冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁连接方式及其性能分析

冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁连接方式及其性能分析 冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁连接方式及 其性能分析 冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁连接方式及其性能分析 韩军科,马华,李振宝,常培勇 (1.北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室,北京100022; 2.北京常磐科技发展有限公司,北京100081) 【摘要】通过对目前国内外梁柱连接节点及其性能分析的研究,充分考虑冷弯矩 形钢管柱截面为封 闭式截面的特点,提出了四类8种适合于冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁连接的节 点方式,并给出了相关的设 计规定和使用条件,为我国工程设计人员提供参考. 【关键词】冷弯矩形钢管柱;工字形钢梁;梁柱节点;连接方式 1引言 【中图分类号】TU392.1 建筑结构用冷弯矩形钢管…是采用冷轧或热轧钢带,经 连续辊式冷弯及高频直缝焊接生产形成的矩形钢管.成型 方式包括直接成方和先圆后方.建筑结构用冷弯矩形钢管 是我国近年来发展的一种结构用钢,用于建筑结构柱子时, 有受力合理,加工量小,成本低等优点.在欧美及日本应用 已非常广泛.据日本的统计资料 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,日本从1975年左右 开始在建筑结构中使用冷弯矩形钢管,随着设计方法,加工 与施工技术的完善,现已成为一种不可替代的建筑结构用 钢,中小钢结构建筑的柱子中90%以上都采用了冷弯矩形钢 管柱.除此之外,在多高层房屋建筑中也被广泛采用. 国际上,用连续辊式冷弯先圆后方方式生产的产品最大 尺寸已达550mm×550mm×22mm;直接成方方式生产的产 品最大尺寸已达1000mm×1000mm×40mm.20世纪90 年代以前,我国仅能生产180mm×180mm×8mm以下的冷 弯方形管,90年代以后,随着建筑工程,机械制造工业的高速 发展,特别是建筑钢结构的飞速发展,对大规格冷弯矩形钢 管的需求越来越大.目前我国生产的冷弯矩形钢管大部分 仍在280mm×280mm×12mm以下,远远不能满足建筑结 构发展的需要.因此,我国《国家建筑钢结构产业"十五"计 划和2015年发展规划纲要(草案)》明确提出要解决冷弯矩 形钢管扩大规格的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,以便更好地推广应用和发展建筑钢 结构.随着我国建筑结构用冷弯矩形钢管产品 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的出台, 部分大规格冷弯矩形钢管也开始生产,最大尺寸达到了500 ×500×22或520×480×22,部分满足了建筑市场的需要. 大规格冷弯矩形钢管产品虽然已供应市场,但其设计标 准,施工规程等都没有形成.设计理论和方法的滞后已成为 阻碍其进一步发展的重要因素.在多高层钢结构房屋的抗 震设计中,梁柱连接节点设计是一个非常重要的环节,在推 广应用建筑结构用冷弯矩形钢管的时候,冷弯矩形钢管柱与 工字形钢梁连接方式及设计方法问题是一个急需解决的关 键问题.