趙 凱

近幾年建筑鋼結構擴大應用范圍的趨勢明顯。對從事鋼結構工程技術人員的需求增加,對提高鋼結構理論研究、技術開發(fā)以及設計制造、安裝、檢測的技術手段與工藝水平的要求也很迫切,國內(nèi)建筑鋼結構行業(yè)面臨發(fā)展新機遇。

1 鋼結構的連接方式

焊接連接是現(xiàn)代鋼結構中最主要的連接方式,它的優(yōu)點是任何形狀的結構都可用焊縫連接,構造簡單。焊接連接一般不需拼接材料,省鋼省工,而且能實現(xiàn)自動化操作,生產(chǎn)效率較高。

鉚釘連接是早期鋼結構采用的連接方式,現(xiàn)在基本被螺栓連接所替代。鉚接需要先在構件上開孔,用加熱的鉚釘進行鉚合,有時也可用常溫的鉚釘進行鉚合,但需要較大的鉚合力。鉚釘連接由于費鋼費工,現(xiàn)在很少采用。

螺栓連接采用的螺栓有普通螺栓和高強度螺栓之分。普通螺栓的優(yōu)點是裝卸便利,不需特殊設備。普通螺栓分C級螺栓和A,B級螺栓。高強度螺栓是用強度較高的鋼材制作,安裝時通過特制的扳手,以較大的扭矩上緊螺帽,使螺桿產(chǎn)生很大的預應力。

2 焊接的加固方法與計算理論

2.1 加固方法

鋼結構加固一般宜采用焊接連接的加固,由于焊接連接方法簡單,設備簡易,作業(yè)條件容易達到,施工進度快而被廣泛采用。但是,對加固熟鐵、鍛鐵塊的結構就不能用焊接加固。

焊接連接加固的方法:可采用增加焊縫長度,提高焊縫有效厚度,或者兩者同時增加的方法,當上述方法不能滿足加固要求時,可采用附加連接板實施加固。附加連接板可用角焊縫與基本構件相連,也可用附加連接板與原節(jié)點板對接,但都需進行連接的受力分析,并保證連接能夠承受各種可能的作用力,確保連接安全可靠。

GBJ 68-84建筑結構設計統(tǒng)一標準頒布以后,各本結構設計規(guī)范都據(jù)此進行了修訂。但鋼結構連接由于試驗及統(tǒng)計資料不足仍按允許應力法進行設計。為了統(tǒng)一,將其折算為概率極限狀態(tài)設計方法的設計表達式。因此有必要對鋼結構連接按概率極限狀態(tài)設計方法原理進行分析。

2.2 可靠性計算理論

運用一次二階矩法求可靠指標β,結構設計中必須考慮的各基本因素是非確定性的,稱其為基本隨機變量,記為 xi。

結構極限狀態(tài)方程為:g(xi)=0,其中 xi=[x1,x2,…,xn]T,引入標準化變量后得下式:

由目標β值確定抗力分項系數(shù)λR。

設Rk是由設計表達式求出的抗力的標準值,R*k是按概率極限狀態(tài)設計預期可靠指標下求出的抗力。對角焊縫連接,當Rk=R*k時,按設計表達式設計的可靠指標與預期的可靠指標相等。

確定抗力分

項系數(shù)時,就是要在給定荷載分項系數(shù)λG,λQ條件下使下面的誤差平方和為最小,按前述一次二階矩法迭代計算求得 Rkj可進一步求出抗力分項系數(shù)λR。

焊縫的不定性取決于焊縫強度、幾何尺寸和計算模式的變異。角焊縫極限強度及其不定性 Ωf。焊縫強度與焊條金屬強度、焊縫質量以及荷載作用方向有關。按荷載作用方向可將角焊縫分為側面角焊縫和正面角焊縫。根據(jù)試驗資料,角焊縫極限強度如沈陽建筑大學實驗所得:80個側焊縫平均值410 N/mm2,變異系數(shù)0.111,正面角焊縫20個平均值558 N/mm2,變異系數(shù)0.093。

