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摘要:钢结构作为常规土木工程中经常使用的材料,具有非常多的优点,例如:材料各向同性,更符合材料力学的假定,强度高,轻质,延性好,利于抗震等特点。并且现今社会越来越多的结构使用钢结构建造,大跨度,异形结构等,相对于传统的混凝土更具有很多大优势,现今中国现人工成本高,制造成本高,运输成本高等情况,必将持续推动钢结构的蓬勃发展。
关键词:钢结构;节点设计
钢结构连接的介绍
钢结构由于不像钢筋混凝土那样可以现场绑扎钢筋,所以对于节点设计会有更高的要求,而且是钢结构设计的一个难点,因为首先要有以下几点:
1.符合结构力学的受力假定,有理论基础,足够支撑你的力学假定。
2.有足够安全的实验数据,例如螺栓的性能的测试,表面处理等。
3.符合经验的构造要求,经常会需要考虑构造要求。例如:螺栓的边距,栓距等,这些是非常重要的要求,只是计算通过,构造不满足也是不合格的设计。
4.可实施,就算有好的节点构造和创意,无法实施实践也是不可行的,所以还需要考虑加工情况和现场可施工情况。例如:焊接所需要最小施焊间距,大量的对结构产生的变形等因素。
所以对于钢结构的节点设计并不是一个简单的工作,相对于结构设计本身也需要考虑更多的因素。
由于钢结构节点的重要性,有时要求连接节点的承载力大于或者等于其所连接构件的承载力。
常见的钢结构连接节点有刚接节点和铰接节点。刚节点能够同时承受并传递弯矩、剪力、和轴力,如钢框架结构中的一些梁柱连接、构件中的拼接节点等。而钢结构中的铰接节点,理论上认为只能承受并传递轴力和剪力,不能承受或传递弯矩,如一些梁柱铰接节点、桁架和网架的连接节点等。实际上,多数铰接节点并不是完全不能承受或者传递弯矩,只是节点的抗弯刚度相对较小,弯矩作用不会对结构强度、稳定和刚度产生太多不利的影响,分析时,按照铰接处理可以简化计算。铰接假设是工程实际的一种常用手段,这也是结构设计必须要掌握的一种方法。
按照连接方式分类,在钢结构连接节点中有螺栓连接、焊接连接和铆钉连接。其中铆钉连接虽然韧性和塑性较好,但是施工复杂,现在已经很少使用,现阶段大部分使用的都是焊接和高强螺栓连接。
根据现场实际情况的应用不同,我们选择的连接处理的方式可能也会有所差别,其中焊接连接有三种焊缝质量等级,一级焊缝要做100%焊缝长度探伤检测,二级焊缝要做20%焊缝长度,三级焊缝不需要做探伤检测,但是需要达到外观要求,常规钢结构连接节点如果是现在焊接连接,一般都需要做一级焊缝,由于现场施工条件差,有时候还要高空作业
所以很难保证焊缝质量,如果现场焊接作业焊接质量不好,将无法通过探伤检测,会造成现场多次需要重新清除原焊缝后再次焊接,严重的可能会报废整根构件,造成很大的经济损失,而且整体影响也很差,应力集中、不均匀更加明显,不利于节点受力,所以应尽力减少现场焊接,多做螺栓拼接连接。实在没有办法的情况下再考虑现场焊接连接,但是如果螺栓布置过多,开孔过大,会对整个型钢截面有很大的削弱,所以设计时需要复核型钢的净截面,一般来说螺栓孔削弱面积不应高于截面面积的85%,如果使用现场螺栓拼接对型钢整体加工精度要求高,包括螺栓孔,型材垂直度,整体偏差等,很多情况是现场由于吊装变形、运输变形、孔精度不够等情况导致现场无法安装,那时候就需要扩孔或者补强焊接。但是这些程序都需要得到业主和监理的批准才可以使用,所以有时候会消耗大量的沟通和协调的时间,而且还可能面临索赔。