本文正是从这个角度出发,结合国内外研究现状和 工程实际,针对冷弯矩形钢管为封闭式截面的特点,提出了 适合冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁节点的4类8种连接方 【文献标识码】A 式,对其设计,加工要点进行详细说明和分析,以期望能为工 程设计人员提供参考. 2冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁(热~1.-r字形钢 梁,焊接工字形钢梁)节点连接方式 2.1内置横隔板(水平加劲肋)方式] 对于冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁的连接,由于柱的翼 缘通常较工字形钢梁翼缘的尺寸大,在不设置内置横隔板 (水平加劲肋)的情况下梁端弯矩会使柱壁板受弯而产生明 显的变形,满足不了刚性连接的需要,因此不利于节点抗震. 现行规范中规定,框架梁与柱刚性连接时,应在梁翼缘的 对应位置设置柱的水平加劲肋(或隔板).水平加劲肋的中 心线应与梁翼缘的中心线对准.对于抗震设防的结构,水平 加劲肋应与梁翼缘等厚,箱形柱水平加劲肋与柱焊接时,应 采用全焊透坡口焊缝. 近年来国内兴建的高层建筑,钢柱多采用4块钢板焊接 成的箱形截面,对于这种钢柱内置横隔板的施工方法是,将 内置横隔板和柱的3块壁板先焊接起来,与第4块壁板的连 接只能从外面用熔化咀电渣焊来解决.当柱为冷弯矩形钢 管柱时,其内置横隔板的施工方法是将冷弯矩形钢管柱在工 字形钢梁截面的主轴处截断,将横隔板焊接于与工字形钢梁 翼缘相应的位置,然后再将冷弯矩形钢管柱焊接在一起,如 图1所示.这种内置横隔板节点虽然满足刚性节点的要求 但施工不便,且横隔板位置是否正确的判断以及焊接部位的 超声波探伤检查都不易进行,对组装完成后发现的焊接缺陷 几乎不可能修正.如何更好地解决内置横隔板施工困难的 问题,日本建筑用冷成型钢产品-,中,提到一种C形建筑 用柱制品(内藏横隔板型),此种产品是专门用于箱形柱的, 其中有用于钢柱和用于钢管混凝土(cFTr)柱两种.它的特 点是将内置横隔板分成两半,在组成箱形截面之前先将半块 横隔板放入预定位置,与柱焊接,然后将两个焊有半块横隔板 [收稿日期]2005一l2一l2 [作者简介]韩军科,硕士研究生;马华,博士后;李振宝, 教授,博士生导师. 四川建筑第26卷5期2006.1077 的C形钢用纵向焊缝连接成箱形.C形冷弯柱制品很好地 解决了内置横隔板施工困难的问题,对我国冷弯型钢有很好 的借鉴作用.但是此种产品的缺点是必须设计,生产和加工 一 体化,不利于大批量的流水线生产. 诤详图A图1内置横隔板式图2贯通横隔板式 2.2贯通横隔板方式] 贯通横隔板是在钢梁的上下翼缘的对应位置各设置一 块贯通的横隔板如图2.横隔板与工字形钢梁翼缘采用全焊 透坡口焊接,以保持梁翼缘在节点处的连续性,工字形钢梁 腹板与钢管柱壁采用角焊缝或螺栓连接.同样采用全焊透 坡口焊缝将上层柱段,节点柱段,下层柱段分别与节点处的 上下两块横隔板相连接.贯通横隔板贯通钢管柱壁的长度 (贯通横隔板端部到柱外壁的距离),考虑横隔板与柱,横隔 板与梁翼缘间连接焊缝的相互影响,日本规范中规定,当 钢管柱壁厚度小于28mm时,取25mm,钢管柱壁厚28mm 以上时,取30mm;文献中建议,当与工字形钢梁相连接时 不小于100mm,当与工字形钢梁不相连接时不小于50mm. 对贯通横隔板节点来说,梁翼缘受力直接传递至柱的另一 侧,具有传力明确,节点刚性大的优点,但横隔板与柱的焊接 性能至关重要,必须严格保证其质量.在1995年日本阪神 地震中此种节点就出现了因焊缝质量控制不严引起的连接 脆性破坏,裂缝始于焊缝,梁翼缘,热影响区等,然后向梁腹 板延伸. 2.3外加劲环板式 外加劲环板式是在冷弯矩形钢管柱外设水平外隔板,如 图3所示.工字形钢梁翼缘与水平外隔板采用全焊透坡口 焊接,工字形钢梁腹板与柱外预设的连接件采用高强度螺栓 连接. 