钢管桁架有间隙偏心连接节点的研究.pdf

第 4 3卷第 5期 2 0 1 2年 5月 Vo 1 4 3 No 5 Ma y 2 0 1 2 建 筑 技 术 Ar ch i t e ct u r e T e ch n o l o g y 3 9 7 钢管桁架有间隙偏心连接节点的研究 周 元 陈钰泉 李正华 浙 江精工钢结构有限公 司 4 3 0 3 1 2 武汉 摘 要 为避免产生节点次应力 钢管桁 架节点通常不允许偏心连接 各支杆 需相互搭接 然而在实际工程 中适当的偏心使节点处杆件间留有一定的间隙 有利于现场施工与确保节点连接质量 通过对有间隙K 形节点 设计承载力进行计算 并对偏心与搭接两种连接 的节点承载力进行 了对比 发现 有间隙连接节点的强度 虽有所 降低 但仍能满足节点设计要求 值得进 一步推广应用 关键词 桁架 有间隙连接节点 偏心 搭接 承载力 中图分类号 T U 3 9 2 3 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 0 4 7 2 6 2 0 1 2 0 5 0 3 9 7 0 4 I t ES E ARC H oN J UNC TI ON NODES W I TH GAP AND ECCE NT RI C OF CI RCULAR TUBULAR TRUS S ZH OU Yu a n CHE N Yu q u a n L I Z h e n g h u a Z h e j i a n g J i n g g o n g S t e e l S t r u ct u r e C o L t d 4 3 0 3 1 2 Wu h a n C h i n a Ab s t r a ct I n o r d e r t o a v o id h a v in g t h e n o d e s t r e s s cir cu l a r t u b u l ar t r u s s n o d e s u s u a l l y d o n o t a l l o w t h e e cce n t ri c co n ne ct i o n e a ch r o d n e e ds t o o v e r l a p h o we v e r t h e a p p r o p ri a t e e cce n t ri c ma k e n o d e r o d h a s ce r t a in g a p in t h e a ct u a l p r o j e ct is co n d u ci v e t o t h e co n s t ruct i o n s it e a n d e n s u r e t h a t t h e n o d e co n n e ct io n q u alit y T h i s p a p e r i n t r o d u ce s t h e me t h o d t o ca l cu l a t e t h e b e a r in g ca p a ci t y o f t h e K t y p e n o d e wi t h g a p a n d b y t h e co n t r a s t b e t w e e n t h e e cce n t ric a n d l a p t w o co n n e ct io n n o d e b e arin g ca p a ci t y i l l u s t r a t e s t h e g a p j u n ct io n n o d e a p p l ica t io n s i t is wo r t h p o p u l a ri z in g Ke y wo r d s t rus s j u n ct io n n o d e s w i t h g a p e cce n t r ic l a p j o in t b e a rin g ca p a ci t y 近年来 空间桁架结构发展迅速 在 实际工程中 多杆搭接交汇于节点处 易出现质量隐患 如相贯线切 割精度不高导致的缝隙过大 