1、第 卷第 期建 筑 結 構 年 月大型鋼結構帶支撐節點設計 均力法程 超 陳一軍 胡小龍中南電力設計院 武漢詳細介紹了其設計原理! 幾何和力的提要 介紹一種關于大型鋼結構帶支撐節點設計的方法 均力法并通過一個例題說明其應用實驗證明這種方法是一種安全而經濟的設計方法 而且其破壞荷載參數關系和破壞模型最接近于實際的破壞荷載和破壞模型關鍵詞 大型支撐連接 均力法 安全設計 經濟設計× × : 引言 一!大型支撐連接 有圖所示的垂直桁架上的各種形式結構中的垂直桁架是用來保證結構的穩定并承受風荷載和地震作用支撐桿件的截面可采用單角鋼! 雙角鋼! 寬翼緣× × 型鋼

2、! 寬翼緣 型鋼或管型 × 鋼等關于大型支撐連接設計的應力分析和設計方法 從 年到 年 進行了大量連接的計算機研究 而且完成了大量的足尺模型試驗為了推薦一種連接設計方法 和 還組成一個任務組在 年 這個任務組進一步研究了足尺模型試驗的結果 認為均力法的破壞荷載和破壞模型最接近預期的破壞荷載和破壞模型同時也指出 通過比較用不同方法所做的實際設計 以及通過比較考慮不同力的分配所做的實際設計 均力法是最經濟的設計方法下面主要介紹按均力法進行大型鋼結構帶支撐節點設計的要求和具體方法 并介紹工程設計實例我們已在國內的鍋爐支承鋼結構 山東省荷澤電廠 期 鍋爐鋼結構和聊城電廠 鍋爐鋼結構連接設計中

3、應用了此方法 工程證明用此方法進行設計可節約連接材料約 二! 均力法的設計原理均力法的力和幾何參數如圖 所示和分別為從節點板連接邊的中心到梁邊和柱邊的距離各連接處存在的力如圖 所示, /, /, /, /,上述式中( 通過合理設計, 在三個連接 不存在力矩, 在這些連接處力的分布是/均勻的0(因在連接處沒有力矩, 所以不存在力的不均勻性 , 故把該方法叫做/均力法0為了使力是均勻分布的, 進行非常有效且經濟的連接設計, 必須滿足: = 該公式表示了節點板各連接中心距之間的相互約束關系, 只有滿足上式, 才能實現如圖 所示力的均衡在用/均力法0做連接設計時, 這個表達式總是可以滿足的但是, 分析

4、用別的方法做好的連接設計 , 或節點板尺寸受客觀條件限制時, 和的值可能就不滿足上述表達式這時在節點板的一邊或者兩邊, 或者梁與柱的連接處就有力矩存在圖 常見大型支撐形式處, 即節點板與梁! 節點板與柱和梁與柱連接的位置都假定校核一個做好的設計, 節點板的連接邊距形心的距離 , 從節點板的形心到梁邊和柱邊的距離如果節點板一邊的連接剛度比另一邊的大得多, 理論上假定剛度大的這一邊將承受所有的平衡力矩例如, 節點板的一邊與梁焊接, 另一邊與柱用連接角鋼螺栓連接, 如圖 所示, 節點板與梁連接的剛度遠遠大于節點板與柱連接的剛度令 , 得:=+ 其中, 如果 , 在節點板與梁的連接處就存在一個力矩:

5、= (同樣, 如果節點板與柱連接的剛度較大, 令 =( , 則得/ 如果, 在節點板與柱的連接處就存在一個力矩: = ( 如果兩邊的連接剛度相等, 不能明顯地斷定力矩的分配, 可以根據偏心 和 ,運用如下的最小目標函數式:<=+( 其中是拉格朗日放大系數, 使得<最小的和值為 ( / / ( /其中, ( /, ( / 圖 均力法和均力法各連接處的力三! 設計例題支撐的布置如圖 所示 支撐連接節點見圖 所有桿件和連接材料均為 螺栓的直徑為2用 系列焊條為便于理解 只考慮一種荷載工況假定荷載產生于地震作用或者風的作用而且單純的重力不起控制作用支撐上的力為梁端剪力為 1 用均力法進行設

6、計 1連接的初步設計支撐與節點板的連接首先進行支撐與節點板的連接設計 以便得到一個初步的節點板尺寸支撐的翼緣與腹板面積分別為 翼緣承受的力腹板承受的力 每翼緣采用兩個角鋼連接 節點板側的螺栓為雙剪 螺栓一個剪切面的抗剪承載力設計值為 則螺栓數 1取 個支撐側的螺栓為單剪 則螺栓數1取 個 翼緣上螺栓布置 列 行腹板連接采用拼接板 螺栓為雙剪圖則螺栓數 1 由于連接角鋼上 個螺栓有富裕 在拼接板上試用 個螺栓螺栓的總承載能力為 滿足要求因此 與翼緣連接的節點板側用 個螺栓 與翼緣連接的支撐側用 個螺栓 與腹板連接的兩側各用 個螺栓節點板側連接驗算承壓強度驗算 試用厚 的節點板 鋼材抗壓強度為 抗