此种节点的特点是:(1)保持了冷弯矩形钢管柱的完整 性,不仅柱的加工量小而且传力更明确;(2)柱的面外刚度比 较低,故梁柱连接处应力分布如图4所示;(3)由于外加劲环 板在靠近柱端处的宽厚比较大,因此容易发生外加劲环板的 屈曲破坏;(4)因环板尺寸的影响,外加劲环板方式对建筑设 计,如装修以及与非结构构件的连接带来一定的影响. 78 ] i \l Ill l】 / 图3外加劲环板式图4应力分布图 柱外加劲环板的厚度应满足板件的宽厚比限制,且不小 于工字形钢梁翼缘的厚度.加劲环板的挑出长度g(图3)应 满足下式要求:100mm?c?15t.35.式中t.为外加 劲环板的厚度,为外加劲环板材料的屈曲强度. 2.4外置加劲肋方式 外置加劲肋方式的梁柱节点,通过采用加劲肋有效地重 新分布由工字形钢梁翼缘作用于冷弯矩形钢管柱壁板上的 应力,从而很好地解决了箱形钢柱壁板变形过大的问题.同 时外置加劲肋的施工比较方便.下面介绍5种采用外置加 劲肋的连接节点. 2.4.1在工字形钢梁上下翼缘的外表面焊接两块槽形加劲 肋的连接方式 此种形式的节点是将两块槽形加劲板分别用角焊缝焊 接于工字形钢梁上下翼缘的外表面,并使两块槽形加劲板的 肢尖相对,这样工字形钢梁与槽形加劲板就焊接为一个整 体.然后再将这个整体与冷弯矩形钢管柱连接.工字形钢 梁的翼缘和槽形加劲板与冷弯矩形钢管柱采用全焊透坡口 焊接,工字形钢梁的腹板与冷弯矩形钢管柱的翼缘采用角焊 缝连接,如图5所示. / [1}/—上 图5外置加劲肋式(一) 槽形加劲板可以采用与冷弯矩形钢管柱翼缘宽度相匹配 的热轧槽钢,也可以采用焊接的槽形加劲板.根据有限元分 析,建议槽形加劲板的长度不小于200nlnl.同时根据角焊缝 长度的限制,槽形加劲板的长度不大于40倍的焊角尺寸;根 据等强度原则确定槽形加劲板的长度应大于,4/(1.4.h,),以及 腿宽度b应大于A/(2t).其中A为与槽形加劲板焊接的工字 形钢梁翼缘的面积;.h,为焊脚尺寸;t为槽形加劲板腿厚度. 在钢结构抗震设计中,考虑塑性铰外移的梁柱连接节点 设计越来越受到结构师的青睐.塑性铰外移有两种基本的 形式,加强梁的端部和将梁截面局部削弱.加强梁的端部的 方法之一就是在梁的上翼缘处加盖板,本节点外置加劲板的 设计同时起到了盖板的作用,适用于冷弯矩形钢管柱与工字 形钢梁的连接. 2.4.2其它几种外置加劲肋方式 四川I建筑第26卷5期2006.10 厂 l - 1 图6外置加劲肋式(二) Z.4.Z.1 接方式 在工字形钢梁梁端两侧焊接短T形钢加劲肋的连了梁翼缘与柱对接焊缝的脆断 及柱翼缘层状撕裂的危险. 此种形式的节点是将4块短T形钢分别焊接于工字形钢 梁的上下翼缘两侧,使其宽度和箱形柱宽度相同.短T形加 劲肋与柱壁板和梁翼缘都用全焊透坡口焊接,如图6所示. Z.4.Z.Z采用竖向加劲肋带悬臂梁段的节点连接方式.. 该节点做法是采用梯形板将梁端翼缘与柱子连接起来, 在其侧面用角焊缝焊接三角形的竖向加劲肋板.加劲肋板 端部与柱角部采用全焊透坡口焊接,梁腹板端部与柱子问用 角焊缝焊接,梁端翼缘与柱面留有缝隙不直接连接,如图7 所示.此种节点形式能有效地将梁端翼缘的应力通过竖向 加劲肋板顺利地传递给冷弯矩形钢管柱的腹板.日本的研 究者也提出了另一种采用竖向加劲肋的梁柱连接节点,其做 法,特点及力的传力路径与图7相似,只是该节点的竖向加 劲肋板为矩形并且与柱腹板采用角焊缝连接,如图8所示. 劲肋式(三) 图8外置加劲肋式(四) 2.4.2.3"夹心饼干"方式 美国的研究者提出的如图9所示的节点连接方式川 对我国冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁的连接节点有很好的 借鉴作用. -Im -Im II 嵋 图9外置加劲肋式(五) 此种节点的做法是在梁柱连接节点处增设一对高度为梁 截面全高的加强侧板,同时在梁上,下翼缘的外侧增设两块盖 板,这样梁与柱的连接就成为"夹心饼干"式.