钢管结构内置式刚性连接节点理论分析.pdf

浙江 建筑 第 2 9卷 第 8期 2 0 1 2年 8月 Z h e j ia n g Co n s t r u c t io n Vo 1 2 9 No 8 Au g 2 0 1 2 钢管结构 内置式刚性连接节点理论分析 Th e o r e t i c a l An a l y s i s o f Bu i l t i n Ri g i d Co n n e c t i o n J o in t f o r S t e e l Tu b e S t r u c t u r e 朱 罗军 王 生宏 金 海 费建伟 Z HU L u o j u n WANG S h e n g h o n g j lN Ha i F E I J ia n we i 杭州恒达钢构股份有限公 司 浙江 杭州 3 1 1 2 2 3 摘要 大跨 度空 间钢管结构利用 内置式刚性 连接节 点 实现了在 钢管内部采用高 强螺栓装 配式连接形 成刚性节 点 与传统 的内衬钢管现场焊接 或法 兰盘连接相 比 焊缝质量易于保证 桁架整体流线美 观 受力均匀 节点与构 造安全 合 理 并通过计 算 推导给出在节点受 压时的十字钢板厚度计算公式 关键词 大跨 度 空间钢管桁架 内置式刚性连接节点 高强螺栓 中图分类号 T U 3 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 3 7 0 7 2 0 1 2 0 8 0 0 2 8 0 3 1 概 况 国际 空间结构 杂志主编马考夫斯基曾表述 3 0年前 空 间结构还被认 为是一种有兴趣但仍属 陌生 的非传统 结 构 然 而今 天 已经 被 全 世 界广 泛 接 受 大 跨度 空 间结 构 在 近 2 0年 来 发 展 迅 速 方 兴 未艾 而 大型公 共 建 筑 一 直 是 空 间钢 结 构 的 主要 生 长点 大 跨度 钢 管桁 架 的连 接 节 点 是 诸 多 钢结 构 文献 中主要研 究方 向之 一 其 中较 实用 新 型 的连 接 节点 为 主 次 管 u 型 插 板 连 接 法 兰 盘 对 接 连 接 以及传 统 的 内衬 钢 管 现场 焊 接 连 接 等 管 与 管 的现场高空拼接节点 沿用 了传统的内衬钢管现场 焊接 连接 或法 兰盘 连 接 方式 而 这类 连 接 节 点 焊 接 效率低 对接焊缝高空衔接质量不能有效保证 而且 高空作 业 难 度 大 施 工 费 用 高 连 接 处 应 力 容 易 集 中 还存在桁架整体外形不美 观等诸多缺点 内置 式 刚性连 接节 点是 通过 高强 螺栓 十字 型连 接板 夹 板等构造 从而实现了减少现场劳动强度 保证节点 施工 质量 同时具 有外形 美 观等优 点 且适用 于 工业 化批 量 生产 2 钢构 结构 内置式刚性节点轴心抗拉 抗 压 抗扭的理论分析 选 常 用 规格 b 1 8 0 mm 6 0 mm无 缝 钢 管作 为 分析构件 材质 Q 2 3 5 B 1 4扇 十字板 的宽度取最 小宽 度 9 4 m m 夹板的宽度取 6 0 m m 1 4扇十字板单边为 1 0 9 S摩擦 型高强度 螺栓为 3个 螺栓 开孔为螺 栓直 径 d 2 m m 取 十字 板 的 1 4扇作 为 分 析 内容 因 构造上是对 称结 构 按 均匀 受 力分 析 十字 连 接节 点 与钢管等 强连接 假定 的节点分析模 型见 图 1 收稿 日期 2 0 1 2 0 5一 O 7 作者简介 朱罗军 1 9 8 3 一 男 浙江富阳人 工程师 从事钢结构设计工作 1 2 2 图 1 内置 刚性节点示意 图 第 8期 朱罗军等 钢管结构内置式刚性连接节点理论分析 2 9 按照 钢结 构设计规范 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 第 5 1 1 条 7 2 2条 7 1 2条 规 定 进 行 节 点 的受 拉 计算 2 1 1 节点 抗拉 承 载力 高强 度 螺栓 十 字板 夹 板 计 算此类 计算 包 括下 述 五种 1 1 4扇无缝钢管抗拉承载力计算 由 N 厂得 f A 2 1 5 7 盯 1 8 0 一1 6 8 7 0 5 1 6 2 N 即 l7 6 3 k N 2 1 4扇高强度螺栓抗 剪连接强度计算 由 0 9 n f1 t P得 N 3 0 9 2 0 4 5 P1 1 7 6 3 k N 即 P1 7 3 k N 选用 M1 6 1 0 9 S级高 强度 螺栓 P 1 0 0 k N Pl 73 kN 3 1 4扇十 字板 净截 面抗 拉 承载 力计 算 由 1 0 5 得 1 7 6 3 1 o 0 0 1 一 o 5 An 68 4 mm2 A 6 t 得 t 9 0 mm 取 十字板 厚 为1 0 m