对门式轻钢结构设计中存在问题的探讨

时间:2015-9-12 14:07:00 来源:中国海洋之神机械网 添加人:admin

  对门式轻钢结构设计中存在问题的探讨唐柏鉴王洪涛刘兴业(天津大学土木工程系,天津300072)1概述近几年来,随着我国彩色压型钢板产量的增加和焊接H型钢的出现,门式刚架轻钢结构房屋在我国大量涌现,发展轻钢结构己列入国家1996*2010年海洋之神结构技术政策中。由于历史原因,各设计院钢结构设计力量薄弱,工程师多年不做钢结构设计,所了解的钢结构知识陈旧,难以胜任轻钢设计。即使作设计,由于大都仍按照《钢结构设计规范》设计,使得轻钢结构笨重,缺乏竞争力。或者对新的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规102:98》(以下简称《规程》)理解不够,盲目追求低用钢量,造成结构的安全度偏低,甚至造成工程事故。

  本文针对目前门式刚架设计中存在的一些问题,力图从理论和实践上深入探讨,以进一步规范设计。

  2结构系统的整体约束作用檩条,墙梁相比于普通钢结构,在轻型门式刚架中,为降低用钢量,一般都考虑了结构系统的整体约束作用。然而,怎样才能保证有效的整体约束作用,在目前设计中还存在不少问题:由于处理不当,事实上并没有起到整体约束作用,造成各种事故时有发生。

  整体约束作用,一般包括檩条对刚架斜梁上翼缘的侧向支撑作用,设置隅撑时檩条对刚架斜梁下翼缘的侧向支撑作用,条作为刚性系杆传递纵向风荷载的作用,以及压型钢板的应力蒙皮效应。

  刚架斜梁在竖向荷载、7K平荷载作用下,其下翼缘都会出现压应力,《规程》指出此时必须设置隅撑,但对隅撑设计阐述不详。理论上,隅撑间距应根据斜梁平面外稳定计算确定,这种计算比较繁琐,可根据l!b<16/235//y设置,隅撑间距一般为3.0m左右。《规程》中隅撑节点不利于施工,建议采用节点。

  压型钢板在其平面内的抗剪能力称为应力蒙皮作用。应力蒙皮效应可使围护结构成为受力结构的主要组成部分,增加结构的整体刚度,减少甚至取消支撑。由于目前对各种压型钢板在板面内的抗剪性能和板与构件连接件性能研究还不够,在门式刚架的整体设计中还不宜考虑这种应力蒙皮效应,只是在设计檩条和墙梁时可以考虑。笔者认为利用蒙皮效应,檩条的平面外稳定可以不考虑或少考虑(如拉条设置可以适当放宽)。但必须注意:面板己作为受力构件,不得随意拆卸,如要对面板进行修补,必须采取临时加固措施;必须设置较强的纵向边缘构件,如在檐口设置较大的圆管或H型钢等;压型钢板与条之间应采用自攻螺丝、射钉、焊接或螺栓连牢。

  考虑结构的整体约束作用,檫条(或墙梁)扮演多种角色,作用很大,因此轻钢结构中檩条的设计务必谨慎。前己叙述,轻钢结构中大多考虑檩条对刚架的支撑作用,为保证檩条有效的支撑作用,设计条时必须考虑它作为支撑构件的附加内力:⑴檩条作为横向刚架实腹梁的侧向支撑,会产生轴力'///;/235/85,压时布置隅撑,隅撑对檩条产生附加轴力和附加弯矩。其轴力大小根据《规程》中隅撑轴力公式可以计算。(3)作为结构体系的纵向水平系杆,其作用力由水平支撑传来,附加内力(1),(2)不同时出现。考虑压型钢板的应力蒙皮效应,在重力荷载作用下,檩条受压翼缘由于受到压型钢板的侧向支撑和扭转约束,稳定性大大提高,一般可不计算构件的稳定性。但在风吸力作用下,受压翼缘为自由翼缘,可能发生失稳破坏。根据经验,风吸力与构件自重相抵后的向上作用力一般不起控制作用,即可以不计算檩条整体稳定性;若有设拉条的必要,须设在下翼缘1/3腹板高度处。另外,檩条兼做刚性系杆时,其长细比不应大于220:条作为刚架侧向支撑,间距不应大于16235//v倍的梁翼缘宽度;采用单层压型钢板屋面时,檩条之间要设拉条。

