钢构变形振动不超限，用着才舒服—正常使用极限状态

第六章 钢结构的正常使用极限状态

（讲课版·零基础易懂）

先把第六章和前面所有章节的核心区别，一句话钉死：

第三章至第五章，我们提及的皆是承载能力极限状态，其核心在于，结构是否会断裂，是否会坍塌，是否会失稳，这关乎安全生死。

第六章正常使用极限状态，核心在于，结构既不会坍塌，也不会断裂，然而是，变形过于巨大，摇晃极为厉害，振动感觉难受，使用起来并不方便，这关系到能否正常使用，是否舒适，以及是否耐用。

一个管“死活”，一个管“好用不好用”，这就是第六章的定位。

6.1 正常使用极限状态的特点

这一下，先为第六章确定基调，那就是：究竟什么才是正常使用极限状态，它究竟带着什么样的特性。

我们不用书本上的生硬定义，用大白话讲：

结构在正常的使用状况以及正常荷载情形下，其变形、振动、裂缝等各项指标，超出了规范所允许的范围，此即正常使用极限状态，尽管结构没有出现坍塌、损坏的情况，然而却已然无法正常使用了。

它有几个最关键的特点，一定要记住：

1. 不发生破坏、不倒塌，只是“不好用”

强度具备足够程度，稳定性也十足，钢材压根没有损坏，柱子没有弯曲，梁也没有断裂，只是变形程度偏大，振动幅度较大，这属于适用性方面的问题，并非安全方面的问题。

2. 荷载用标准值，不放大

当初在进行前面计算强度及稳定那个阶段的时候，所涉及的荷载需要去乘上1.3、1.5这样的系数，这样子做可是为了能够确保安全的哟。

于算正常使用之际，采用实际之、正常的荷载，不乘放大系数，缘因吾等所审看者乃日常使用的状态。

3. 核心是刚度、变形、振动，不是强度和稳定

先前我们予以关注的是“扛不扛得住”，而在这一章节之中，我们所关心的则是“变形大不大”，以及“晃不晃”，还有“抖不抖”。

4. 影响使用功能、外观、耐久性

比如说，梁的弯曲程度过大，屋面出现漏水现象，吊顶发生开裂；柱子过于纤细，一旦有风刮过就会摇晃；楼面产生振动，人走在上面会感到心慌；这些情形都是正常使用极限状态所需要管理的事项。

简单总结这一节：

正常运用极限状况，不论会不会坍塌，只关注是否好用、能否正常运用，所涉及的是变形、刚度以及振动。

6.2 拉杆、压杆的刚度要求

这一节讲：拉杆、压杆不光要强度够、稳定够，刚度也得够。

先讲一个最基础的概念：刚度。

刚度，就是构件抵抗变形的能力。

刚度大→不容易变形；刚度小→轻轻一拉一压就变形。

为什么拉杆、压杆要控制刚度？

不少人会这么认为：拉杆只要确保拉不断便可以，压杆只要做到不失稳便行了，为何还要去关注刚度？

我们看实际工程的道理：

1. 因为杆件过于细长，致使刚度极小，所以在安装之时呈现出弯弯曲曲的状况，进而导致施工面临困难，无法安装得笔直。

2. 受力之后变形太大，整个结构松松垮垮，看着就不安全；

3. 风一吹、吊车一开动，杆件晃来晃去，影响结构正常工作；

4. 刚度差的压杆，即便未失稳，然而会令稳定问题加剧，进而愈加容易弯曲。

怎么控制拉杆、压杆的刚度？

规范用容许长细比来控制，也就是：

λ ≤

- λ：杆件的实际长细比（越长越细，λ越大）

- ：规范规定的容许长细比，不能超过这个数

这里有个最关键的规律，一定要记住：

- 压杆的刚度要求比拉杆严得多

压杆要防失稳，还要防变形，所以容许长细比小，不能太细长；

- 拉杆的刚度要求松一点

拉杆只要不拉断，变形稍微大一点没事，容许长细比可以大一些。

再举个例子：

厂房之中存在的柱子，倘若呈现出又细且又长的这种状态，并且长细比超出了标准范围，即便其并未出现失稳的情况，也没有遭受压坏的现象，然而当有风吹过时却会产生晃动，处于其下面的人会心生害怕之感，同时设备也无法正常进行运作，这便属于刚度不符合要求的情形。

