牛 斌

(1.中冶上海寶冶鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)院，上海 200941;2.無錫金城幕墻裝飾工程有限公司，江蘇無錫 214123)

大型火力發(fā)電廠的主廠房按汽機(jī)房、除氧間、煤倉間、鍋爐房順列式布置，承重結(jié)構(gòu)很多采用高強(qiáng)螺栓連接的支撐—框排架鋼結(jié)構(gòu)。為抵抗地震作用，主廠房縱橫向均設(shè)置柱間垂直支撐以保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。縱向?yàn)殂q接框架加支撐，水平荷載由柱間支撐承擔(dān);橫向由剛接框架抵抗水平荷載，橫向柱間垂直支撐每軸均設(shè)置。圖1是采用國標(biāo)設(shè)計(jì)的印度某電廠帶中心支撐的縱向框架節(jié)點(diǎn)，連接螺栓均為承壓型高強(qiáng)螺栓，其中支撐和節(jié)點(diǎn)板的連接是個(gè)典型的軸拉(壓)連接，本文不再述及，而針對(duì)該類型的節(jié)點(diǎn)板、端板螺栓群和焊縫計(jì)算的相關(guān)資料少有介紹，為便于設(shè)計(jì)這種復(fù)雜連接節(jié)點(diǎn)，對(duì)其作一討論，以供同行參考使用。

圖1 梁柱鉸接帶中心支撐典型節(jié)點(diǎn)

1 節(jié)點(diǎn)內(nèi)力的分配

在計(jì)算模型中支撐和梁是沒有直接傳力關(guān)系的，如何利用分析成果，正確求出各組螺栓、焊縫的受力，是進(jìn)行連接計(jì)算首先要解決的問題。建立有限元模型固然是個(gè)較好的辦法，但面對(duì)眾多的節(jié)點(diǎn)，這種計(jì)算方案顯然不是工程設(shè)計(jì)實(shí)際想要的，為此筆者提出了分算和合算兩種模式。

分算模式:支撐力通過A，B處的焊縫和螺栓群分別傳給梁柱，梁端力加上A處螺栓群傳來的力，再通過C處的焊縫和螺栓群最終傳給柱。各焊縫、螺栓按照剪拉(壓)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

合算模式:B和C處的焊縫及螺栓群作為一個(gè)整體考慮，在支撐和梁端力的共同作用下，按照拉(壓)彎剪的模型對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。此時(shí)，A處的焊縫及螺栓群所受的力仍然按照分算方案的取用。

上述兩種方案都涉及A，B處焊縫及螺栓群的內(nèi)力求算，根據(jù)規(guī)范［1］有關(guān)板件的計(jì)算內(nèi)容，做擴(kuò)展性推導(dǎo)，首先求出A，B處焊縫及螺栓群與支撐方向一致的合力，注意到支撐與梁、柱軸線匯交于一點(diǎn)，分情況討論如下:

1)當(dāng)支撐軸線穿過A，B之間，并與A，B處的焊縫和螺栓群區(qū)域無相交時(shí)，以支撐軸線分界，可以認(rèn)為A，B處的焊縫和螺栓群各自分擔(dān)支撐內(nèi)力的50%，即:

2)當(dāng)支撐軸線跨過A處的部分焊縫和螺栓群，即支撐偏向梁側(cè)，則以支撐軸線分界，可以認(rèn)為軸線兩側(cè)各分擔(dān)支撐內(nèi)力的50%，如圖1所示。容易得到:

3)當(dāng)支撐軸線跨過B處的部分焊縫和螺栓群，即支撐偏向柱側(cè)，以支撐軸線分界，參照第2)項(xiàng)，同理可得:

使用上述內(nèi)力進(jìn)行分解不難得到A，B處焊縫及螺栓群傳遞的軸力和剪力，對(duì)焊縫而言，通過規(guī)范［1］的相關(guān)公式就可進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)螺栓而言，則需要區(qū)分受力情況是剪拉還是剪壓，剪壓工況時(shí)可只進(jìn)行螺栓的受剪承載力計(jì)算，剪拉工況則須根據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行剪拉承載力計(jì)算。