隐藏焊缝难以施焊导致 的漏焊 假焊等 且节点处的隐藏焊缝难以进行质量检 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 2 4 作 者 简介 周元 1 9 8 3 一 男 湖 北武 汉 人 工 程 师 副 经理 e ma il o h u s t f o x ma il e o m 查 因此 适 当地调整杆件角度和位置 使节点处杆件 间留有一定的间隙也是十分必要的 这样便于有效控 制焊缝的焊接质量 图1 中履带式起 重机臂桁架节点为偏心的有 间隙 连接 履带式起重机在施工作业时 需经常性地承受动 力荷载作用 因此其塔臂桁架连接节点的焊缝质量需 严格予以控制 弧板 引弧板角度和坡 口角度一致 图1 1 焊接完成后 切除并打磨平整 焊接时 焊缝一次焊接完成 避免停 焊造成焊缝温度下降影响焊接质量 腹板采用x 形坡 口 厚4 0 m m 为保证焊接质量 焊 接前先在一侧坡口内点焊钢筋作为衬板 然后焊接另 一 侧的焊缝 焊接完成后 用碳弧气刨对坡 口内的钢筋 图 1 1 引弧板角度和坡 口角度一致 衬板彻底清根后再焊接该处焊缝 两侧的焊缝均要一 次焊接完成 避免停焊造成焊缝温度下降影响焊接质 量 另外要保证焊缝间隙不小于5 m m 4结语 通过采取上述施工方法 兼顾了经济性和实用性 的要求 圆满解决了大型构件跨外吊装就位的难题 特 别是采用搬运 小坦克 移运器 减小了滑移时的摩 擦力 使滑移工作得以顺利实施 同时采取合理 的焊接 工艺 解决了厚板低温环境下焊接的技术难题 获得了 非常好的效果 参考文献 1 G B5 0 2 0 5 2 0 0 1 钢结构工程施工质量验收规范 s 2 J G J 8 1 2 0 0 2 建筑钢结构焊接技术规程 S 3 陈裕 川 焊接 工艺评定手册 M 北京 机械 工业出版社 1 9 9 9 3 9 8 建筑技术 第 4 3卷第 5期 图 1 履带式起重机塔 臂桁架节点 1 有 间隙连接节点的定义 有 间隙连接是指节点处各支管之间有一定 的间 隙 不相互搭接 图2 有间隙连接与杆件是否偏心 没 有必然的关系 主要与各交汇杆件的直径和夹角有关 对于无偏心的有间隙连接节点 其受力相对简单 相关 规范中已有介绍 e O a 0 a e 0 a 0 b 图 2 偏心与间隙 搭接 连接节点示意 a 间隙连接节点 b 偏心连接节点 若斜腹杆件中心线交汇于弦杆中心线的外侧 即 正偏心距 反之即负偏心距 在适当调整斜腹杆件位置 和角度以满足有间隙连接时 应尽量使交汇的偏心距 最小 并应符合偏心距的适用范围 经调整后的偏心有 间隙连接节点 会导致节点产生附加弯矩 并可能引起 节点承载力降低 2 偏 心连接节点承载 力的计算 以下通过对节点承载力的计算 说明偏心连接对 节点承载力的影响 钢管桁架结构在设计中对杆件截面规格 连接构 造有一定的要求 因此圆管桁架K 形节点承载力计算 公式应用范 围如下 d d t x d l t 5 0 但 0 4 0 斜 杆 与弦杆的直径比 0 2 d i d o 1 0 斜杆角度 3 0 0 i 9 0 间隙 n t 1 t 2 偏心距 一 0 5 5 d o e 0 2 5 d o 图3 图 3 K形间隙或搭接节点示意 K 形间隙或搭接节点承载力计算公式 N l f oF 1 8 1 0 鲁 M N1 s in O1 s inO 2 式 中 n 垦 妻 c 弦 杆 受 n 硒 仫 什 艾 压时 n 为负值 当n 0 4 n 1 0 当n 一 0 4 f n 1 0 0 3 n 0 3 r a 1 0 O 1 2 r 1 e x p 0 3 9 a 0 5 3 1 J 其 中 a 为无量纲的间隙或搭接 间隙为正 搭接 为负 a t a t e 为偏心距 两支管中心线不与主管相交 时为负 相交时为正 r d d 2 t 对有间隙的节点 还需进行冲切验算 3 Z s l nff i 间隙 与偏心距e 之间的关系 a d o 2 e co t O l d d 2 e co t O 2 d 1 s in O 1 d J s in 0 2 若 为K 形 间 隙节 点 则须 满 足 口 2 同时 鉴于 a 与e 之间的关联 a 