根據(jù)TJ 17-74鋼結構設計規(guī)范,正面角焊縫的安全系數(shù)比側面角焊縫的安全系數(shù)要高得多。在考慮角焊縫極限強度的統(tǒng)計參數(shù)時,焊縫質量對強度的影響不應忽視。試驗條件、試件制作與現(xiàn)場條件是不同的。因此應考慮它們的影響。

3 螺栓連接的加固方法與計算方法理論

3.1 加固方法

在選用螺栓連接加固時,應優(yōu)先采用高強度螺栓,因其施工工藝與一般的螺栓相近,但連接性能尤其是承受動荷載的性能明顯優(yōu)于普通螺栓連接,對直接承受動載的結構,規(guī)范規(guī)定必須采用摩擦型的高強度螺栓連接,因為其在合適的扭擰工具配合下,使其足以保持穩(wěn)定的預拉力值,連接處通過摩擦面的傳力方式的承載能力是穩(wěn)定可靠的。連接接頭位移剛度好,產(chǎn)生滑移后,螺栓進入承壓狀態(tài),安全可靠。

在操作時必須根據(jù)其工作特性,保證接觸質量,孔洞附近鋼材表面必須清理干凈,螺栓直徑應比原孔洞小1 mm～3 mm。當計算承載力不足時,可采取擴孔措施,改用直徑大一級的螺栓。

當構件截面補強采用螺栓連接時,新舊兩部分截面可以共同工作,進行計算確定螺栓數(shù)量。由于增加的螺栓或擴孔后應該核凈截面強度。加固方法甚多,究竟取用何種方法實施加固,應視加固件的工作條件而定,經(jīng)過方案分析比較采用經(jīng)濟、合理、牢固為宜。

3.2 螺栓的可靠性理論

可靠指標β的計算,一般設計表達式(簡單組合時)為:Rfk≥K(SGK+SQK)。

其中,K為安全系數(shù),對Q235鋼和Q345鋼分別取1.41和1.45;SGK與SQK分別為永久荷載和某一活荷載的標準值效應。

荷載效應比值按常見值考慮,即取p=SGK/SQK=0.25,0.5,1.0,2.0分別按一次。

二階矩法計算相應的可靠指標,計算結果與TJ 17-74鋼結構設計規(guī)范關于高強度螺栓連接的總體可靠度指標β對比發(fā)現(xiàn),螺栓連接的總體可靠指標β在4.5～5.0之間不低于規(guī)范的最高值4.2,所以研究表明不同的連接形式,不同的材料可靠度是有一定的出入。

3.3 混合連接中的加固

混合連接是指同一構件的連接使用了兩種不同的連接方式,如螺栓和鉚釘、焊縫與螺栓、焊縫與鉚釘?shù)?。在混合連接中,應以焊縫承受全部作用力進行計算,而在焊縫高強度螺栓混合連接時,兩種連接的承載力比值在1～1.5范圍內(nèi),二者的荷載變形情況基本接近,可以共同工作,若比值超出上述范圍,荷載將由強的連接承擔,另一連接起不到分擔作用。當計算使用高強度螺栓承載力時,根據(jù)試驗結果預拉力為焊前的90%～95%,所以要乘以0.9的平均折減系數(shù)。

4 結語

基于概率理論的極限狀態(tài)設計方法,是目前世界大多數(shù)國家已經(jīng)采用或趨于采用的設計方法。工程結構設計時的可靠度是工程設計預期目標的衡量尺度。在充分取得有關新信息基礎上應該適當對有關規(guī)定作局部修訂來順應其客觀發(fā)展規(guī)律,而且要恰當?shù)匕盐展こ探Y構可靠度的相對一致性,既要維護結構安全又要考慮其經(jīng)濟性。在抗力函數(shù)中采用局部多抗力系數(shù)或單系數(shù)多值方案。

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