钢结构设计浅谈
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作者: 张兴玉
摘 要对钢结构设计中的基本概念和要点做较全面的分析和探讨,以供参考。
关键词钢结构;构件;节点;设计
中图分类号TU391 文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)042-0090-01
0引言
和混凝土结构相比,钢结构自身重量轻, 工厂制作精度高,现场安装方便。加固改造方便,且拆卸后可回炉冶炼,基本没有难以处 理的垃圾,因此目前运用越来越广。但是钢结构重量轻,则截面单薄,稳定的问题就势必很突出;安装方便,则对连接节点和工厂制作提出了较高的要求。钢结构除了对构件的力学分析清楚以外,对零件的构成,构件的拼接也要有清楚地了解,尤其是目前一些大跨度的空间结构,有时节点的设计和施工,会牵涉到整个工程的成败。这就要求设计者对钢材的性能,对连接件(主要是焊条和螺栓)的性能及连接的节点等都要全面的掌握这样才能真正做好设计。
1基本构件计算
1.1受弯构件
1.1.1受弯构件的强度计算
实际上当受弯构件的截面外边缘的应力达到屈服应力时,并不表明此构件已经达到了承载能力的极限状态,还可以继续加载,它的承载能力的极限状态是全截面屈服,形成塑性铰,但此时构件的变形已达到无法使用的地步,显然,有限制的让截面扩大一些塑性范围是合理的,经济的做法。
1.1.2受弯构件的整体稳定计算
受弯构件发生侧向转动失稳的原因是受压的翼缘在没有侧向支撑的情况下,会象柱子一样发生向刚度较小的方向侧向弯曲,而受拉翼缘又要保持原状态,因此就会发生伴随着转动的侧向失稳,即弯扭屈曲。为了避免这种情况发生,最有效的办法是在梁的侧面设置支撑,平台板、走道板、制动板、次梁都可以,只要能阻止受压的翼缘侧向位移即可。还有一种办法就是增加上翼缘的侧向刚度,也就是增加上翼缘的宽度。
1.1.3受弯构件的局部稳定
在设计梁时,主要是考虑它承受弯矩,对于工字形截面,一般靠加大梁高和增加翼缘厚度来提高其抵抗弯矩的能力。腹板通常做得高而薄,这样才经济合理。但腹板高而薄,就可能产生屈曲。然而板的屈曲与柱不一样,柱一旦屈曲,就意味承载力已经达到极限状态,板在屈曲后,只要边部有约束,则荷载还可以继续增加,而且可以增加很多,这就是所谓板的屈曲后强度。但为了慎重起见,考虑利用板的屈曲后强度仅用于非直接承受动力荷载的组合梁。考虑利用板的屈曲后强度的梁一般不考虑纵向加劲肋,而且通常也不设置横向加劲肋,而是仅在支座处设置加劲肋。
1.2轴心受力构件和拉弯、压弯构件的计算
残余应力是影响钢压杆稳定的重要因素,同样长细比的杆件由于残余应力的分布和量值不同使其承载力出入很大,应力,象这种在没有外力作用下,截面产生的应力称作残余应力。翼缘越宽,两个区域的温差就会越大,则残余应力的峰值越大。 焊缝的残余应力产生的机理与此类似,不过焊缝处的金属处于熔融状态,它的热望性变形受到压缩以后,在收缩时要趋于缩得更短,因此受到的拉力要更大,有时焊缝处的残余应力会达到屈服点。对于双轴对称或极对称的杆件一般是以弯曲屈曲作为极限状态,因此要先求出两个方向的长细比进行比较,然后取大者来控制截面。
1.2.1弯扭屈曲与换算长细比
