加內(nèi)力；節(jié)點(diǎn)焊接部位因焊接構(gòu)造不合理而約束度過大時，會引起焊接板件的裂損。設(shè)計與施工時，應(yīng)采取措施，避免或減少此類約束的不利影響。

1. 節(jié)點(diǎn)內(nèi)力的約束作用

建筑結(jié)構(gòu)有各種組合形式，其節(jié)點(diǎn)內(nèi)力的約束作用也因此而有許多種。如單層廠房的橫向框架，梁與柱的連接是剛性節(jié)點(diǎn)，廠房柱是屋面梁的約束，屋面梁在外力作用下的變形受到柱的約束，屋面梁使柱子產(chǎn)生彈性側(cè)移，柱子對屋面梁給予彈性壓縮，使屋面梁的變形減少。這就形成了柱與梁之間的約束作用。又如橫向框架中柱腳被基礎(chǔ)完全約束，柱在外力作用下不能轉(zhuǎn)動只產(chǎn)生約束力。結(jié)構(gòu)工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計中可利用約束作用保證構(gòu)件的嵌固和傳力作用以及減少結(jié)構(gòu)變形。

2. 溫度影響約束作用

溫度影響約束作用的性質(zhì)與一般的荷載不同，不能硬“抗＂，只能適當(dāng)采用“放”的辦法，只要讓結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接具有適當(dāng)伸縮能力，溫度影響的約束作用就可大幅減少。以單層鋼結(jié)構(gòu)廠房為例，當(dāng)廠房縱向長度超過《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50017—2017 規(guī)定的縱向溫度區(qū)段長度時應(yīng)設(shè)橫向溫度縫，在溫度縫兩側(cè)設(shè)雙柱，在縱向溫度區(qū)段內(nèi)根據(jù)傳力需要設(shè)置一至二道柱間支撐，通過支撐的彈性嵌固約束作用，即可保證廠房骨架的整體穩(wěn)定和縱向剛度并給柱基礎(chǔ)傳遞縱向水平力（風(fēng)力、吊車縱向剎車力、縱向地震力）。

至于廠房橫向?qū)挾容^大時，亦宜考慮用“放”的辦法，解決溫度影響的約束作用。即在邊列采用柔性柱（上部柱的截面寬度減小，屋架與柱鉸接）的辦法來解決，盡量避免設(shè)橫向溫度縫。

結(jié)構(gòu)工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以利用“放”的辦法解決建筑鋼結(jié)構(gòu)平面布置超長超寬溫度影響約束作用。

鋼構(gòu)件在焊接后產(chǎn)生殘余變形和殘余應(yīng)力，這是不可避免的客觀規(guī)律，對于剛度較大、板件厚的構(gòu)件，焊后產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)荷載作用時內(nèi)力在重分布過程中往往導(dǎo)致塑性變形區(qū)擴(kuò)大，局部材料塑性下降，對結(jié)構(gòu)承受動載和二向應(yīng)力狀態(tài)下有不利影響。

因此，對于一些截面大，板件厚、節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、約束度大，鋼材強(qiáng)度級別高的重要結(jié)構(gòu)在施焊過程中應(yīng)采取降低約束作用的措施，降低應(yīng)力峰值并使其均勻分布。