钢桁架工字形截面受压杆件腹板局部稳定计算与分析.docx

钢桁架工字形截面受压杆件腹板局部稳定计算与分析王九根(上海电子工程设计研究院有限公司 ,上海 200023)摘要 通过钢桁架工字形截面受压杆件腹板在抗震设防区与非抗震设防区局部稳定限值的比较 ,提出了影响钢桁架工字形截面受压杆件腹板局部稳定的主要因素和解决方法 。关键词 钢结构 ;桁架 ;受压杆件 ;局部稳定中图分类号 TU32文献标识码 A文章编号 100228498 ( 2009) S0 20531 204Ca lcu la t ion an d Ana ly s is on L oca l S ta b il ity of I2sha pedC om pre ss ion M em ber W eb in S tee l Tru ssW a ng J iu ge n( S hangha i E lectron ics Eng ineering D esign & R esea rch Institu te Co. , L td. , S hangha i 200023, Ch ina)A b stra c t:B y comp a ring loca l stab ility lim its of I2shap ed comp re ssion m em be r web fo r stee l tru ss in bo th se ism ic and w ith2ou t se ism ic a rea s, m a in influence fac to rs of loca l stab ility of I2shap ed comp re ssion m em be r web in stee l tru ss a re p ropo sed, a s we ll a s the so lving m e thod s.Key word s: stee l struc tu re; tru ss; comp re ssion m em be r;loca l stab ility当强度和稳定计算中取 x = 1. 0 时 , b / t可放宽至15235 / fy 。2 )钢规 第 5. 4. 2 条规定 : 在工字形及 H 形截面 的受压构件中 ,腹板计算高度 h0 与其厚度 tw 之比 , 应 符合下列要求 : 轴心受压构件 : h0 / tw ( 25 + 0. 5)随着社会经济的发展 , 钢结构在工业及民用建筑中的应用越来越广泛 ,尤其在一些大跨度、大柱距的建 筑中经常采用钢桁架结构构件。传统的桁架杆件通常 是作为二力杆件进行计算的 , 杆件为轴心受拉或轴心 受压构件 ,且多采用双面角钢。随着钢结构焊接、加工 工艺水平的不断提高 , 钢桁架杆件选用的截面形式也 越来越多样 ,如 : 轧制型钢、热轧 H 型钢和 T 型钢、焊 接 H 型钢、高频焊轻型 H 型钢、焊接或轧制钢管等。 当要求的荷载较大、桁架截面高度受到限制 ,桁架的挠 度要求又较严时 , 为满足要求 , 设计时桁架上、下弦通 常采用较大截面尺寸的焊接 H 型钢或热轧 H 型钢。 计算模型可以假定上、下弦为连续杆件 ,而腹杆则为二 力杆件。此时桁架上、下弦杆为拉弯或压弯杆件。1 规范规定杆件为压杆或压弯杆件时 ,除应满足强度、长细比 及整体稳定要求外 , 还应满足局部稳定要求。不应忽 视的是选用钢结构设计手册 中定型热轧 H 型钢截 面时 ,也应验算杆件局部稳定是否满足规范要求。1 )钢结构设计规范 GB50017 22003 (以下简称钢规 )第 5. 4. 1 条规定 : 受压构件中 , 翼缘板自由外 伸宽度 b 与其厚度 t之比应符合下列要求 : 轴心受235 / f ; 压弯构件 : 当 0 0 1. 6 时 ,h0 / tw y( 16)0 + 0. 5 + 25235 / fy ; 当 1. 6 0 2. 0 时 ,h0 / tw ( 480 + 0. 5 - 26. 2 )235 / fy 。其中 : 0 =(m ax - m in ) /m ax ,其它符号详见钢规 。对于 7 度 抗 震 设 防 区 ,建 筑 抗 震 设 计 规 范 GB50011 22001 (以下简称抗规 ) 第 8. 3. 2 条规定 : 不 超过 12 层框架结构工字形截面柱的翼缘板自由外伸宽度 b与其厚度 t之比为 : b / t13235 / fy ; 工字形截面柱的腹板计算高度 h0 与其厚度 tw 之比为 : h0 / tw 52235 / fy 。 显然对于工字形截面受压杆件腹板的局部稳定 ,钢规 与抗规 限值有所不同。本文着重讨论工字形截面受压杆件腹板的局部稳定。工程实例2收稿日期 2009 205 226作者简介 王九根 , 上海电子工程设计研究院有限公司工程 师 ,上海市丽园路 478 号 200023 ,电话 : ( 021 ) 63011212 - 102 , E2m a il: wangjg seed ri. com. cn压构件 : b / t( 10 + 0. 