对于单轴对称的构件,在绕对称轴的屈曲时,其极限状态是弯扭屈曲,截面的选择是以弯扭屈曲来控制的。计算弯扭屈曲的方法是用换算长细比的方法。工程中常用到的槽钢,双角钢,T型钢,上下翼缘不等的工型截面都是单轴对称的构件,只要外力的合力在截面内不通过弯曲中心(又称为剪心),则杆件在弯曲时必然伴随着扭转。扭转与弯曲的耦合,使得临界荷载降低,弯扭屈曲的临界荷载Nyz既小于绕对称轴Y的弯曲临界荷载Ney,又小于纯扭转临界荷载Nz。双轴对称截面的形心与剪心是重合的,在弯曲时不会发生扭转。
1.2.2格构式轴心受压构件与换算长细比
在轴压力和弯矩比较大且柱子较高的情况,通常选用格构柱,即用缀件将两个或多个单柱连接成一体的组合柱。穿过单柱的形心轴为实轴,穿过缀件的形心轴为虚轴。格构柱在绕虚轴发生弯曲屈曲时,由于缀件的抗剪刚度比实腹柱的腹板要弱,剪切变形比较大,必须加以考虑。正是剪切变形的影响,使得格构柱的稳定承载力要低于实腹柱。也用放大了的长细比来考虑剪切变形的影响。格构柱与实腹柱的稳定计算相比,还有两点要加以考虑:①关于分肢的稳定,②剪力的计算。由于格构柱是用缀件将单个柱连接起来的组合柱,缀件之间的分肢的稳定也必须要加以考虑。用控制长细比的方法来保证分肢的失稳不先于整个柱的失稳。按理只要分肢的长细比不大于整个柱的长细比就可以了,但考虑到两个(或多个)柱的压力不可能绝对相等以及各种缺陷的不利影响,因此将这一要求加以提高。
1.2.3支撑
为了减小构件的长细比,有必要在构件屈曲的方向且要通过构件的剪心设置支撑,支撑要有必需的刚度,能提供一定的支撑力。支撑的强度和刚度要求随柱子数量都以二次方的速度增加,另外,当支撑同时承担结构上其它作用效应时,其相应的轴力可不与支撑力迭加。
1.2.4拉穹构件和压弯构件
压弯构件是工程中常用的构件,如平台柱,框架柱,有中间荷载作用的桁架杆件等。拉弯和压弯构件的稳定性计算压弯构件通常采用双轴对称或单轴对称截面,其弯矩通常作用在对称轴平面内。当弯矩只作用在构件的最大刚度平面内时称为单向压弯构件;当两个主平面内都有弯矩作用时称为双向压弯构件。实腹构件弯矩作用平面外的稳定计算当压弯构件两个方向的刚度相差较大,弯矩作用在刚度较大的平面内时,如果构件侧向刚度较小又没有足够的侧向支撑,它就有可能首先发生侧向弯扭屈曲而丧失承载能力。单轴对称截面在绕对称轴弯曲屈曲时,必然伴随着扭转屈曲,对于扭转刚度较小的开口截面,不考虑扭转屈曲对临界荷载的降低影响是不安全的。
1.2.5受压构件的局部稳定
受压构件的局部稳定主要是柱翼缘板和腹板的宽厚比应满足一定的要求,这样可以 保证局部屈曲不先于整体屈曲产生,不至于影响构件的承载力。事实上,在钢结构设计 中,大量的构件都采取防止板件失稳的设计对策,防止板件失稳的有效方法就是限制它的宽厚比。
2节点设计
节点的设计应该遵循简洁,可靠,便于施工的原则,并且要考虑当前的施工水平。 钢结构节点应多考虑尽量用高强度螺栓,少用焊接,节约人工费用,利用工厂的机械化和精度加工。
2.1柱脚
柱脚有多种形式,一般考虑与基础嵌固比较合适,插入式的柱脚是一种比较好的形式。无论是设计,还是施工,都很简单。尽管有时材料会稍多一些,但如考虑加工及安装费用的节省,另外还可以免去交叉施工时 对地脚螺栓防护的烦恼。 二是可以增加嵌固的能力,二次浇灌层的厚度宜>l00mm,便于找平。按抗震规范的要求, 凡是考虑抗震设防,柱脚插入深度应是两倍柱高。
2.2操作平台