  3连接节点节点连接刚性对门式刚架结构承载力有很大的影响,如果处理不好,将会使分析结构完全背离工程实际,酿成后患。尽管己有不少论文研究了半刚性节点,但在实际中还很少使用。至少在目前,门式刚架轻钢结构中还都采用理想的铰接或纯粹的刚接。如何保证这种假设的可行性,就值得设计者关注。

  3.1梁柱节点及拼接点梁柱节点及拼接点一般采用端板螺栓连接,这种连接有外伸式和平齐式之别。后者只适用于半刚性连接。

  刚性连接的梁,必须借助设在梁篼度以外的螺栓方能胜任。目前广泛使用的STS软件,对之不加区别,一律视为刚接,显然不合理。另外为保证节点刚性,柱在梁翼缘处设置加劲肋,螺栓安置时施加预应力都很有必要,见'ra.加劲肋对连接刚度的影响螺栓预拉力对连接刚度的影响在弯矩作用下各螺栓拉力的分布情况和端板的柔性有密切关系,我国对高强螺检都施加预应力,且端板厚度一般不小于螺栓直径,因此建议采用(a)计算螺栓,或采用简化计算(b)。

  笔者对几个工程抽发现,节点端板一般都达到梁柱翼缘板、腹板厚度的4倍以上,节点端板用钢量甚至会达到主刚架的10%左右,因此应尽可能少设拼接点。另外《规程》中给予的端板厚度计算公式/ = /6/尚有探究余地。由公式可知,节点端板厚度仅取决于高强螺栓的强度设计值,而与被连接梁(柱)的板厚无关系。

  若同一种梁(柱)连接节点板选用较大直径的高强螺栓,端板必然比选用较小螺栓连接其厚度要大,而与被连接梁(柱)板的厚度无直接关系,显然这是不合理的。合理的设计应使连接端板、螺栓、被连接梁(柱)等强,即同时达到受力极限状态。*|栓拉力分布形式3.2柱脚节点按《钢结构设计规范》,不管有无桥式吊车,门式刚架的控制因素之一是厂房的侧向变形,《规程》则对变形控制宽松很多,采用轻型墙板时门架柱顶的水平位移与柱高的比值可以达到1/50,因此主要控制因素是材料的极限承载能力,同时柱脚一般也就设计成铰接,构造施工简单,基础只承受剪力和轴力,基础可设计得很小。

  当设有桥式吊车或柱很高时,为保证侧移要求,柱脚宜设成刚接。

  需说明的是柱脚剪力的传递,由于争议较多,《规程》回避此问题。门式刚架竖向荷载较小,剪力相对较大,仅靠柱脚端板与基础顶面间的摩擦力一般不能满足要求。笔者认为对剪力较小的,可以考虑地脚螺栓的抗剪作用,因为地脚螺栓加了一个比较精确的螺栓孔盖板,而盖板又焊于底板上。剪力较大时,则应设置抗剪键,如。规范设计,还待研究。

  锏扳抗剪键连接抗风柱与刚架连接3.3抗风柱与斜梁连接节点在门式刚架轻钢海洋之神中,抗风柱既要把山墙风载传递给水平支撑,又承担着竖向墙架作用。笔者工作中发现抗风柱与斜梁连接节点出现过以下两者形式:((a),(b))(a)中抗风柱既受到竖向力作用,在风载作用下,梁还会受扭,隅撑能否有效支撑斜梁,檩条能否成为隅撑支点都成疑问。这种节点盲目节省墙梁,受力恶化,不应采用。后者基本符合传力机理,建议采用。

  4其他问题门式刚架可以外包混凝土或刷防火涂料达到现行有关防火规范的要求,压型钢板总厚度不足lram,要达到规范规定的最低限度0.5h也不可能。至今建成的工程未对此问题采取措施,建议编制规范时寻求解决办法。另外,精确有限元建模与非线性分析;半弹性节点实验研究;杆件长度系数研究;面板蒙皮效应分析;节点连接计算等等都很有必要进一步研究。

  5结论<165177设置,一般取3.0m左右。

  (2)应力蒙皮效应在门式刚架的整体设计中还不宜考虑,在设计条和墙梁时可以考虑。

  (3)考虑整体约束作用时,檩条和墙梁承受各种附加力,设计时须谨慎。

  (4)梁柱节点合理的设计应使连接端板、螺栓、被连接梁(柱)等强,即同时达到受力极限状态。

  (5)柱脚剪力较大时宜设置抗剪键;抗风柱与斜梁连接应采用(b)形式。

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