侧板将梁柱分 开,梁翼缘与柱不接触,从而改变了传统的梁与柱翼缘焊接的 方式,消除了所有其他焊接节点中的三轴应力集中.同时梁 上下翼缘的拉力或压力通过角焊缝直接传给柱的腹板,避免 3冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁节点连接方式选 取建议 3.1节点设计一般原则 对于非抗震设计的梁柱连接节点,应按结构处于弹性受 力阶段设计;对于抗震设防的高层钢结构梁柱连接节点,应 按结构进入塑性阶段设计.同时,对于抗震设防的钢结构连 接节点应遵守以下的原则:(1)节点连接应力求构造简单,传 力明确,施工方便;(2)节点设计应遵循"强节点弱构件", "强柱弱梁"的设计原则,使塑性铰从梁柱连接处向梁端转 移,以保证节点具有足够的延性.尽量采用柱贯通的节点形 式,以避免塑性铰在柱上出现.(3)节省材料,使节点具有更 好的经济指标. 3.2节点选取建议 充分考虑冷弯矩形钢管柱截面为封闭式截面的特点,本 文介绍了内置横隔板,贯通横隔板,~'t-/Jn劲环板和外置加劲 肋4类8种连接方式.内置横隔板方式的梁柱节点是目前 我国大多数焊接箱形柱采用的节点形式,对于冷弯矩形钢管 柱而言内置横隔板的施工要将冷弯钢管截断,这一点通常不 能被我国设计师所接受;贯通横隔板方式尽管在日本被广泛 采用,但此种节点形式对工艺孔及垫板的要求比较高,而且 与我国规范中,高层钢结构梁与柱的连接以及钢框架 结构抗震构造措施中规定的梁与柱连接以采用柱贯通型为 主的原则不相一致.但是从试验研究,理论分析和工程实践 来看,只要设计合理,加工与安装质量有保证,内置横隔板方 式与贯通横隔板方式都是完全可以保证结构性能的节点连 接方式.柱#t'/Jn劲环板式,其构造简单,传力明确,施工方 便,比较适合冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁的连接,但可能 会对建筑装修或与非结构构件的连接带来影响.外置加劲 肋方式通过加劲肋将梁截面在梁柱连接处局部增强,很好地 将塑性铰发生外移,使节点具有更好的抗震性能,同时对于 冷弯矩形钢管内填充混凝土的CFT柱而言,由于柱内无横隔 板,也便于混凝土的捣实. 4结束语 本文结合冷弯矩形钢管柱为封闭式截面的特点,介绍其 与工字形钢梁连接节点的几种连接方式,并分析了设计,加工 的特点,给出了节点选取的建议.同时本文所述的节点连接 方式,也适合于热轧方坯型钢柱与工字形钢梁的连接. 除以上介绍的冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁的连接节 点形式外,在工字形钢梁的上下翼缘加焊楔形端盖板的盖板 式节点;梁端上下翼缘局部加宽的节点连接方式;在梁端上 下翼缘底部加腋的节点连接形式;将梁翼缘局部削弱的节点 连接方式,其中包括梁翼缘弧形切口(狗骨式)和梁翼缘钻孔 两种形式;借鉴预制混凝土结构后张无粘结预应力组装原 理的预应力型节点连接方式等几种节点方式I.?刮也具 有良好的弹塑性性能,可供冷弯矩形钢管柱与工字形钢梁 节点抗震设计时参考.另外冷弯矩形钢管柱,由于冷弯所 导致的弯角处材料强度提高而脆性增加的现象,在对梁柱 四川建筑第26卷5期200610 争=ll— 节点进行设计和施工时也要给予充分的考虑. 参考文献 中华人民共和国建设部,建筑结构用冷弯矩形钢管(报批稿) [s].发布,2005. 日本建檠七'/夕一.冷同成形角形鲴管彀施工7=7,,L, (改打版)[S].2004. 