万能杆件结构设计方法探讨

万能杆件结构设计方法探讨刘晓初，杨寿忠，黄泽成，潘波（重庆城建（控股）集团有限责任公司， 重庆 400013）摘 要：介绍了万能杆件结构的特点，对万能杆件设计方法的选择及设计步骤进行了深入地探讨，并针对万能杆件结构 设计中存在的常见问题提出了改进措施。 指出只有深入理解万能杆件结构，了解万能杆件结构的薄弱环节，使用正确的 设计方法进行设计、验算、审核，才能真正做好万能杆件结构的设计。关键词：万能杆件；结构；设计中图分类号： TU 731.2文献标志码： B文章编号：1009-7767（2010）01-0115-04On Design Method of the Structure with Universal Rod BodyLiu Xiaochu，Yang Shouzhong，Huang Zecheng，Pan Bo万能杆件是一种为建筑业服务了几 十年的工具 式构件，它可以随施工的需要任意组拼。 因其具有使 用方便、可周转使用、成本低、承载能力大等优点，故 仍在广泛使用1。 社会在发展，安全管理也更严格。 万 能杆件临时结构，一般作为危险性项目采取措施进行 控制，不仅施工单位要进行详细设计，监理单位或业 主聘请的设计咨询单位 ，也要对这类结构进行设计、 分析、验算，有的业主单位甚至要求直接由拥有设计 资质的设计院来进行设计。部分施工单位、设计院或科研院校的 设计人员 ， 对万能杆件了解不够，仅凭杆件截面数值便输入电脑 进行计算，对杆件如何连接、节点板样式、螺栓的直径 与数量、拼装的要求与限制等完全不了解，对薄弱环 节不清楚，对容许承载能力判断不准确，使设计出来 的万能杆件结构往往脱离实际，甚至存在严重的设计 缺陷和安全隐患。笔者就万能杆件结构的特点及如何 进行设计展 开讨论，供同行参考。1 万能杆件结构1. 1 万能杆件类型万能杆件型号有很多种，如：北京杆件、甲型、M 型 杆件（简称 M 系列），其弦杆 N1 为 12012010； 苏 式杆件、乙型、西乙型、N 型（简称 N 系列），其弦杆 N1 为100100122。不同类型万能杆件结构和拼装形式基 本相同，部分缀板、螺栓直径稍有差异，钢材有 Q235、 Q345（16Mn）等不同材质。近年来，部分新加工的万能杆件，如采 用北京杆 件系列时，没有12012010 的型钢 ， 其 N1 弦杆直 接采用12512510（2 437 mm2）加工，采用 Q235 号 钢，截面比原12012010（2 330 mm2）略 大 5 %， 从 承载能力上可以直接按北京杆件系列取用，在设计含 N1 弦杆的支承节点时，还应考虑与标准北京杆件系列 有一定的误差。以北京杆件系列 YNK-M 杆件为例，其主要杆件、 拼法、螺栓数量、抗剪面数量（考虑螺栓单剪和双剪）、 容许承载力如表 1 所示。表 1YNK-M 万能杆件主要参数名称N1（N2） N3 N4N5截面/mm120120109090107575875758拼装方式（肢数）1N12N13N14N12N33N34N32N43N44N41N52N5螺栓直径/可形成的螺栓剪切面数容许承载力/mm（双剪时，剪切面数为螺栓数的 2 倍）t275、7、10、14、15、20、21、2819.5148.1276、9、1234.368.7224、6、8、12、1615.251.6222、3、4、66.517.2不同的材质、杆件系列、杆件截面、螺栓直径与数量， 其承载能力不同，在设计时一定要仔细区分、全面考虑。 1. 