在分算模式下，C處焊縫及螺栓群會(huì)承受來自螺栓群A的偏心荷載，加上梁端剪力，該處的螺栓及焊縫承受的內(nèi)力性質(zhì)為彎剪拉或彎剪壓，計(jì)算較為單一，不再贅述。

最后應(yīng)取分算與合算的較大值作為實(shí)際采用的設(shè)計(jì)內(nèi)力。

2 節(jié)點(diǎn)板的設(shè)計(jì)

當(dāng)支撐為拉桿時(shí)，板件僅需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，板的拉、剪撕裂線驗(yàn)算，即板塊抗拉脫承載力驗(yàn)算，包括板件的分塊驗(yàn)算和整塊驗(yàn)算，分塊撕裂線為1-2-3，4-5-6-7，8-9-10;整塊撕裂線為1-2-a-b-9-8。根據(jù)規(guī)范［1］，節(jié)點(diǎn)板在拉剪作用下的抗拉脫承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)滿足:

其中，ηi為拉剪折算系數(shù);li為第i破壞段的長(zhǎng)度，取板件中最危險(xiǎn)的破壞線并扣除螺栓孔徑的凈長(zhǎng)度。也可用有效寬度法驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)板的抗拉強(qiáng)度，有效計(jì)算寬度be，見圖1。

當(dāng)支撐為壓桿時(shí)，需要保證板件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。為簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)板的穩(wěn)定性計(jì)算，一方面采取構(gòu)造措施來保證板的穩(wěn)定，板厚t不小于支撐的腹板厚，角鋼端部，節(jié)點(diǎn)板自由邊，否則應(yīng)對(duì)自由邊設(shè)置加勁肋予以加強(qiáng);另一方面節(jié)點(diǎn)板嵌固點(diǎn)保留一個(gè)小距離，可使節(jié)點(diǎn)板在大震時(shí)產(chǎn)生平面外屈曲，從而減輕對(duì)支撐的破壞，因而規(guī)范［2］規(guī)定抗震等級(jí)為一、二級(jí)時(shí)，支撐端部至節(jié)點(diǎn)板最近嵌固點(diǎn)在沿支撐桿件軸線方向的距離，不應(yīng)小于節(jié)點(diǎn)板厚度的2倍，即c/t≥2。

3 端板連接的計(jì)算

節(jié)點(diǎn)板A，B處的端板為懸臂型，化為等效梁來計(jì)算彎矩，從而確定需要的厚度。若從彈性工作階段出發(fā)，板的彎矩為Me=aNt，Nt為螺栓的設(shè)計(jì)拉力，須使 Nt≤Ntb，Ntb為螺栓的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。按彈性抵抗矩計(jì)算，需要板厚為:

若從塑性工作階段出發(fā)，充分利用板的塑性，則需計(jì)入撬力［3］。按承載能力的極限計(jì)算時(shí)，板的彎矩為Mp=Tua/2，按塑性抵抗矩計(jì)算，需要板厚為:

此時(shí)由平衡條件，螺栓的撬力Q=Tua/(2c)，則螺栓的拉力為 Pu=Tu/2+Q=Tu(a+c)/(2c)，須使 Pu≤Ntb。

撬力的計(jì)算見圖2。

圖2 撬力的計(jì)算

通過以上分析可知，彈性條件下的端板變形很小，螺栓計(jì)算可忽略撬力的影響;而塑性條件下雖然可以充分利用板的強(qiáng)度，但不能忽視撬力對(duì)螺栓的附加作用。由于各種情況下螺栓都不允許超過抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，合理的順序應(yīng)是螺栓布置首先滿足強(qiáng)度要求，然后再由螺栓達(dá)到抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)所確定的板的彎矩，按照彈性階段的公式計(jì)算端板厚度。

C處梁柱鉸接連接的端板，如果近翼緣內(nèi)側(cè)不配置螺栓，應(yīng)采用無加勁肋端板的相應(yīng)公式［4］，即:

其中，S為螺栓間距。

如果近翼緣內(nèi)側(cè)配置螺栓，則還應(yīng)按兩邊支承類端板的相應(yīng)公式［4］計(jì)算該處的端板，不再詳述。

另外，端板尚應(yīng)滿足一定的構(gòu)造要求，各自厚度不應(yīng)小于節(jié)點(diǎn)板和梁腹板的1.5倍，并不小于a/8。

4 連接的抗震設(shè)計(jì)