的取值还应使e 满足 一 0 5 5 d o e 0 2 5 d o 3 偏心连接与搭接节点承载 力的比较 3 1 节点所 受轴 力的 给定 在实际设计中 一般先通过整体结构计算 选取适 合 的构件截面 再对杆件节点进行设计与校核 因此 节点力应先满足各杆件受力的要求 在桁架结构K 形节点设计 中 制约杆件强度 的主 要有两个因素 一是受拉斜腹杆的抗拉强度 可根据杆 件轴拉力校核公式 斛 算得到 二是受压斜腹杆 的稳定 可根据压杆稳定校核公式J7 r 1 T 矿计 算得到 其中杆件计算长度可根据设计规范中的相关 2 0 1 2 年 5 月 周元 等 钢管桁架有间隙连接节点的研究 3 9 9 规 定 取 值 钢 结 构 设计 规 范 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 第 1 0 1 4 条规定 分析桁架杆件 内力时 将节点视为铰接 且桁架平面内杆件的节间长度或杆件长度与截面高度 外径 之比不小于 1 2 弦杆 和2 4 腹杆 因此 Z 1 2 z i 2 4 d i 其中对弦 取0 5 对腹杆 取1 0 因 此 可根据以上制约条件 得到桁架结构中K 形节点各 连接杆件所能承受的最大轴力 考虑到 强节点弱构件 的设计原则 对节点各连 接杆件所能承受 的最大轴力取适当的放大系数 作为 节点承载力的限值 3 2 偏心连接与搭接节点承载力对比 从某实际工程 中选取一圆管 桁架K形连接节点 选定 各杆 截面 规格 及 各杆 间夹 角 杆件 材质 均 为 Q 2 3 5 B 以此作为对比计算的初始连接方式 经对其节 点构造的校核 此节点满足K 形 间隙或搭接节点承载 力计算公式的应用范围 根据受拉斜腹杆2 的抗拉强度验算 得到杆件2 的 临界拉力为3 2 4 8 k N 则杆件 1 的临界力为3 5 9 4 k N 根 据受压斜腹杆l 的稳定验算 得到杆件1 的临界压力为 4 0 9 4 k N 由此可推断 在此节点中 杆件2 的抗拉极限 为控制因素 应按此取值 同时 根据 强节点弱构件 的设计原 则 对杆件许用应力取 1 2 倍放 大系数 即得 到杆件1 受压力4 3 1 k N 杆件2 受拉力3 9 0k N 由此 两 斜腹杆产生的弦杆轴力为4 1 2 k N 即弦杆在节点两侧 的轴力差为4 1 2 k N 影响节点承载力的另一个因素是较小的弦杆压应 力 即 弦杆作为桁架结构的主受力构件 此值的选 定范围较大 初始假定为受拉弦杆轴力的2 倍 即为7 8 0 k N 则弦杆在节点另一侧的压力为1 1 9 2 k N 图4 7 8 Ok N 图 4 某 K形连接节点示意 下面给定不同的 与 的值 对比杆件搭接 与有偏心的间隙连接两类连接形式下的节点承载力 在对a 取 值 时 应 确保 偏 心距e 的取 值在一 0 5 5 d o e 0 2 5 d o 的范 围内 即一 1 5 0 1 5 mm e 6 8 2 5 m m 若 两斜腹杆件不搭接 则口 1 h 1 0 m m 3 2 1角度 一定 时 设定 5 5 0 2 6 5 并对 取不同的值 表1 表1 角度一定 时搭接与间隙连接承载力比较 6 r n 承载力 限值 N J 息 形式 a mm e r a m k N m k N N1 k N 1 搭接 6 2 1 O 7 1 1 4 3 1 1 6 5 7 8 0 1 O 1 3 8 9 6 8 0 4 31 1 58 1 轴压力 间隙 2 5 2 6 7 5 6 5 0 4 3 1 1 5 l 5 0 4 8 1 8 6 0 5 4 31 1 4 0 7 3 6 7 9 O 5 7 7 4 31 1 3 4 搭接 一 6 2 1 O 5 4 7 4 3 1 1 2 7 1 O 1 3 8 9 5 2 3 4 31 1 21 2 1 1 8 O 间隙 2 5 2 6 7 5 5 o 0 4 3 1 1 1 6 轴压力 5 0 4 8 1 8 4 6 5 4 3 1 1 0 8 7 3 6 7 9O 4 4 3 4 31 1 O3 搭接 6 2 l 0 7 1 1 4 3 1 1 6 5 7 8 0 1 O 1 3 8 9 6 8 0 4 31 1 58 3 轴拉力 间隙 