但是使用螺栓连接,以以往的经验来判断,大多数钢结构的斜撑构件在现场都是无法安装的,斜撑构件一般安装滞后,在梁,柱,楼板等构件安装完成后才进行安装,造成前期所有累计的误差全部在最后体现,而且原国标GB50017对于高强螺栓是不允许现场焊接和使用长孔和槽孔,螺栓群整体精度不够,没有调节余量,所以很多业主或者施工单位为了保证精度,会在工厂进行预拼装控制整体的公差和精度,但是这也会增加整体费用。不过,新的钢结构标准允许高强螺栓开长孔和槽孔,整体以后会对采用高强螺栓节点的钢结构精度有了调节的余量,使结构更便捷的安装。
节点设计的一些要点
我们在做节点设计前需要有一些概念要非常清晰,有很多关键点需要考虑,由于结构设计属于半理论半经验的设计,所以概念设计在整个设计思路中非常重要。我们要做节点设计前需要了解一下几点概念:
1.节点设计应满足承载力极限状态,放置节点因强度破坏、局部失稳、变形过大、连接开裂等引起节点失效。
2.节点构造应符合结构设计的假定,节点传力途径明确可靠,减少应力集中。当节点偏心橡胶时,尚应考虑局部弯矩的影响。
3.非抗震设计时,按弹性受力阶段设计,节点设计一般按照满足杆件内里设计值的要求即可。
4.抗震设计时,构件连接应遵循“强连接弱杆件”的概念设计原则,保证大震不倒。连接时候应符合等强设计。
5.构造复杂的重要节点应通过有限元分析确定承载力,并宜通过实验进行验证;
6.节点构造应尽可能简单,便于加工制作、运输、安装、维护、防止积水、积尘,并采取可靠的防腐和防火措施;设计时,首先要使节点具有良好的承载力,其次是施工方便与经济合理。
7.拼接节点应保证被连接构件有良好的连续性;
8.节点构造应避免采用约束度大和易使板件产生层状撕裂的连接方式。
应用实例
由于标准型材和运输长度,现场条件等问题的限制,需要将原本超长的构件进行分段,比如24米高的柱子,我们要分两段小于12m的构件,所以在实际情况中最长碰到最常见的节点,的就是柱与柱连接节点见(图1),所以计算此类型节点了解其设计原理。下面以常见的H型钢立柱的节点为例,阐述其常规的计算方法。
1)概述
此节点的类型为刚性连接,全部使用高强螺栓和夹板连接,由于H型钢腹板和翼板全部都被两侧夹板夹住,所以有非常好的连续性,一般在上下2部分型钢的接触点断开5mm~10mm的距离用于调节。
图1
2)设计条件
如图所示,假设钢结构防腐工艺为热镀锌处理,立柱为HW294x200x8x12的国标型钢。拼接节点处内力的设计值为Mx=50kN*m,轴心压力=100kN,剪力V=30kN,(内力有结构计算得出)。
3)解析
钢结构表面为热镀锌,假设按照常规摩擦性螺栓设计,建议使用高强螺栓。
螺栓强度为8.8S,螺栓直径为M20,预拉力P=155kn,见下表
1、单个螺栓承载力设计值
假设摩擦数=2,螺栓连接采用双夹板设置,相当于有2摩擦接触面。
为摩擦系数,在高强螺栓计算中要求接触面摩擦力,主要依靠摩擦力传力,其系数的大小与摩擦接触面有关,我国GB50017《钢结构设计规范》中并未明确规定热镀锌后的摩擦系数,但是可根据美国AISC附件1-1-2规定取μ=0.35。
所以一个高强螺栓受剪切的承载力设计值为:
=0.9x2x0.35x155=97.65kN
图2
2、受力状态的假定
假定弯矩完全由翼板承受,轴心压力按照面积比分别由翼板和腹板承受,剪力由腹板单独承受,此节点属于实用设计法(详见《钢结构连接节点设计手册》8.39中说明)
3、计算翼板螺栓个数
由于有了初步的螺栓选定,现在需要确定螺栓的个数。
首先根据计算一块翼板承受的轴心压力:
=100x(29.4x1.2)/71.05+5000/29.4=203.8Kn.