2 杆件、节点板、螺栓共同控制容许承载力万能杆件结构的容许承载能力不仅 受杆件截面 控制，还要受拉压状态、螺栓数量、直径、螺栓抗剪能 力、节点板抗挤压能力等共同控制。如果某个节点，螺栓数量受到限制， 则 可能螺栓 成为控制容许承载能力的关键。 有的时候，螺栓抗剪 能力满足了要求，而节点板或杆件的螺栓孔壁挤压又 不能满足要求了。为了方便设计，万能杆件结构有 1 套基于容许应 力法的完整的容许承载能力表格。 万能杆件结构的容 许承载能力一定要根据杆件截面形式、受拉或受压的 状态、连接螺栓的直径和数量进行综合分析，查表确 定容许承载力。1. 3构造要求与万能杆件结构容许承载能力相匹配的，还有一 整套的构造要求。 比如，连结角钢 N6、支承角钢 N7（封 头角钢）、缀板 N19、N20 等。 N19、N20 加强双肢杆件 的受压稳定性，N6 加强弦杆与弦杆连接可靠，N7 确保 弦杆端部节点的稳定性；还有很多缀板，这些缀板都 是必须按规定拼齐的。 只有满足构造要求的万能杆件 结构，才能有与之相匹配的容许承载能力。1. 4万能杆件结构存在的薄弱环节万能杆件结构存在一些薄弱环节（见图 1），主要 表现在：1）柱梁转换层节点。门式万能杆件结构，当立柱和梁的受力都比较大 时，立柱竖向主杆件采用 N1（N2）弦杆，而梁的弦杆也 需采用 N1（N2）弦杆，此时，就必须有 1 个竖向 N1 杆 件向水平 N1 杆件的转换节点。 这个节点在标准万能杆件中是没有的，必须新加工 1 块节点板，水平向接 N1， 竖向下方也 能接 N1， 上方 还要接 N4。 这种 板件 由于使用比较多，很多公司已经作为标准化的板件进 行设计。 由于该板件与 N29 号板相像，比 N29 号板高 130 mm，所以一般称为 M29 号板。由于 M29 号板多了 130 mm，其竖向和斜杆连接 方向节点板自由长度加大 ，当压力较大时，节点板非 常容易失稳，所以是常见的薄弱环节。2）顶层转换节点。多数立柱受力较大，传力集中，梁的跨 度不大的 万能杆件结构，往往需要将立柱 N1 杆件直接延伸到 顶，而顶层为了方便设分配梁、模板体系，一般又需要 设计为 N1 的水平杆件，此时，顶部节点也要进行新加 工，由于该节点板刚好为 M29 的下半部分，所以一般 称之为 M29-1。 该板件虽然能够直接连接 N1 立柱，但 由于只能让 N1 顶部 8 个螺栓受力， 另外 6 个螺栓不 参与传力，所以为螺栓抗剪控制。3）N1 立柱或弦杆外侧节点。N1 与 N1（N2）连结的节点外侧有 6 颗螺栓，需要 增加填板方能安装好，如未安装好这 6 颗螺栓，相应 的容许承载能力则应考虑这一影响。4）柱脚连接节点。一般的 N1 柱脚连接节点用 N7 封头，用 N6 包裹， 再用新加工的柱脚连接板件与柱脚预埋钢板焊接。 在 只受压力时，N7 与柱脚连接板共同传力，共有 14 个螺 栓受力；但受拉时，一般只有 8 颗螺栓受力，设计时， 应注意此项影响。5）N4 杆件作弦杆。N4 与 N4 杆件连接，由于节点板中间空当较大，板 件容易失稳，一般情况下，均不采用 N4 杆件作为承压 弦杆。1. 5万能杆件结构的总体缺陷万能杆件结构总体来说， 还存在一些固有缺陷， 主要包括：1）非弹性变形大。 由于螺栓与螺栓孔之间有 1 mm 间隙，万能杆件结构非弹性变形大，特别是梁式体系， 跨中非弹性变形可能达到 10 cm 以上。2）多次周转使用难免存在杆件锈蚀、变形等问题， 设计时和材料进场安装时均应考虑这一因素。3）杆件中间不能承受荷载，对较大荷载需要设多 层分配梁，以便将荷载分散到万能杆件节点上。 有时 分配梁过多，分配梁可能会承受较大的扭转荷载。