m 4 1 4扇 十字板 毛截 面 抗拉 承载 力计 算 由 N 厂得 A 孚 8 2 0 A 6 t 得 t 8 7 m m 取十字板厚为 9 m m 计算结果表 明 十字板 的应力 由净截 面计算起 主 要控 制 取 十 字板厚 度 为 1 0 mm 5 1 4扇夹板净截面承载力计算 由 1 一 5 厂 得 3 42 An 一 mm A 6 得 8 1 m m 取 十 字板 6 1 4扇夹板毛截面抗拉承载力计算 由 N 得 1 0 A 孚 0 A b f 得 6 8 m m 取 十 字板 厚为 8 mm 计算 结 果 表 明 夹 板 的 应力 由净 截 面 计算 起 主 要控 制 取夹 板 厚度 为 1 0 mm 满 足要 求 2 1 2 节 点 焊缝 连接 计算 十 字型 钢板 与 圆钢管 焊缝 连 接采 用坡 口对 接 融 透焊 接 焊缝 高 度取 管 壁 厚度 8 m m 构件是轴心受压或轴心受拉 受力方 向 与焊 缝 长度 方 向平行 焊 缝 实际受 力形 式 为受 剪 取 焊缝抗剪强度设计值为 1 2 5 N mm 确定焊缝 计算 长 度 盯 N 8 8 1 5 m m 当施 焊 不 采 用 引 弧 板 时 焊 缝 长 度 应 加 2 t 因此 实 际焊 缝 长度 应 取 Z 8 8 1 5 2 8 1 0 4 1 5 mm 取 1 1 0 mm 2 2 节点 轴心 受压 计 算 内置 刚性 连 接 节 点 上 下段 为钢 管 节 点连 接 段 为 十 字板 截面 在 轴心受 压 条件 下 钢管 的失 稳破 坏 形式为弯 曲失稳 十字形构件的失稳形式 为扭转失 稳 要求钢管弯曲失稳破坏先于十字形构件扭转失 稳 破 坏 达 到节 点 的安 全性 设计 要求 假 设构件 计算长度 为 Z 材 料 弹性 模 量为 E 剪切 模 量为 G 扇形惯性 矩 为 L 抗扭惯 性矩 为 在 已知钢 管构件直 径 D 壁厚 6 十字板长度 为 D 2 0 计 算两者等稳定条件下的 t 截面尺寸图见图 2 图 2 截面尺寸图 浙江建筑 2 0 1 2年第 2 9卷 式 中 一为 钢 管 截 面 惯 性 矩 取 x 詈 D 一 6 6 Z 一 构 件计算 长度 十字形 截 面扭转 失稳 临界 力为 N eo 孚 删 五 2 式 中 一 残余应 力 引起 的内力 取R 0 使 N N 经 简化 计算得 出十字板 厚度 t 的 取值 3 r 3 E 6 D 6 3 D 2 0 一 6 4 G 1 2 6 6 D一 6 D 2 0 一 选用 规格 1 8 0 mm 6 0 m m 钢 管作 为 分 析 构 件 材质 Q 2 3 5 B 计 算 长度取 f 0 2 5 0 0 mm 采用 上 式得 出十字板 最小 厚度 t 计算 如下 3 r3 E S D 8 3 D 2 0 6 4 G 竹 2 0 6 1 0 6 1 7 4 2 0 0 6 4 2 5 0 0 0 7 9 1 0 一 1 2 77 8 1 0 9 mm 取 十字 板厚度 为 1 2 mm 3 结 语 通 过对 钢管 结构 内置式 刚性 连接 节点 从节 点构 造到 内力分 析计 算 探 讨 了这 种 新 型 节 点 的安 全 性 和可靠性 为广大钢结构设计 施工人员提供了一种 全新 的节点 构造 形式 可供 犬 家参考 然 而在节 点受 压条件下十字钢板的稳定与节点的稳定方面仍需要 做更 深一步 的实 验研 究 和探索 参 考 文 献 1 秦文 陈小才 空间钢管桁架结I构的发展及应用 J 科学之 友 2 0 1 1 1 4 6 7 2 张启文 夏志斌 黄友 明 等 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3钢结构设 计规范 S 北京 中国建筑工业 出版社 2 0 0 5 3 李星荣 钢结构连接节点设 计手册 M 2版 北京 中国建筑 工业 出版社 2 0 0 5 2 4 2 7 4 陈骥 钢结构稳定 理论与 设计 M 北京 科学 出版社 2 0 1 1 2 6 3 2 7 5 上接 第 2 3页 3 提升时的加载和下 降就位时的卸载均采用 分级机制 以理论 提升荷 载为依据 依次为 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 在 确认 各部分 无异 常 的情 况 下 可继续加载或卸载到 9 0 1 0 0 直至钢连廊 结 构全 部离胎 模 或荷载 完全 转移 至支 座上 4 钢连 廊提 升及 安装 过程 中 需 在 空 中停 留 液压提升器独特的 自锁功能设计 可保证钢连廊在 吊装过 程 中能够 长期 安 全 地 在 空 中停 留 工程 地 点 的高 空风力 较大 提 升 过 程 安全 及 安 装 精 度需 要 限 制钢连廊在高空摆动 可通过导链与主楼框架临时 连 接 的方 式解 决