2 5 2 6 7 5 6 5 0 4 3 1 1 5 1 5 0 4 8 1 8 6 0 5 4 31 1 4 0 7 3 6 7 9 O 5 7 7 4 31 1 3 4 搭接 6 2 1 O 7 1 1 4 3 1 1 6 5 l 1 8 0 1 O 1 3 8 9 6 8 0 4 31 1 5 8 4 轴拉力 间隙 2 5 2 6 7 5 6 5 0 4 3 1 1 5 1 5 0 4 8 1 8 6 0 5 4 31 1 4 0 7 3 6 7 9 O 5 7 7 4 31 1 3 4 对有间隙的节点 还应进行冲切验算 通过计算 只与角度有关 以上各分 类中 为9 5 4 k N 均大于 各节点轴向承载力 可不考虑其先发生冲切破坏 由以 上计算结果可得到以下结论 1 综合以上4 个节点承载力的计算结果 在不同 的弦杆轴力条件下 为使节点有间隙连接 偏心距由0 逐步增加 则节点承载力将随之逐步减小 但仍能满足 节点设计的强度要求 2 弦杆较小正压力 受压为负 受拉 为正 是节点承载力的一个关键因素 当为压力时 其绝对值 越大 节点承载力越小 对节点越不利 当为拉力时 节 点承载力无变化 且相比其为压力时 对节点更有利 3 当弦杆较小正压力 取一 1 1 8 0 k NH ff 其节 点承载力较弱 较能反映不同节点形式对承载力的影 响 因此 取一 1 1 8 0 k N 作为后续分析 的基准值 3 2 2轴 力一 定 时 设定 为一 1 1 8 0 k N 并对 汉不同的值 表2 4 0 0 建筑技术 第 4 3 卷第 5期 表2 轴力一定时搭接与间隙连接承载力比较 承载力 限值 Nt 1 丁 熙 角度 形式 a f m m e m m Nl k N k N l 搭 接 6 2 1 0 5 4 7 4 3 1 1 2 7 1 O 1 3 8 9 5 2 3 4 3 1 1 21 5 间隙 2 5 2 6 75 5 0 0 4 3 1 1 1 6 0 l 5 5 0 z 6 5 5 0 4 8 1 8 4 6 5 4 31 1 0 8 73 6 7 9 O 4 4 3 4 31 1 0 3 搭接 2 8 2 7 O 5 1 8 3 9 0 1 3 3 1 O 41 0 4 4 7 3 3 9 0 1 21 0 t 6 5 6 间隙 1 8 4 9 6 2 4 6 1 3 9 0 1 1 8 0 2 6 5 2 8 6 0 3 4 4 4 8 3 9 0 1 1 5 35 6 7 8 5 4 3 8 3 9 0 1 1 2 搭接 2 9 4 0 O 5 7 4 4 6 0 1 2 5 1 0 4 0 7 0 5 2 3 4 6 0 1 1 4 0 l 5 5 7 间隙 1 9 4 9 9 9 5 o 9 4 6 0 1 1 1 7 5 2 8 5 9 2 9 4 9 5 4 6 0 1 08 3 6 6 7 5 5 48 4 46 0 1 O5 搭接 4 7 3 0 6 3 1 4 9 3 失稳 1 2 8 1 0 1 1 6 2 6 0 6 4 9 3 失稳 1 2 3 0 1 45 8 间隙 3 4 3 0 5 5 5 6 3 4 9 3 失稳 1 1 4 0 z 7 5 6 8 5 7 3 6 5 1 8 4 9 3 失稳 1 0 5 8 1 6 7 6 1 5 0 8 4 9 3 失稳 1 O 3 对 以上情 形 中的有 间隙连接 依 次 为9 5 4 9 0 4 9 5 4 1 0 3 7 k N 均大于各节点对应的轴向承载力 可不考虑其先发生冲切破坏 由以上计算结果 可得到 以下结论 1 当 1 4 5 O z 6 5 e 0 时 a 1 8 5 m il l 当0 l 5 5 0 1 5 5 e O 时 a 1 9 0 mm 均无须偏心连接即能保 证节点有间隙连接 可严格按照不偏心的连接方式进 行节点设计 本文不作考虑 由此可见 在特定的截面 夹角情况下 无偏心连接节点也能确保节点留有一定 的间隙 2 在节点设计中 为使节点留有一定的间隙 往 往需适当调整腹杆角度 因此有必要考虑不同的腹杆 夹角对节点承载力的影响 综合以上4 个节点承载力计 算结果 在不同的腹杆夹角条件下 偏心距由0 逐步增 大 则节点承载力将随