交错桁架结构抗剪连接件的设计与构造

第23卷第1期

长　沙　交　通　学

　院　学　报Vol .23No .12007年3月J O URNAL O F CHANGSHA COMM UN I CAT I O NS UN I VERS I T Y Mar .2007 文章编号:1000-9779(2007)01-0010-04

交错桁架结构抗剪连接件的设计与构造

付　涛1,刘永健1,2,严　钧3

(1.长沙理工大学桥梁与结构工程学院,湖南长沙　410076;2.长安大学公路学院,陕西西安　710064;

3.长沙理工大学建筑与城规学院,湖南长沙　410076)

摘　要:为推广应用钢结构交错桁架体系,采用理论分析及数值计算方法,分析了交错桁架

结构楼板与钢弦杆连接的抗剪连接件的工作机理.通过算例,介绍了抗剪连接件的合理设置

方式、类型及数量的确定,并给出了交错桁架结构抗剪连接件的基本设计方法.

关键词:钢结构;交错桁架体系;抗剪连接件;设计;构造

中图分类号:T U391 文献标识码:A .

收稿日期:2006-10-23

基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(00JJY2076)

作者简介:付　涛(1972-),女,长沙理工大学讲师.钢结构交错桁架体系是一种新型的结构体系,其主要特点是:作为竖向承重构件的柱子仅在结构的

两纵向外边布置,而主要水平承重构件———钢桁架则跨越整个结构横向,高度等于建筑层高[1].把结构

楼板搁置在桁架的弦杆上时,结构楼板起到了承担和传递竖向荷载与水平荷载的作用,其材料选取、设计方法以及构造措施均有别于一般的混凝土楼板.楼板与钢弦杆采用抗剪连接件连接,承担和传递水平荷载.在本研究中,以交错桁架结构的抗剪连接件为研究对象,利用图例,计算分析其在结构抵抗水平荷载方面的重要作用及其设计计算的一般原理,并初步给出抗剪连接件的设计构造方法,以利于交错桁架体系的推广应用.

1　交错桁架结构水平荷载传递过程的分析

1.1　水平荷载在桁架与楼板之间传递过程的分析

水平荷载作用于交错桁架结构时是按刚度分配的原则分别分布到各榀桁架上的[1]

.假定交错桁架建筑的每一榀桁架具有近似相等的剪切刚度,由此可确定各楼层的刚度中心(由于桁架布置奇、偶层是不同的,因此奇、偶楼层的刚度中心也不同);将均布水平荷载偏于安全地假定为作用于刚度中心的集中荷载,考虑荷载一定程度下偏心的影响,根据各榀桁架至刚度中心的距离远近,即可确定每榀桁架承担的水平剪力.

在交错桁架建筑物中,楼板的功能与其他建筑物楼板的功能有着显著的不同,主要表现为它承担了从上层桁架传来的水平荷载并将之传递给下层桁架[1].考虑楼板承担和传递水平荷载的作用,可将整层楼板视为一水平放置的深梁(简称DB 深梁)的腹板,如图1(a )所示;交错桁架建筑周边的联系钢梁(简称S B 梁)则视为该深梁的翼缘,如图1(b )所示;与某层楼板相联系的下层桁架视为深梁的支座,上层桁架传递水平荷载的过程视为施加在深梁上的集中荷载,如图1(c )所示.

用于交错桁架结构的楼板可采用混凝土预制楼板、现浇楼板以及压型钢板-混凝土组合楼板[2],

在承担风荷载及低震级地震荷载时,这几类楼板均可认为是刚性楼板.如同工字形截面的钢梁,深梁DB 的腹板(即整层楼板)主要用于承担梁内剪力,而上、下翼缘(即S B 梁)主要用于承担梁内弯矩.

1.2　周边钢梁传递水平荷载过程的分析

假设作用于DB 深梁的弯矩为M ,则建筑物纵向两侧的S B 梁分别作为深梁的上、下翼缘.设S B 梁沿其纵轴方向承担的力为H,对H 进行近似计算时,有:

H =M /D.

(1)式中:D 为桁架跨度(即建筑物横向宽度,见图1(b ))

.

