矩形钢管混凝土桁架设计

J . A. Packer 和湖南大学进行的矩形钢管混凝土受 拉节点试验结果均表明 ,钢管内填混凝土对受拉节点 的极限强度提高不明显 ,因此建议采用矩形钢管桁架 受拉节点的承载力计算公式 。当腹杆与弦杆钢管宽度
N
u 1
=
φc
f
c′siAnθb 1
(
A A
d)
b
015
(1)
式中 , A d = ( h1/ sinθ1 + 4 h0) b1 , A b = h1 b1/ sinθ1 ,φc =
016 , f c′为混凝土圆柱体抗压强度 。
式(1) 与试验结果相比 ,偏于安全 。对于受拉节点
仍偏安全地采用矩形钢管桁架节点的强度计算公式
实际上 ,节点类型应从节点的传力方式的本质上 进行划分 ,而不是简单地根据节点几何形式进行划分 。 根据节点的传力特点 ,节点类型可划分为[5] (见图 2) :
(1) 腹杆轴力垂直于弦杆的垂直分量全部由弦杆 横截面剪力所平衡时 ,节点划分为 T 型或 Y 型节点 。
(2) 当位于弦杆同一侧腹杆轴力在垂直于弦杆方 向能自相平衡时 ,节点划分为 K 型或 N 型节点 。
杆管壁与弦杆管壁之间夹角大于或等于 120°时也可部 分采用角焊缝 ,部分采用对接焊缝或带坡口的角焊缝 。 当腹杆与弦杆的宽度相等 ,采用图 5 所示的喇叭型坡 口焊缝时 ,应采用焊接工艺评定 ,以保证焊接的质量和
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焊缝的强度 。 腹杆与弦杆间连接焊缝应保证沿腹杆四周连续焊
接 ,并平滑过渡 。因此 , K 型节点或 N 型节点腹杆间的 间隙 g ≥111 ( t1 + t2) [6] ,以保证腹杆四周在弦杆管壁 处能连续施焊并满足最小焊缝尺寸的要求 。弦杆与腹 杆的连接焊缝可视为全周角焊缝 ,按现行《钢结构设计 规范》( GB50017 —2003) 角焊缝强度公式计算 ,但对于 受拉腹杆的连接焊缝 ,焊缝的计算长度不应大于其有 效长度 。
一 、引言 采用圆钢管混凝土截面受压弦杆的钢管混凝土桁
架已在屋架 、吊车梁等结构中得到应用[1] 。在桥梁工 程中 ,已建成通车的广东南海市紫洞大桥 、湖北秭归县 向家坝大桥的主梁均采用了钢管混凝土空间桁架 ,综 合经济效益显著[3] 。近十年来 ,钢管混凝土拱桥在我 国得到了迅猛的发展 ,而钢管混凝土桁架式拱肋是跨 径在 100m 以上的钢管混凝土拱桥主拱圈的主要结构 形式[4] 。钢管混凝土桁架突破了钢管混凝土结构传统 的应用范围 ,能够充分发挥钢管混凝土的受力性能 ,是 钢管混凝土结构发展的一个重要方向 。但由于桁架节 点数量多 ,节点构造复杂程度对桁架的制作安装费用 影响很大 ,因此有必要研究节点构造简单的新型钢管 混凝土桁架 。与圆钢管混凝土桁架相比 ,矩形钢管混 凝土桁架节点构造简单 ,与墙体连接构造简便 ,便于建 筑室内使用 。因此 ,进行矩形钢管混凝土桁架设计方 法的研究具有较高的工程应用价值 。
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图 1 节点参数及构造
一根腹杆时就成为了 Y 型节点或 T 型节点 。T 型节 点是 Y 型节点的特例 ,其腹杆与弦杆垂直 ,主要出现 在空腹桁架中 。支座或集中荷载作用处为 X 型节点 , X 型节点也出现在交叉腹杆和支撑体系中 。Y 型节 点 、T 型节点和 X 型节点是桁架中最基本的节点形式 , 也是研究其他形式节点的基础 。
21 构造要求 矩形钢管混凝土桁架 K 型节点或 N 型节点宜采 用间隙接头 ,因为间隙接头杆件加工 、定位和焊接均容 易 。当必须采用搭接接头时 ,建议采用图 4 所示的搭 接接头构造方案[6] ,以便于定位和焊接 。为了保证节 点连接的焊接质量 、强度和混凝土的浇捣质量 ,矩形钢 管混凝土桁架在节点处弦杆应保持连续 ,腹杆不得穿 入弦杆内 。 根据 J . A. Packer[7] 和湖南大学的试验研究 ,弦杆 内填混凝土对矩形钢管混凝土受拉节点的强度影响不 是十分明显 ,而目前对矩形钢管混凝土桁架腹杆与弦 杆间连接焊缝又缺乏研究 ,因此 ,对于矩形钢管混凝土 桁架连接焊缝的构造要求 ,比较稳妥的做法是利用矩 形钢管结构的研究成果 。 角焊缝的焊脚尺寸若按《钢结构设计规范》的规定 不得大于 112 tmin ,对于腹杆受拉时 ,按这些规定可能 会因焊缝强度不足而加大腹杆壁厚的不合理现象 。由