7、剪強度為 抗拉強度為節點板側連接螺栓的總數為 個 1 滿足要求連接角鋼下的節點板的撕裂驗算 剪切和抗拉面積 分別為=( 1 1 = =( 1 = = + = > (滿足要求拼接板下的節點板剪切和抗拉面積 為=( 1 1 = =( 1 1 = = + = > / = (滿足要求 擴散截面的屈服驗算 1 圖 擴散截面部分伸入梁內 在節點板上剩下的尺寸大約為 所以擴散截面的承載能力為 1 滿足要求 圖 支撐與節點板連接和節點板最小尺寸節點板的局部穩定在節點板擴散截面上的正應力 = + = ° = /= 1 / =由 手冊中表2 查得 ° °節點板不會局部失穩

8、在上述局部穩定計算中 建議的有效計算長度系數 1 壓桿長度 取用圖 中各長度的平均值( / 注意在這個例子中 是負數同理 經驗算 支撐側連接驗算滿足要求連接角鋼試用 個 英制 角鋼 拼接板選用兩塊 的板經驗算 承壓! 撕裂均滿足要求這里完成了支撐與節點板連接設計的一部分 圖所示為支撐與節點板連接的最小尺寸這些尺寸可以用作連接設計的初步尺寸按照圖 的初步尺寸來計算連接處的力和調整所需要的節點板尺寸 發現最后要求的節點板尺寸接近于圖 所給的初步尺寸1連接的施工圖階段設計為了減少計算的篇幅僅給出最后設計的主要計算過程圖 所示的幾何尺寸為完成設計后的尺寸 幾何參數為 1 1 1選取節點板到柱螺栓群的中

9、心處則 1 1 1 1為了使節點板與梁邊的連接處沒有力矩 節點板與梁焊接的中心必須位于距柱翼緣的外邊 處而圖示節點板中心在 1 處 接近 可忽略其誤差若中心距 明顯不同于, 則力矩, 必須作用在節點板水平邊上 , 或調整節點板的幾何尺寸使 則=+ 1 +( + 1 =由上述參數可得各連接力 節點板與柱連接 = / = = 1 / =節點板與梁連接 = 1 / = = / =梁與柱連接拉力或壓力 剪力有了上述基參數可進行每個連接的設計節點板與柱連接現場螺栓為 排直徑 標準螺栓孔< 1 從而有 = / = 1 ( 1< (滿足要求 = 1 = 1 = 1 ( 1 / 1 1= 1 =

10、1 > 1 (滿足要求 采用兩個 英制 角鋼連接 下面符號的意義詳見圖 則= 1 1 = 1 = 1 1 / = 1= 1 < 1 = 1 (滿足要求 = 1 + 1 / = 1=/= 1 = 1= 1 / 1 = 1 = 1 1 /( = 1=( 1 1 ( 1 / 1 = 1 >因此 取 = 1 ( 1 / 1 ( + 1 = 1 = (滿足要求柱翼緣不需進行抗彎驗算因 1 通過驗算 連接件的凈截面! 毛截面和承壓以及柱翼緣承壓均滿足要求連接件與節點板的工廠焊縫處理這種情況 按下列步驟用文 的方法 把計算結果的力作為剪力由文 的表 有 1通過內插法得 1 1 1 圖 圖1

11、通過內插法得 1 根據文 第 頁 ¬ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1取 1 1 滿足要求由于 所以焊縫的強度不是根據節點板厚度的要求進行分配的節點板與梁的連接節點板應力 1 11 1 均滿足要求焊縫應力 11 111要求的貼角焊縫應力 1 1 1 1 如果不考慮 規范第 1 節對 翼緣厚度 要求的最小貼角焊縫 可以使用 的貼角焊縫注意用這種方法設計的焊縫的應力是均勻的 已經明確提出節點板邊的焊縫應力最大值大約為平均應力的 1 倍即使假定用的是均力法焊縫上的應力均勻分布 實際的應力分布有可能是不均勻的 而且 在靠近梁翼緣連接角鋼上螺栓的附近焊縫將出現峰值應力為了提供連接的延性 防止焊縫在峰值應力處的撕裂破壞 建議采用乘以系數 1 后作為焊縫的均勻應力要求 貼角焊縫應力 1 1 11 使用 的貼角焊縫梁腹板屈服 1 1 1 1 1 ° ° 滿足要求 梁與柱的連接現場螺栓 行 直徑 標準孔 則 1滿足要求 根據螺栓的允許拉應力計算公式 表 11 1 1 1 11 滿足要求 連接角鋼為兩個 英制 角鋼彎曲 撬力 作用 1 , 1 , 1 , 1 , 11 11 11 滿足要求 對柱腹板彎曲驗算 滿足要求連接