小尺寸的操作平台(如长向尺寸<5米),应按一个构件整体考虑为
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好,在现场地面上 将整个平台焊好,然后再安装到支乘构件上,不必将平台中的每一个小梁都考虑为一个构 件在高空进行现场拼装。
2.3梁与梁的连接
梁与梁的连接最常用到的是铰接角钢是在工厂焊在主梁上的,它除了起连接作用外,还有定位的作用。板是用安装螺栓临时固定在次梁上,在现场用三道焊缝将次梁连接于主梁上,因此,有两条工厂焊缝,有三条工地焊缝,不可混淆。在次梁与主梁为斜交的情况,角钢的一个肢要弯折,不如改成两个板的连接,此时,位于主梁上的定位板还可以兼作加劲肋,如果是用高强度螺栓连接,次梁与主粱腹板的间隙s不小于20mm即可,但是如果采用焊接,考虑施焊的可行,s则必须大于70mm,再加上螺栓的孔距80mm,因此梁要 160mm以上才行。次梁传来的剪力的作用点离腹板近,因此附加弯矩小一些,其实除非是主梁位于边跨,如果是中间,再考虑有铺板的情况,这一附加弯矩是很小的。节点可以节省次梁材料,且加工,安装都很方便。事实上,上面的连接都不是真正的铰接,两条垂直焊缝可以传递不小的弯矩,因此考虑次梁的剪力所产生的附加弯矩可能在大多数情况下没有什么实际意义。
2.4梁与柱的连接
梁与柱的连接通常有刚性连接和半刚性连接,在抗震性能方面半刚性连接较比刚性连接有很多优点。梁腹板与柱的连接是用安装螺栓,一些用高强度螺栓摩擦型连接,两种形式都是可以的。对于刚性连接,在柱腹板节点域规定的比较严格,对于轻型钢结构,此处柱的腹板厚度往往不够,需要局部加厚。
2.5吊车梁
带有制动板吊车梁,以往制动板与吊车梁上翼缘的连接无论吨位大小和工作制的级 别的等级如何,都采用高强度螺栓摩擦型连接。制动板与吊车梁上翼缘的连接可以采用普通螺栓和焊缝连接。小的吊车梁甚至可以只用单面焊缝连接。当遇到抽柱子的情况,对于跨度的吊车梁,有时是刚度控制断面,就得增加梁的高度,但支座处高度要保持一致,就要采用变断面的吊车梁。
2.6关于焊缝
吊车梁下翼缘的对接融透焊缝采用斜焊缝,其目的是想通过延长焊缝的长度来保证焊缝能承受母体所承受拉力。其实对于对接的融透焊缝,只要达到了二级焊缝质量标准,也没有必要要求对接焊缝非要避开梁的中部受力大的区域。事实上焊缝的残余应力总是最后一道起作用,因此如果先焊了一条纵向焊缝,再焊横向焊缝,在交叉点处,纵向焊缝的残余应力受后焊的横向焊缝的热影响,已经释放了大部分,只可能稍许增加一些而已,不存在两者迭加的问题。相反,如果将一条十字焊缝改变为两条丁字焊缝,残余应力较大的区域却增加为两个,整个板的残余应力反而增大了。一些试验研究的结果也证实了十字焊缝的性能要优于丁字焊缝,因为这种方法便于排板和旖工方便。因此应该在今后的钢结构工程中提倡优先采用十字交叉接头。但要如果采用丁字交叉,则两条焊缝一定要相距200以上,否则残余应力影响严重。
参考文献
[1]钢结构设计规范编制组,钢结构设计规范修改说明.中国计划出版社,2003.
[2]崔佳,魏明钟等.钢结构设计规范理解与应用.中国建筑工业出版社,2004.
[3]刘声扬,钢结构疑难释义(第三版).中国建筑工业出版社,2004.
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