这一节总结：

既不能仅仅凭借强度和稳定之考量便看待拉杆、压杆，还得把控长细比，确保刚度充足，实现不变形、不晃荡。

6.3 受弯构件的变形限制

所说的受弯构件，也就是梁，这一节属于第六章，是最为实用的，是工程领域里最常被运用的一节，专门针对梁的变形进行管理。

梁出现的那种变形，其专业称呼叫做挠度，简要来讲就是，梁在遭受荷载力作用之时，它的中间部分向下弯曲了的程度，是多少呢。

为什么要限制梁的挠度（变形）？

我们讲最实在的原因，全是工程里的真问题：

1. 屋面梁弯太大，屋面漏水

屋面原本是存在排水坡度的，然而梁一旦弯曲，坡度就消失不见了，于是雨水便在屋顶聚集起来，进而直接导致漏雨的情况发生。

2. 楼面梁弯太大，人走上去晃，吊顶开裂

家里的楼板梁，弯的情况多了，天花板出现开裂现象，瓷砖发生脱落状况，门窗处于关不上的状态，办公室的楼板梁也是如此。

3. 吊车梁弯太大，吊车跑不直

厂房里的吊车梁，变形大了，吊车轨道歪，吊车没法正常运行；

4. 外观难看，让人觉得不安全

梁弯得明显，看着就像要坏，心理上不舒服。

怎么限制变形？

规范给了挠度限值，用梁跨度的几分之一来表示，比如：

- 楼盖主梁：挠度 ≤ 跨度的 1/250

- 屋面梁：挠度 ≤ 跨度的 1/200

- 吊车梁：限值更严，要更小

关键知识点

算梁的挠度时：

1. 用标准荷载，不乘1.3、1.5的系数；

2. 只算正常使用下的变形，不算安全系数；

3. 变形超出了标准范围，解决难题的办法仅有一个，那就是增大截面尺寸，提升结构的刚度，例如更换更为大型的 H 型钢，而不能依靠提升钢材的强度与否来处理呀。

这一节一句话记住：

梁不能弯太大，弯大了漏水、开裂、晃悠，按跨度比例限制挠度。

6.4 钢结构的变形限制

这一部分属于整体结构的那种变形方面的限制，并非是单个的构件，而是对于整个框架而言，是整个厂房的情况，是整个结构所产生的变形。

单个构件变形我们管了，整个结构歪了、移了，也要管。

主要限制什么变形？

1. 框架的层间位移

针对多层框架而言，每层都存在柱子，当处于风荷载以及水平力作用的情况下，一层与一层之间错开的那段距离，它被称作层间位移。

限值一般是层高的几百分之一，位移太大，隔墙开裂、管道拉断。

2. 排架柱的柱顶位移

处在单层厂房里的排架柱，在风荷载施加作用时，以及吊车力产生作用时，其柱顶朝着旁边移动过去的距离。

位移太大，吊车卡轨、门窗变形、屋面开裂。

3. 整体结构的侧移

整个结构往旁边歪太多，影响使用和耐久性。

核心逻辑

变形，单个构件的得管，整个结构的变形也要管，整体变形一旦超标，即便每个构件都合格，结构也无法正常使用。

要是像高层框架那样，每层都稍微晃那么几下，然后把这些每层的晃动加起来，致使整个楼歪得特别明显可见没法再正常使用电梯，这就是整体变形超标啦。

这一节总结：

仅仅关注钢结构里单个梁的形变还不够，单个柱的变形情况也是需要留意的，整个结构的侧转移位状况更是要把控，只有多种情况都兼顾，才能确保整体不会出现变形，不会产生歪斜情况。

6.5 振动的限制

在最后那一节里，所讲的是关于振动方面的情况，这可是钢结构所独有的一个问题，为啥这么说，是因为钢结构它自身重量比较轻，而且刚度相对而言是比较小的，所以比起混凝土结构来，更容易出现振动这么一种状况。

为什么要限制振动？

1. 人体舒适度

这人行天桥，办公楼的楼面，商场的楼板，当人走上去，跑起来的时候，振动是特别大的，如此状况下，人会出现头晕，心慌，身体不舒服的情况，而这就叫做舒适度不满足。

2. 设备正常运行

厂房当中存在精密仪器，还有机床以及吊车，要是振动变得很大，那么设备的精度就会不足，进而出现加工废品的情况，并且会引发运行故障。

3. 振动加剧结构损坏

长时间持续反复地振动，会致使螺栓出现松动的情况，会使得焊缝产生开裂的现象，会造成构件形成疲劳的状况，进而影响到结构的耐久性。

限制什么？

规范主要限制两个东西：

1. 振动频率

避免和人的脚步、设备频率一样，产生共振，越振越厉害；

2. 振动振幅

振动的幅度不能太大，大了人就难受。

典型场景

- 人行天桥：人走上去不能晃得厉害；

- 住宅、办公楼楼面：不能有明显振感；

- 工业厂房：精密设备区域，振动要严格控制。

这一节一句话：

钢结构质地轻，极易产生振动，需对频率以及振幅加以限制，以此确保人能感觉舒适，设备能够正常运行，结构不会出现松动现象。

第六章 终极大白话总结

1. 前面章节管塌不塌，第六章管好不好用；

2. 拉杆、压杆靠控制长细比保证刚度，不晃、不变形；

3. 梁靠限制挠度，不弯、不漏雨、不开裂；

4. 整体结构要限制侧移、位移，不歪斜、不损坏；

5. 钢结构要限制振动，保证人舒服、设备正常。