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(上接第76页)3.4地表沉降及分析 通过计算得到,基坑周围土体最大的沉降位置发生在距 离地下连续墙约18m处,最大的沉降值为l6.4mm,小于地 面最大允许的沉降量.从图4中可以看出,由于钢支撑的预 加应力和被挖土体卸载等综合作用,导致发生的最大沉降量 发生在第二步的施工过程当中,而在随后的施工过程中间, 地面沉降量有微小的恢复. q 嚼馨 l-= V 3O2O100 到坑边距离(m) 图4在开挖过程中的地表沉降图 — 一第1次开挖 +第2次开挖 — o-第3次开挖 一第4次开挖 一 第5次开挖 llllllllllllllllllllllllllllllll 欢迎订阅全国性 4结束语 (1)采用二维有限元数值分析方法进行深基坑设计,可 以考虑支护结构和土体的相互作用,克服了传统基坑设计方 法的不足. (2)采用空气单元,可以模拟基坑分步开挖,可以计算支 护结构和土体随着开挖而产生的位移和受力的变化. (3)数值模拟为今后的基坑监测和信息化施工提供可靠 的依据和指导作用. (4)由于施加了钢支撑的预应力,从而减小了连续墙的 水平位移和地表的沉降,有利于保护地表建筑物. 参考文献 [2] [3] [4] 刘红军,董淑云.深基坑支护结构设计的平面应变有限元法 [J].青岛海洋大学,2003. 袁聚云,吴权,艾智勇.逆作法基坑围护的变形及邻近建筑沉降 实测分析[J].地下空间,2004. 陆新征,宋二祥,吉林,等.某特深基坑考虑支护结构与土体共 同作用的三维有限元分析[J].岩土工程,2003. 陈忠汉,程丽萍.深基坑工程[M].机械工业出版社,1999. 1lllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll, IJ《建筑电气》杂志 《建筑电气》杂志由中华人民共和国建设部主管,中国建筑西南设计研究院为主要主办单位,中国建筑学会建筑电气分会,全国建 筑电气设计技术协作及情报交流网为联合主办单位,是全国建筑行业唯一推荐的综合性电气科技期刊.主要内容以供电与配电,电气 自动化,建筑智能化,防雷与接地,消防与联动,电气自动化,建筑智能化,防雷与接地,消防与联动,电气照明,现代住宅,声象技术,信 息传输,报警与安全,研究与探讨,工程综述,标准与规范,以及电气节能,专家论坛,新产品介绍等. 从2007年起,本刊经国家有关管理部门批准,将改为月刊,除了重点报道以上内容外,通过精心策划,推出一系列行业前沿热点, 焦点专题,使本刊所含信息量及时效性将成倍增加.更具有时代性,科学性,更贴近读者.力求及时反映建筑电气科技发展的前沿动 态,捕捉建筑电气领域内的新技术,新材料,新产品,并加大导向性的推广和宣传力度,努力将本刊提高到一个新水平. 《建筑电气》是建筑电气设计,科研,监理,安装,调试,生产运行,设备制造等部门从事电气专业的工程技术人员和大专院校有关专 业师生的首选刊物. 本刊荣获建设部优秀期刊,中国科技论文统计源期刊(中国科技核心期刊). 《建筑电气》为月刊,A4开本,邮发每期定价8.00元,全年价96.00元,零售每期定价l0.00元.全国各地邮政局(所)均可订阅. 本刊中国标准刊号:ISSN1003—8493CN5l一1297/TU邮发代号:62—170 地址:四川省成都市星辉西路8号邮政编码:61008l 广告发行部电话:(o28)83233726传真:(028)83231083 80四川建筑第26卷5期2006.10 1l1j1J O2468O2468O 一,曼世蜉 , , , , , , , , ,^^^^ VVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV, ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^?