為體現(xiàn)鋼材動(dòng)靜強(qiáng)度和抗震設(shè)計(jì)與非抗震設(shè)計(jì)可靠指標(biāo)的不同，鋼材、螺栓及焊縫的各種強(qiáng)度設(shè)計(jì)值需除以承載力抗震調(diào)整系數(shù)，其計(jì)算強(qiáng)度和穩(wěn)定系數(shù)分別取0.75和0.8，同時(shí)本著強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則，對(duì)地震組合內(nèi)力作用下的彈性設(shè)計(jì)，要求連接的承載力設(shè)計(jì)值不應(yīng)小于相連構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值。

地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性變形直接依賴于結(jié)構(gòu)實(shí)際的屈服強(qiáng)度，對(duì)節(jié)點(diǎn)極限承載能力驗(yàn)算時(shí)，要求連接的極限承載力設(shè)計(jì)值不應(yīng)小于相連構(gòu)件的屈服承載力設(shè)計(jì)值，后者需采取鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的連接系數(shù)進(jìn)行修正。考慮框架梁一般為彎矩控制，剪力控制的情況很少，其設(shè)計(jì)剪力應(yīng)采用與梁屈服彎矩相對(duì)應(yīng)的剪力:

特別地，如果梁截面受剪力控制，參照抗震規(guī)范［2］對(duì)于偏心支撐消能梁段采用腹板全截面屈服時(shí)的剪力計(jì)算公式，當(dāng)梁內(nèi)無軸力或Nb≤0.15Af時(shí)，梁端剪力Vbu可保守取全塑時(shí)腹板抗剪強(qiáng)度，即腹板受拉承載設(shè)計(jì)值的倍。

當(dāng)梁內(nèi)有軸力或Nb＞0.15Af時(shí)，根據(jù)材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論的公式:

我們不難推出:

應(yīng)使節(jié)點(diǎn)極限抗剪承載力不小于以上梁的極限抗剪承載力的最小值，即:

5 需要注意的問題

該典型節(jié)點(diǎn)實(shí)際是個(gè)半剛性節(jié)點(diǎn)，但由于節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)分析之后，故而在分析模型中難以準(zhǔn)確模擬，一般梁柱都是按鉸接處理，故梁端只有剪力，在無樓層處或許還有軸力存在。為了解決這一問題，建議對(duì)A，B處的螺栓和焊縫留有適當(dāng)?shù)挠嗔?，可增?0%的螺栓數(shù)量和20%的焊縫高度來解決這個(gè)誤差，如圖1所示，把焊縫和螺栓向外延伸布置。中心支撐在框架梁、柱界面上分配的內(nèi)力大小是受實(shí)際螺栓群布置影響的，為減輕支撐力對(duì)梁端的不利影響，實(shí)際進(jìn)行螺栓布置時(shí)，應(yīng)盡量多在柱上布置。對(duì)連接的極限承載力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，螺栓和焊縫的承載力應(yīng)取極限值，并且高強(qiáng)度螺栓應(yīng)按承壓型螺栓考慮。

6 結(jié)語

通過分算與合算兩種模式，可以正確和高效的求解支撐內(nèi)力在節(jié)點(diǎn)處的分配，解決了批量節(jié)點(diǎn)計(jì)算的首要前提;支撐—框排架結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，質(zhì)量和剛度分布既不規(guī)則也不均勻，要采取構(gòu)造措施保障節(jié)點(diǎn)區(qū)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，按規(guī)范作必要的擴(kuò)展性推導(dǎo)，全面的驗(yàn)算連接的彈性承載能力和極限承載力，避免連接區(qū)成為設(shè)計(jì)過程的薄弱環(huán)節(jié)。

［1］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.第3版.北京：科學(xué)出版社，2005.

［4］李星榮.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［5］丁蕓孫，劉羅靜.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)誤區(qū)與釋義百問百答［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［6］郭 兵，顧 強(qiáng).多層鋼框架中梁柱端板連接的強(qiáng)度和剛度［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2004，25(2)：27-31.