钢管结构设计的基本知识.ppt

钢管结构设计的基本知识 中冶赛迪工程技术股份有限公司建工设计部 前言 钢管结构是由圆管和矩形管 含方管 制作加工而成的结构 钢管结构可以是独立的梁 柱构件 也可以组合成格构式构件 钢管材料的加工有热加工管和冷成型管 由于钢管结构在力学 防腐性能和经济指标上的优越性 逐渐为人们所认识 国内除网架结构大量使用园钢管外 在其它工业建筑中也开始采用钢管结构 如成都无缝钢管厂 上钢一厂 武钢1580mm热轧厂房等 钢结构设计规范 只适用于不直接承受动力荷载的钢管结构 一 钢管结构的种类和特点 种类 钢管是封闭截面 在建筑结构中使用的钢管一般为薄壁管 有圆管 CHS 和矩形管 RHS 两种 方管是矩形管的特殊规格 钢管结构的特点 1管材截面的几何特性好 截面材料绕行心分布 截面回转半径大 抗扭能力强 作为受压或压弯和双向受弯构件 其承载力较高 2从抗流体动力特性来说 圆管截面最好 在风力和水流作用下 其作用效应大为降低 矩形管截面与其他开口截面相类同 3在平均厚度和截面积相同的情况下 钢管的外表面积约为开口截面的50 60 左右 对防腐蚀有利 而且可以节约涂层材料 4其节点连接适合采用直接对接焊接 可不通过节点板和其它连接件 即省工又省料 5外形比较美观 6必要时 还可以在管内灌注混凝土 以形成组合构件 由于管结构具有上述优点 故用钢量省 与由开口截面制作的结构相比 在工业建筑中能节约钢材20 左右 在塔架结构中节约量可达50 钢管结构可根据构件的受力情况 采用圆管结构或矩形管结构 也可混合使用 矩形管一般用作弦杆 而圆管用作腹杆 弦杆也可采用工字钢或H型钢 而腹杆用矩形管或圆管 结论 圆管适用于轴心受力和受扭构件 轴心受压时稳定性最好 矩形管适用于轴心受力 受弯 偏心受力和受扭构件轴心受拉时强度最高 适用的规范 钢结构设计规范 和 冷弯薄壁型钢结构技术规范 工业与民用建筑中钢管结构的适用范围 适用于钢管制作的结构和构件a直接将钢管作为独立的实腹构件 如 方管檩条 单根的钢管柱子 烟囱 圆管通廊和工业管道 b将钢管作为杆件 组成格构式结构或构件 如 钢管桁架 格构式柱子或支架 以及网架和塔架等 对管壁厚度较小 如6mm以内 的钢管结构不适用于有强烈浸蚀作用的环境 仅适用于屈服强度不大于355N mm2以及屈强比 fy fu 0 8的管材 即用于Q235和Q345钢 钢管材料 根据生产方式不同 可分为冷成型管和热加工管两大类 冷成型管 一般有两种 用高频电阻焊焊接的直缝管 不进行后续热处理即可使用 和用溶化焊 埋弧焊 焊接的直缝管或螺旋管 必要时对焊缝进行局部热处理 在建筑建筑结构中 一般采用高频电阻焊的冷成型直缝管 在钢管混凝土结构中曾采用埋弧焊焊接的钢管 管材尺寸较大 热加工管 共有下列几种1热轧无缝钢管2炉焊管 3将冷成型管进行后续热处理使之达到与热轧无缝管等效的冶金条件 4对电阻焊的直缝管在最后定型前的成型过程中加热者 属于热加工管结论 除炉焊管外 热加工管的成本较高 而冷成型管不但生产成本低 还具有尺寸准确和生产灵活等优点 故建筑结构用钢管一般采用冷成型管或炉焊管 热加工管的力学性能等同于热轧型钢 而冷成型钢管由于在制作过程中出现的冷作硬化现象以及由此形成的残余应力 基本设计规定 设计原则 国家标准 建筑结构可靠度设计统一标准 以概率理论为基础的极限状态设计方法 以分项系数设计表达式进行计算 承重构件按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计 计算结构或构件的强度 稳定性以及连接的强度时 应采用荷载设计值 荷载标准值乘以荷载分项系数 计算疲劳和正常使用极限状态的变形时 应采用荷载标准值 建筑结构荷载规范 设计指标 钢材和焊缝的强度设计值采用了普钢的规定值 见 钢结构设计规范 强度设计值的折减系数 无垫板的单面对接焊缝0 85施工条件较差的高空安装焊缝0 9屋架 刚架横梁中采用冷成型矩形管的受压弦杆及支座斜杆 0 95同时存在时 其折减系数应连乘 钢管截面的宽 或径 厚比限值 弹性设计时 1受力钢管的壁厚不得小于2mm 也不宜大于24mm2圆管 受压或受弯d t不宜大于100d是圆管外径3矩形管 各种受力状态b t h t 40b h是矩形管的宽度和高度 构件的长细比及构件计算长度同普钢构件钢管结构的一般构造要求 1主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸 主管的壁厚不应小于支管的壁厚 2主管与支管或两支管轴线之间的夹角不宜小于30 3支管与主管的连接节点处 除搭接型节点外 尽量避免偏心 偏心满足 0 55 e h e d 0 25时 计算节点和受拉主管可不考虑偏心的影响 4支管与主管的连接焊缝 应沿全周连续焊接并平滑过渡 5有间隙的K形或N形节点中 支管间隙a应不小于两支管壁厚之和 6在搭接的K形和N形节点中其搭接率应满足25 100 7在搭接节点中 当支管厚度不同时 薄壁管应搭在厚壁管上 支管强度等级不同时 低强度管应搭在高强度管上 8角焊缝的焊脚尺寸hf 对矩形管hf 1 5t对圆管hf 2tt为相连板件中较薄焊件的厚度9支管与主管的连接可采用角焊缝或部分角焊缝部分对接焊缝 当支管与主管的管壁之间的夹角大于或等于120 的区域宜用对接焊缝或带坡口的角焊缝 10钢管构件的主要受力部位应避免开孔 如必须开孔时 应采取适当的补强措施 11格构式管柱在受有较大横向力 弯矩或剪力 处和运送单元的两端应设置横隔外 对细长类管柱可适当增加横隔数量 钢管结构计算的一般规定 在静力荷载作用下 不需验算局部稳定的热加工钢管在计算中可考虑塑性发展系数r 而冷成型管则不考虑塑性发展 及取r 1 0在动力荷载作用下 不论热加工管或冷成型管 均不考虑塑性发展 r 1 0园钢管和矩形管构件在计算中存在的差别 园钢管构件的强度按净截面计算 整体稳定按毛截面计算 局部稳定按净截面计算 变形用毛截面计算 矩形管构件的抗压强度按有效净截面计算 抗拉强度按净截面计算 稳定按有效截面计算 变形按毛截面计算 主管和支管的轴心受拉压设计值按普钢杆件承载力设计值设计 钢结构规范的第5章 支管的轴心力设计值不应超过节点承载力设计值 静载作用下管节点承载力计算的一般规定 管节点即支管 腹杆 和主管 弦杆 的连接节点 常用的管节点形式有 a圆管节点 即主管及支管均为圆管的节点 b矩形管节点 即主管为矩形管而支管为矩形管或圆管的管节点 c弦管为工字钢或H型钢而腹杆为矩形管或圆管的节点 种类 平面管节点或空间管节点 均是主管贯通 网架结构除外 并采用将支管直接对焊在主管外表面的简单管节点连接 不得将支管插入主管内 对压扁管端的构造要求 对尺寸较小 受力不大的构件 可将圆管支管端部压扁后再对焊于主管上 或通过节点板连接 1不论是全部或部分压扁 从圆形管到扁平处的最大斜度i应小于或等于25 1 4 2要求径厚比d t 25 否则压扁后会使抗压强度降低 3对于受压支管 为避免局部屈曲 扁平部分尽量缩短 对主管不连通的结构构件 如网架结构 可采用球形节点 个杆件均与空心球或螺栓球相连 静载作用下管节点承载力计算内容 支管沿周边与主管相焊 焊缝承载力应等于或大于节点承载力 角焊缝的计算厚度沿支管周长是变化的 当支管轴心受力时 平均计算厚度可取0 7hf 焊缝长度取相交线长度 见钢结构规范10 3 2条 圆管 主管和支管均为圆管 节点 各种形式 中 为保证主管的强度 支管轴心力应满足各节点的承载力设计值 见钢结构规范10 3 3条 规范的计算公式对支管与主管的外径比 支管的径厚比 主管的径厚比及支管与主管的夹角都有严格规定 矩形管 主管为矩形管 节点 各种形式 中 为保证主管的强度 支管轴心力和主管的轴心力应满足各节点的承载力设计值 见钢结构规范10 3 4条 有严格的适用范围 钢管结构设计注意的问题 钢管结构设计中需注意下列问题 1管壁较薄的钢管杆件易发生局部失稳 2平均宽度比较小时连接节点处的局部变形较大 3管材的材料性能是否符合标准 4连接焊缝的强度是否有保证 5对壁厚小于6mm的结构 要采取可靠的防锈措施 一般北方地区壁厚不小于2 5mm 南方地区不小于3mm 6在格构式构件 包括桁架和格构式柱 中 节点和杆件按等强设计 7对受力较大的节点 可设置加强板或加劲环等 当由节点强度控制时 宜采用搭接节点 易保证节点强度设计值 8钢管桁架 计算桁架内力时 假定桁架节点为铰接 即忽略了由于节点刚性产生的次弯矩 在强度计算中 可保留适当的富裕量 特别是端斜杆受力较大的部位 当节点偏心距e在 0 55 e d e h 0 25的范围内 在计算节点和受拉主管时 可忽略此偏心弯矩的影响 但受压主管必须考虑此偏心弯矩 按压弯构件计算 该偏心弯矩不分配给支管 全部由节点两侧的受压主管承受 各按其线性刚度分配 常用的格构式平面桁架的腹杆体系有人字形和单斜式 用于平行弦桁架 芬克式 常用于三角形桁架 空腹桁架 外形美观 内部空间大 腹杆最少 只有竖杆 9