(3) 当腹杆轴力通过弦杆由另一侧腹杆所平衡时 , 节点划分为 X 型节点 。
对于如图 3 所示的几何形状为 K 型的节点 ,根据
3 湖南省自然科学基金资助项目 (98JJ Y2076) 。
于矩形钢管混凝土桁架杆件截面尺寸常受节点强度控 制 ,一般腹杆壁厚 t 较小 ,不会产生过大的焊接应力和 “过烧”现象 。为了避免焊缝强度不足 ,提高腹杆截面 强度的利用效率 ,国际焊接协会 ( IIW) ( 1989) 推荐腹 杆沿其四周焊接 ,当采用角焊缝时 ,焊脚尺寸应达腹杆 壁厚的 1107 倍 。欧洲钢结构设计规范“Eurocode 3 : Design of Steel Structure ( 1992) ”和 美 国 钢 结 构 协 会 (AISC) 空心钢管结构设计规程[5] 则将这一数值调整 为 111 。因此 ,参考国内外规范 ,建议矩形钢管混凝土 桁架连接角焊缝的焊脚尺寸不宜小于腹杆壁厚的 111 倍 ,但不应大于腹杆壁厚的 210 倍 。
图 2 节点类型的划分
腹杆轴力垂直于弦杆的垂直分量的平衡方式划分节点 类型的 原 则 , 斜 腹 杆 轴 力 的 50 % 由 竖 腹 杆 平 衡 , 另 50 %由弦杆横截面剪力平衡 ,因此划分为部分 K 型 、 部分 Y 型节点 。文[ 6 ]对矩形钢管 K 型节点或 N 型节 点规定 :当节点间隙超过一个由腹杆与弦杆宽度的函 数决定的最大允许间隙时 ,应将其视为 T 型或 Y 型节 点 。但该最大允许间隙能否用于矩形钢管混凝土 K 型节点或 N 型节点尚有待研究 。另外 ,根据作用于腹 杆荷载的性质 ,节点又可以分为受拉节点 、受压节点和 受弯节点等 。
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(与 AISC 空心钢管结构设计规程计算公式相同) ,不考 虑弦杆钢管内填混凝土对节点强度的提高 。式 (1) 实 际是混凝土局部承压强度计算公式 ,与钢管截面的高 厚比无关 ,没有反映钢管对管内混凝土约束作用的影 响 。因为 ,随着钢管壁厚的增加 ,其对管内混凝土的约 束作用提高 ,节点承载力相应提高 ,因而该公式计算结 果偏于安全 。
图 3 部分 K 型 、部分 Y 型节点
图 4 搭接接头构造方案
矩形钢管桁架弦杆管壁较柔 ,腹杆与弦杆管壁之 间连接焊缝传递荷载的有效性值得探讨 。J . A. Packer 等(1995) 对焊缝附近腹杆钢管应力分布规律进行了试 验研究[8] ,研究表明腹杆荷载主要由腹杆侧板处连接 焊缝传递 ,而腹杆翼缘板处连接焊缝的有效性与支主 管夹角 θ2 和节点形式有关 ,据此给出了焊缝有效长度 L e 的计算公式 ,并被美国钢结构协会空心钢管结构设 计规程[5]所采用 。因此 ,建议矩形钢管混凝土桁架受 拉腹杆连接角焊缝的有效长度 L e 亦按此确定 ,即 :
参照国 内 外 已 有 研 究 成 果 和 相 应 设 计 与 施 工 规 范 ,结合湖南大学课题组的研究成果 ,在此给出矩形钢 管混凝土桁架设计的基本要求和方法 ,以期为我国矩 形钢管混凝土结构技术规程的编制和工程技术人员进 行设计提供参考依据 。
二 、矩形钢管混凝土桁架的构造设计 11 节点类型 桁架节点的主要几何形式是 K 型和 N 型节点 。 图 1 中定义了节点参数的符号及其意义 。N 型节点是 K型节点的特例 ,其中一根腹杆与弦杆垂直 。当只有
图 5 喇叭型坡口焊缝
