万能杆件结构设计方法探讨.doc

.文章编号:1009-7767(2010)01-0000-00万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 邮编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：TU731.2 文献标志码：BOn 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，一般均作为危险性较大的措施项目进行控制，不单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，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，容许承载能力判断不准确，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 万能杆件结构的特点1.1 万能杆件类型万能杆件称号有很多种，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（2437mm2）加工，采用Q235号钢，截面比原12012010（2330mm2）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，其万能杆件主要杆件、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1 YNK-M万能杆件主要参数名称截面/mm拼装方式(肢数)螺栓直径/mm可形成的螺栓剪切面数（双剪时，剪切面数为螺栓数两倍）容许承载力/tN1(N2)120120101N12N13N14N1275、7、10、14、15、20、21、2819.5148.1N39090102N33N34N3276、9、1234.368.7N4757582N43N44N4224、6、8、12、1615.251.6N5757581N52N5222、3、4、66.517.2不同的材质、不同的杆件系列、不同的杆件截面、不同螺栓直径与数量，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。为了方便万能杆件结构的设计，万能杆件结构有一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、联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。比如联结角钢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），主要有几点：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，就必须有一个竖向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，必须新加工一块节点板，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130mm，一般称为M29号板。M29号板由于多了130mm，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，是一个常见的薄弱环节。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，为螺栓抗剪控制。3）N1立柱或弦杆外侧节点N1与N1（N2）联结的节点外侧，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，但如是受力时，仅新加工的柱脚连接板与预埋钢板焊接，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杆件作为承压的弦杆。图1 薄弱节点示意图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1mm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10cm以上。2）多次周转使用难免存在杆件的锈蚀、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，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一套容许承载力表格，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的杆件的最大受力，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）进行荷载计算进行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，特别是有的设计院，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，采用极限应力法设计万能杆件结构是非常麻烦的，要准确计算整个万能杆件结构，需要对杆件、节点板、螺栓等一起进行极限应力分析，如果真正要建立包括节点板、螺栓的整体模型几乎不可能，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。简单地将万能杆件材料输入计算机，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。要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极限承载能力指标采用轴力的形式，形成相应的极限承载能力的表格，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，由于有一套成熟的表格，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根据万能杆件结构的功能要求，根据经验或已有的实例选择结构形式。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，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，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，但是要求要有丰富的经验，计算结果一般不够细致、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，对结构形成较大影响。比如：对于分两次浇筑的混凝土梁荷载，简化计算时，常常将两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，有一定的浪费。如果要详细分析，则第二次混凝土荷载应由第一次已浇混凝土和支架一起承受，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，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，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，分解荷载将更为准确。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，也可以要求结构实际按模型要求进行边界条件的处理。挠度分析能直观的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，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、N5四种类型，查找每一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。而其他N1、N3、N4杆件则可能将杆件变换为型钢，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，主要包括：1）与N18连接的N5杆件变N3杆件N5与N18板件连接时，一般作为起稳定作用的杆件，节点处仅有两个螺栓，最多设置为2N5，两个螺栓双剪、两个孔壁承压，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4N5N5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，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，设计者忽视这一点，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，也应增设垫板，采用4N6包裹2N1杆件，防止M29号板失稳。5）万能杆件节点与型钢分配梁的连接容易出现问题在万能杆