1)235 / fy ; 压弯构件 : b / t235 / fy 。13施工技术2009 增刊532某钢结构厂房 ,长 206. 4m ,宽为 72m ,两跨 36m 单层双坡。檐口标高为 13. 25m ,开间为 7. 5m 和 7. 8m 两 种。一跨内布置 2 台 8 t桥式吊车 , 另一跨内布置 4 台8 t桥式吊车 , A5 工作制。工艺布置需在 轴间抽柱 ,因此需在 轴线布置跨度为 52. 5m 桁架 , 桁 架既作为吊车梁 ,又兼作托架梁以承受中柱传来的屋 面荷载。由于使用净空要求 , 桁架高度受到限制。桁架杆件编号及几何尺寸如图 1 所示。桁架的钢材材质 为 Q345B ,抗震设防烈度为 7 度。板计算高度 ho 与其厚度 tw 计算公式不一样。对轴心受压构件 ,其高厚比随长细比的变化而变化 ; 对压弯构 件 ,其高厚比不仅与构件的长细比有关 ,还与腹板计算 高度边缘的最大压应力与其对应的另一边缘相应的应力有关。以 11 号杆件为例 , 假定轴心受压时 , h0 / tw ( 25 + 0. 5)235 / fy = ( 25 + 0. 5 54 )235 /345 =42. 93;假定压弯时 , 杆件在弯距作用平面内的长细比 = 15. 3 30 , 计算时取值 = 30。假定 0 0 1. 6时 , h / t ( 16)235 / fy = 41. 78 , 计算0 + 0. 5 + 250 w得 0 0 = 0. 664 1. 6 符合假定。当长细比相同时 ,高厚比随 0 的变化而变化。3. 2 同一杆件高厚比限值钢规 与抗规 不同 由于桁架处于抗震设防区 , 受压杆件的高厚比除要满足钢规 的要求外 ,还应满足抗规 的要求。按图 1 桁架杆件编号及几何尺寸3 计算分析表 1、2 分别为桁架上、下弦部分受压杆件在铰接 与刚接假定条件下的翼缘板宽厚比及腹板高厚比。分析表 1、2 ,可得出以下分析结果。3. 1 计算假定不同 ,钢规 高厚比限值不同钢规 中对于受压构件 , 压弯和轴心受压时 , 腹抗规 规定 ,桁架受压杆件高厚比 h0 / tw 52235 / fy235 / 345 = 42. 92。因钢规 的高厚比限值还= 52与长细比 及 0 有关 ,因而杆件高厚比限值与抗规 有所不同。表 1 桁架上 、下弦 (截面 HM 588 300 12 20 )刚接时受压杆件宽厚比及高厚比长细比高厚比宽厚比杆件号平面内平面外计算值钢规 限值抗规 限值计算值限值58910114143474850515512. 413. 213. 215. 315. 315. 315. 315. 315. 315. 315. 315. 354. 054. 054. 054. 054. 054. 054. 054. 054. 054. 054. 054. 043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5039. 6139. 7048. 8251. 9841. 7834. 2635. 0036. 6035. 8634. 6134. 6135. 2442. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 926. 556. 556. 556. 556. 556. 556. 556. 556. 556. 556. 556. 5510. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 73 57 15. 3 54. 0 43. 50 35. 23 42. 92 6. 55 10. 73 表 2 桁架上 、下弦 (截面 HM 588 300 12 20 )铰接时受压杆件宽厚比及高厚比长细比高厚比宽厚比杆件号平面内平面外计算值钢规 限值抗规 限值计算值限值58910114143474850515512. 413. 213. 215. 315. 315. 315. 315. 315. 315. 315. 315. 354. 054. 054. 054. 054. 054. 054. 054. 054. 054. 054. 054. 043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5043. 5042. 9342. 9342. 9342. 9342. 9342. 9333. 7233. 7533. 5633. 5742. 9342. 9342. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 926. 556. 556. 556. 556. 556. 556. 556. 556. 556. 556. 556. 5510. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 73 57 15. 3 54. 0 43. 50 42. 93 42. 92 6. 55 10. 73 2009 增刊王九根 :钢桁架工字形截面受压杆件腹板局部稳定计算与分析5333. 3 影响受压杆件腹板高厚比的主要因素从钢规 第 5. 4. 2 条公式可以看出 , 影响受压杆 件腹板计算高厚比的是杆件的截面尺寸。影响受压杆 件腹板高厚比限值的因素有 : 杆件的长细比 、杆件腹 板计算高度边缘的应力相对比值 0 , 以及杆件的材 质。由于杆件的长细比 及腹板计算高度边缘的应力 相对比值 主要由桁架的外形尺寸及杆件的截面尺寸 决定。因此 ,影响受压杆件腹板高厚比的主要因素是 杆件的截面尺寸。3. 4 超限杆件的处理措施虽然选用定型热轧 H 型钢 , 表 1、2 中杆件高厚比 全部超出抗规 限值 , 仅局部刚接时满足钢规 限 值。为保证受压杆件高厚比能满足钢规 及抗规 的限值。可以调整杆件的截面尺寸来提高杆件的高厚 比限值 ;也可以在受压杆件的腹板处加纵向加劲肋来 减小杆件的计算高厚比。减小杆件的截面尺寸 ,回转半径也相应降低 ,杆件 的长细比能够提高 , 但应满足桁架的挠度及杆件的强度。本例桁架上、下弦杆件截面如改用 HW 400 40013 21 ,截面的回转半径 i1x = 17. 5 cm , 比原 HM 588300 12 20 截面的回转半径 i2x = 24. 8 cm 小 , 长细 比因此增大。由于截面的高度降低 , 杆件的计算高厚比也随之下降。详细计算如表 3、4 所示。HW 400 400 13 21 截面的自重为 1. 72 kN /m ,而 HM588 300 12 20 截面的自重为 1. 51 kN /m ,杆 件的自重提高 13. 9 % ,桁架的用钢量增加较大。因此 ,该工程采用在腹板处加纵向加劲肋的措施来减小上、下弦杆件的计算高厚比 ,从而满足钢规 和抗规 对 高厚比限值的要求。采用纵向加劲肋时 , 杆件在受压 较大翼缘与纵向加劲肋之间的高厚比要满足钢规 第 5. 4. 2 条或第 5. 4. 3 条的要求 ; 同时 ,纵向加劲肋宜 对称布置在腹板的两侧 , 且每侧的外伸宽度不应小于10 tw ,厚度不应小于 0. 75 tw 。实际选用纵向加劲肋 2 -90 8 ,布置在距杆件上翼缘 150mm 处 ,计算高厚比为16. 51 ,满足钢规 要求。杆件的用钢量仅提高 6. 5 % ,但是焊接工作量增加较多。表 3 桁架上 、下弦 (截面 HW 400 400 13 21 )刚接时受压杆件宽厚比及高厚比长细比高厚比宽厚比杆件号平面内平面外计算值钢规 限值抗规 限值计算值限值58910114143474850515516. 717. 817. 821. 521. 521. 521. 521. 521. 521. 521. 521. 537. 137. 137. 137. 137. 137. 137. 137. 137. 137. 137. 137. 124. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1535. 2636. 8248. 0152. 6142. 5233. 4135. 6035. 7235. 2035. 2234. 7134. 6042. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 928. 178. 178. 178. 178. 178. 178. 178. 178. 178. 178. 178. 1710. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 7310. 73 57 21. 5 37. 1 24. 15 34. 59 42. 92 8. 17 10. 73 表 4 桁架上 、下弦 (截面 HW 400 400 13 21 )铰接时受压杆件宽厚比及高厚比长细比高厚比宽厚比杆件号平面内平面外计算值钢规 限值抗规 限值计算值限值5891011414347 杆4850515516. 717. 817. 821. 521. 521. 521. 521. 521. 521. 521. 521. 537. 137. 137. 137. 137. 137. 137. 137. 137. 137. 137. 137. 124. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1524. 1535. 9235. 9235. 9235. 9235. 9235. 9234. 0534. 0533. 8233. 8235. 9235. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9242. 9