三 、矩形钢管混凝土桁架的计算 设计矩形钢管混凝土桁架 ,腹杆布置应尽量减小 交汇杆件轴线的偏心 ,使偏心值控制在一定的范围之 内 ,弦杆和腹杆或两腹杆轴线间的夹角不宜小于 30°, 以保证施焊条件 。 文[ 9 ]研究了节点相对偏心 ( e/ h0 = 0 , 015 , - 015) 对矩形钢管桁架内力分布的影响 ,指出节点偏心对弦 杆轴力影响较小 ,节点正负偏心产生弦杆轴力的误差 在 1 %以内 ;但对腹杆轴力影响较大 ,正负偏心造成腹 杆轴力的误差可以达到 8 %～15 % ,其中正偏心低估 了腹杆的轴力 ,而负偏心则高估了腹杆的轴力 。节点 偏心导致弦杆受剪 ,弦杆承受一定的弯矩 ,正负偏心所 产生的弯矩方向相反 ,数值均高于二次弯矩 。国际管 结构发展与研究委员会 ( CIDECT) 和 AISC 空心钢管 结构设计规程均规定 ,当 - 0155 ≤e/ h0 ≤0125 时 ,可 忽略偏心的影响 。为此 ,设计矩形钢管混凝土桁架时 , 我们建议交汇杆件轴线的偏心 e 应满足 - 0155 ≤e/ h0 ≤0125 ,并可按铰接模型计算桁架的内力 。 设计矩形钢管混凝土桁架应进行施工阶段空管结 构的稳定性 、强度和变形验算 ,计算荷载包括湿混凝土 重量和施工荷载等 。 11 节点的承载力计算 文[ 7 ]根据 14 个横向受压矩形钢管混凝土 X 型节 点的试验结果给出了矩形钢管混凝土桁架受压节点的 强度计算公式 :
(1) T , Y ,X 型节点焊缝的有效长度 L e ,当 30°≤θ2 ≤50°时
L e = 2 h2/ sinθ2 + b2 当 50°<θ2 < 60°时
L e = 2 h2/ sinθ2 + b2 (60°- θ2) / 10° 当 60°<θ2 < 90°时
L e = 2 h2/ sinθ2 (2) K ,N 型节点焊缝的有效长度 L e ,当 30°≤θ2 ≤ 50°时 L e = 2 h2/ sinθ2 + 2 b2 当 50°<θ2 < 60°时 L e = 2 h2/ sinθ2 + b2 (70°- θ2) / 10° 当 60°<θ2 < 90°时 L e = 2 h2/ sinθ2 + b2 腹杆与弦杆的连接焊缝应优先采用角焊缝 。当腹
第 34 பைடு நூலகம் 第 1 期
建 筑 结 构
2004 年 1 月
矩 形 钢 管 混 凝 土 桁 架 设 计3
周绪红1 刘永健2 ,3 莫 涛2 樊海涛2 肖 龙2
(1 长安大学 西安 710064 ;2 湖南大学 长沙 410082 ;3 长沙理工大学 410076)
[ 提要 ] 根据国内外矩形钢管和矩形钢管混凝土结构规范 、规程和有关研究成果 ,提出了矩形钢管混凝土桁 架设计的构造要求 、桁架杆件和节点设计与计算方法 ,可供工程技术人员设计时参考 ,并为我国《矩形钢管混 凝土结构技术规程》的编制提供了参考依据 。 [ 关键词 ] 矩形钢管混凝土结构 矩形钢管结构 桁架 节点
Based on the codes or specifications for structures with rectangular steel tube or concrete filled rectangular steel tube and the corresponding achievements in the research ,the construction requirements for the design of trusses with con2 crete filled rectangular steel tube members and the design method of its members and joints are presented ,which are helpful to t he engineers and t he compilation of Technical S pecif ication f or S t ruct ures w it h Concrete2f illed Rectangu2 lar S teel T ube Members of China. Keywords :truss structures ;concrete2filled rectangular steel tube members ;rectangular steel tube members ;joints