:翼板的截面面积,:HW294型钢截面面积,可以在手册中查询。
拼接单边所需要的螺栓个数:
=203.8/97.65=2.08个,
一般螺栓都是偶数对称布置,所以应选用4颗螺栓。
布置翼板螺栓,由于钢结构螺栓有构造要求,所以根据下表3-21将2颗螺栓布置在翼板,
应根据构造要求初步估计拼接夹板的尺寸,一般厚度不小于10mm,内侧夹板需要注意不要碰到型钢倒角。
4、计算翼板拼接板的尺寸
螺栓M20的螺栓可钻ф22的圆孔。
需要的净截面面积如下:
=(203.8x10)/215=9cm2
柱截面一块一翼板提供净截面面积:
=20x1.2-2x2.2x1.2=24-5.28=18.72cm2
所以,可。
翼板夹板选用2块厚度为10mm的钢板,其面积为
=(20x1.0-2x2.2x1.0)+(2x8x1.0-2x2.2x1.0)=27cm2>
所以翼板截面安全,满足要求。
5、计算腹板螺栓个数
轴心压力:=100x((27x0.8)/71.05)=30kN.
剪力:=30kN.
合力:=42kN.
没边拼接所需要的螺栓数目
=42/97.65=0.4颗
不到1颗,但是根据钢结构设计规范为了使连接可靠,每一杆件上的节点以及拼接接头的一段,永久性螺栓数不宜少于2颗。
6、腹板净截面尺寸
=27x0.8-2x2.2x0.8=18.8cm2
所选用拼接板为两块185x190,厚度为10mm,所提供的净截面面积为:
=2(27x0.8-2x2.2x0.8)=36.16cm2>
腹板拼接应力验算:
=(30x103)/36.16x102=8.29N/mm2正应力
=(30x103)/36.16x102=8.29N/mm2切应力
折算应力:
=11.72N/mm2<1.1f=1.1x215=236.5N/mm2
所以腹板截面设计安全,满足要求。
7、柱子整体截面强度的验算:
=2x18.72+18.8=56.24cm2
(20-2x2.2)x1.2x15.22x2+(1/12)x0.8x273-2x2.2x0.8x52=9874cm2
净截面模量
=671.7cm2
取塑性截面发展系数=1.05.代入
得1000/27+50x103/1.05x671=108N/mm2<f=215N/mm2柱子截面安全
腹板净截面面积=18.8cm2
剪切应力=30x103/18.8x102=15.9N/mm2<f=125N/mm2
所以整体截面安全,满足要求。
结论
根据上述例子,节点设计有以下几个问题需要注意:
1,节点设计。除了必要螺栓个数的计算,强度要满足规范要求外,螺栓孔削弱后型材的净截面面积有时候也起到控制作作用,腹板和翼板的厚度一般不应太薄。300mm以内厚度为8mm的钢板可以布置5~6颗M22的螺栓,200mm以内厚度为12mm的钢板可以4~5颗M22的螺栓。可以根据上述公式反向计算来预估需要的型钢钢板厚度。
2,当柱子开孔后,其截面得到削弱,相当出现了一个新型的截面,所以此截面的强度也需要重新复核。
3,计算单个摩擦型螺栓强度,其连接强度和表面的摩擦面系数有很大关系,如果我们把摩擦系数由0.35增到0.45,其承载力增加了20%,所以对于高强螺栓在没有办法满足要求布置所需螺栓数目的情况下,可以考虑改变其接触面的工艺处理,增加摩擦系数,减少螺栓数量。
4,以上计算方法属于常用节点计算方法,翼板只承受弯矩M,腹板承受剪力V和轴力N,腹板除了计算V和N合力满足要求外,还需要计算其产生的切应力和正应力两个方向的折算应力满足要求,大于屈服强度的1.1倍。
参考文献:
[1]钢结构设计手册.李和华、李星荣北京:中国建筑工业出版社1982
[2]中国刚接个论坛.机械工业设计第四设计研究院.人民交通出版社2012
[3](英)阿伦.海沃,弗兰克.韦尔第二版A.C.奥克希尔,铁轶译大连工业大学出版社.2004
[4]钢结构-原理与设计(第二版).姚谦夏志斌中国建筑工业出版社2011