2设计方法选择2. 1容许应力法设计由于万能杆件结构现在只有基于容 许应力法形 成的 1 套容许承载力表格，所以最简单的计算方法仍 是采用容许应力法进行结构设计3，根据荷载计算出 不同杆件的最大受力，再根据相对应的万能杆件容许 受力表格进行杆件、板件、螺栓配置和设计。具体步骤包括：根据经验或简算，初步 确定结构 形式建立计算模型 （输入计算机）荷载计算结构 受力计算对照容许承载力表格，配置杆件、螺栓 验算挤压强度等局部受力指标当结构受力超出最 大标准配置承载能力时，进行结构模型调整或进行局 部加强，比如加大节点板、多钻螺栓孔、新加工构件等。 2. 2极限应力法计算根据 GB 50017-2003钢结构设计规范4，现场的 结构设计一般要求采用极限应力法进行设计，但个别 设计院，还习惯性地采用极限应力法设计万能杆件结 构。 由于没有相对应的基于极限应力法的万能杆件结 构受力表格，所以采用极限应力法设计万能杆件结构 是非常麻烦的，如要准确计算整个万能杆件结构，就需 要对杆件、节点板、螺栓等一起进行极限应力分析。 要 真正建立包括节点板、螺栓在内的整体模型几乎是不可 能的。 万能杆件的节点形式多种多样，逐一分析需要 花费较多的时间。简单地将万能杆件数据输入计算机，将节点作为 固接或铰接，选取相应的荷载组合计算，然后将计算 应力与极限应力相比较，进行万能杆件结构设计，这 种方法忽视了节点板和螺栓在不同受力状态下的极 限应力，是不全面的。在采用极限应力法设计万能杆件结构时，可以先 将杆件的极限承载能力、相对应于不同节点拼装方式的 节点板极限承载能力、螺栓的极限承载能力等指标用 轴力的形式，形成相应的极限承载能力表格，然后再建 立力学模型，计算结构内力，最后查表，确定相应的杆 件、节点拼装方法。 如果标准万能杆件配置不能满足受 力需要时，再决定是否需要局部加强或新制杆件、板件。 形成万能杆件不同杆件形式及节点 连接的极限承载力表格是一件较为烦琐的事情，所以施工单位大多不采用极限应力法进行万能杆件结构设计。3 万能杆件设计步骤目前施工单位仍多采用容许应力法 设计万能杆 件结构，基本方法和流程与极限应力法相同，由于有 1 套成熟的表格，所以设计相对简便。 鉴于目前的实 际情况，将万能杆件结构作为施工临时设施，仍由施 工单位按容许应力法进行设计，相关单位也按容许应 力法进行设计复核、审查，是安全、简便、实际可行的。容许应力法设计万能杆件结构步骤如下： 1）分析结构功能，选择合理的万能杆件结构形式。 可根据万能杆件结构的功能要求、设计经验或已有的实例选择结构形式。 在大致确保了总体结构形式 后，对结构进行简化计算，一般通过手算，便可以很快 确定大致结构参数，比如跨度、桁高、立柱位置等内容。2）建立结构设计模型或简化模型。有了万能杆件结构的初步形式，就可以进行力学 模型的转化和建立。 在不影响受力控制情况下，可以 偏安全地简化模型。 简化模型的原则是简化后的荷载 和受力要“包得住”，即比详细分析要略大。 合理的简 化模型可以加快设计速度，但是要求设计人员要有丰 富的经验，计算结果一般也不够细致、偏于保守、浪费 较大。 也有可能因简化不当，忽略了一些重要因素，对 结构安全形成较大影响。例如：对于分 2 次浇筑的混凝土梁荷载 ， 简化计 算时，常常将 2 次荷载全部考虑由支架承受。 这种简 化方式，对支架来讲，是偏安全的，但有一定的浪费 。 如果要详细分析，则第 2 次混凝土荷载应由第 1 次已 浇混凝土和支架一起承受，且已浇筑混凝土的强度、弹 模分析、混凝土梁与支架的刚度分配等问题，其精确 计算较为复杂。