S B 梁承担了轴向力H 和自重,通过与钢柱的连接将之传递给钢柱.在此过程中,楼板与S B 梁的连接以及S B 梁与钢柱的连接必须能够起到传承荷载的作用.如图2所示,通过在预制混凝土楼板内设置抗剪连接件以及预埋焊接板,将楼板与梁连接起来,梁与柱的连接可按照普通钢梁与钢柱的连接形式进行处理.

1.3　楼板传递水平荷载过程的分析

根据各榀桁架分担的剪力,由1.1中的分析可以求得作为连续深梁楼板内的剪力和弯矩分布,如图3所示;由1.2中所得S B 梁承担的轴向力H 可求得楼板各区段内剪力流f H 的大小(见图1,3).

f H =H /d i .

(2)式中:d i 为沿纵向各弯矩区段的长度(见图3)

.

1

1　第1期 付　涛,等:交错桁架结构抗剪连接件的设计与构造

2　交错桁架结构楼板内抗剪连接件类型及作用分析

2.1　楼板内抗剪连接件类型

当混凝土楼板与桁架弦杆及周边钢梁连接时,板中抗剪预埋件有两类,如图4所示.

1)板端预埋件.预埋件m1焊接于弦杆的上翼缘,用于传递竖向荷载作用下的支座竖向剪力和弯矩(如设计为简支板则端部无弯矩)以及增强钢梁和混凝土之间的纵向抗剪能力[3];节点处贯穿一根横向钢筋(预埋件m

2

),用以传递水平荷载引起的部分剪力流.

2)板侧预埋件.搁置于周边钢梁上的楼板,其与S B梁接触的侧边应预埋钢板及抗剪连接件m3,将楼板内的剪力传递给S B梁.

2.2　交错桁架结构楼板内抗剪连接件工作机理的分析

在钢-混凝土组合梁中,抗剪连接件主要是用来承受钢筋混凝土翼板与钢梁之间的纵向剪力以及抵抗翼板与钢梁之间的掀起作用[4].连接件的破坏形式主要有两种:①受剪受拉破坏(混凝土强度等级较高时发生);②连接件附近混凝土破坏,表现为连接件前面根部混凝土的局部受压破坏.

在交错桁架结构中,承受竖向荷载作用时不考虑楼板和桁架的共同工作,板端预埋件m

1

用于抵抗

支座处的竖向剪力;承受水平荷载作用时考虑楼板和桁架的共同工作,预埋件m

1

,m2,m3共同起到抵抗楼板内剪力流、传递水平荷载的作用.

当采用现浇混凝土楼板时,楼板与钢弦杆/边梁之间的相互作用包括混凝土与钢材表面的化学作用力、摩擦力和抗剪连接件的剪切作用.当采用预制楼板时,相互作用仅包括表面摩擦力和抗剪连接件的剪切作用.文献[5]中的算例表明:在使用荷载下,交错桁架结构体系的楼板与钢桁架间的滑移并不很大,当均布线荷载为10kN/m时,滑移的最大值分别为0.52,0.54mm,而普通钢-混凝土组合梁极限破坏时其滑移可达2～3mm.为简化问题,在本研究中,仅考虑抗剪连接件传递水平荷载作用.

2.3　抗剪连接件承载力的计算

可用于组合结构的抗剪连接件形式有栓钉、槽钢和弯筋等,在已建成的交错桁架结构中,大量采用的连接件是栓钉,本研究的叙述中即以栓钉为例.根据中国钢结构设计规范[6]中的要求,对1个栓钉连接件,其承载力设计值的确定为:

N c v=0.43A s E c f c≤0.7A sγf.(3)

式中:N c

v 为一个抗剪连接件的抗剪承载力设计值;A

s

为圆柱头栓钉钉杆截面面积;E

c

为混凝土的弹性

模量;f

c

为混凝土的抗压强度设计值;γ为栓钉材料抗拉强度最小值与屈服强度之比;f为圆柱头栓钉抗拉强度设计值.

因此,设计栓钉连接件的主要工作在于:确定栓钉的材料性能等级和栓钉的截面型号(截面面积).对连接件数量和间距的计算则采用塑性设计方法,即在每一区段内按照连接件均匀布置、均匀受力来考虑[4,7].

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