将实际结构转变成力学模型，应根据技术能力和 施工需要，进行全面考虑。 由于现在计算机技术飞速 发展，仿真模拟技术越来越强，对重要结构应力求建 立仿真的空间模型5，要尽量与实际情况相吻合，这样 更能清楚地发现各种细节问题，使设计更为合理。3）荷载计算。结构模型建立完成后，可以根据模型的精细程序， 将结构的各种荷载分解到结构上。 一般建模将模板下 的分配梁全部考虑进去，使分解荷载更为准确。 不同 的模型其荷载的分解程度不一样，但总的要求是必须 全面考虑各种实际存在的荷载，包括一些对有重大结 构影响的偶然荷载。 荷载分解计算完成后，将荷载输 入到结构模型上，再根据规范要求，进行荷载组合和最不利状态的分析。4）结果分析与调试。模型建立、荷载确定后，可以进行运行结果分析。 运行结果分析主要从支座反力、内力（应力）、挠度、稳 定性等几方面入手。支座反力的分析非常重要，从支座反力可以查看 出结构模型总体是否与实际相吻合，边界条件是否设 置合理，实际支座条件是否能达到理论要求。 根据支 座反力，可以对模型的边界条件进行调整，重新计算， 也可以要求结构按模型要求进行边界条件的处理。挠度分析能直观地检查模型建立过 程中是否存 在较大的错漏。 部分节点挠度异常，如相差 12 个数 量级以上，则应该回头检查模型建立是否有误，然后 对模型进行调整。内力（应力）分析，可以逐次对不同杆件类型进行 分析，一般包括 N1（N2）、N3、N4、N5 等 4 种类型。 查找 每 1 种杆件的最大内力值和多数杆件的内力值，根据 内力在标准配置条件下进行选择，当内力超过最大的 标准配置时，如超出 4N1、4N3、4N4 和 2N5 的配置时， 应进行特殊设计 。 斜杆 2N5 通过更换节点板或新加 工节点板，可以由 N3 代替，直至换成 4N3。 而 N1、N3、 N4 杆件则可将杆件变换为型钢，并对相应的节点板和 螺栓进行重新设计。计算模型反复修改，使最终万能杆件结构的挠度、 内力、稳定计算均满足规范或万能杆件的承载能力要 求后，还应对薄弱节点、孔壁挤压等细节进行校核。 最 后，根据计算分析、校核结果，进行万能杆件结构的详 细设计和出图。4万能杆件结构设计常见的问题在万能杆件结构设计中，经常出现一些误区，存在 一些问题。1）与 N18 连接的 N5 杆件变为 N3 杆件。N5 与 N18 板件连接时，一般作为 起稳定作用 的 杆件，节点处仅有 2 个螺栓，最多设置为 2N5，2 个螺 栓双剪、2 个孔壁承压，螺栓与孔壁受力均比较小，有 的设计人将 N5 加强至 2N3，不但需要大量的新制板件， 而且由于 N18 所处节点的位置，不能承受较大的轴向 力，在较大压力作用下，板件易发生失稳，所以并未达 到加强的效果。2）将 2N5 加强至 4N5。N5 杆件没有 3N5、4N5 的拼法，拼成 4N5，板件必 须新制。部分板件可与 N5 或 N3 相连，如 N11、N14 等， 通过更换成能与 N3 连接的板件，就可以加强 2N5（2N5与 N18 之外的板件连接）至 4N3，承载能力大大提高。3）忽视螺栓抗剪或抗挤压强度的限制。部分杆件其螺栓的抗剪和挤压强度 小于杆件强 度，设计者若忽视这一点，就可能使结构设计存在安全 隐患。 如果设计人员不清楚某个节点的板件形式、螺栓 限制数量等，也就无法详细计算螺栓抗剪或挤压强度。 4）未对薄弱节点进行详细的受力分析 和稳定性分析。薄弱节点应特别注意稳定性要求，如 M29 号板，易 出现变形、失稳。 在构造处理上，要求加齐缀板的同时， 最好在该处横向拼齐 4N1+4N6，如拼为 2N1，也应增设 填板，采用 4N6