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        兩端帶水平梯段鋼梯梁撓度計算分析

        2022-08-08 00:35:18周陳程俞海洪耿志光
        化工與醫(yī)藥工程 2022年3期
        關(guān)鍵詞:水平

        周陳程,俞海洪,耿志光

        (中石化上海工程有限公司,上海 200120)

        在石油化工裝置中,鋼樓梯以其安裝靈活、施工方便、重量輕、承載力高等優(yōu)點,得到了廣泛應(yīng)用,常見的鋼梯包括:設(shè)備框架平臺鋼梯、操作平臺鋼梯、屋面檢修鋼梯等。國內(nèi)外對于鋼樓梯的研究多集中在大跨度鋼樓梯的振動舒適性方面[1-4],但是大跨度鋼樓梯一般是出于對建筑美學(xué)和功能的要求,常用于公共建筑。對于工業(yè)建(構(gòu))筑物,大跨度鋼樓梯極少。石油化工裝置內(nèi)鋼梯梁一般采用槽鋼,踏步板根據(jù)樓梯的防火要求而不同,常見的有兩種做法:有耐火要求時,采用花紋鋼板上鋪一定厚度的混凝土;無耐火要求時,采用鋼格柵。鋼樓梯設(shè)計按GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[5]規(guī)定,需對鋼梯梁的強度、穩(wěn)定性以及撓度進行驗算,其中對于強度和穩(wěn)定性驗算,可按鋼梯梁的荷載分布求得最大彎矩以及考慮梯梁的側(cè)向約束進行計算,但是對于鋼梯梁的撓度計算,規(guī)范未給出明確的計算方法,只給出了限值。目前對于鋼梯梁的撓度計算常參照混凝土的梁式樓梯計算方法,將樓梯荷載折算成均布水平投影荷載,按梯梁的水平跨度計算撓度,該計算方法對于采用鋼格柵的樓梯來說顯然不合適,鋼格柵對梯梁豎向剛度基本沒有貢獻,斜段增加了梯梁的長度,其真實撓度會大于上述方法的計算值。本文針對此種情況,對兩端帶水平梯段鋼梯梁撓度計算公式進行理論推導(dǎo),并給出豎向撓度的簡化計算公式,采用STAAD PRO建立簡支鋼梯梁模型,對理論公式和簡化公式的計算結(jié)果進行驗證,同時對不同支座類型的鋼梯撓度進行計算分析,驗證本文提出的鋼梯梁撓度計算公式在實際工程中的適用性。

        1 鋼梯梁撓度計算公式推導(dǎo)

        1.1 基本原理

        梁撓度計算方法一般有兩種[6]:結(jié)構(gòu)力學(xué)變形體法[7]以及材料力學(xué)[8]撓度近似微分方程方法。雖然結(jié)構(gòu)力學(xué)方法只要一次積分,但在求解時需對最大彎矩點是否在斜梯段上進行判別,分情況多次推導(dǎo),而材料力學(xué)撓度近似微分方程由于只需根據(jù)彎矩函數(shù)(梯梁的彎矩函數(shù)可以以一個公式表述,無須分段)經(jīng)過兩次積分就可以得到梁的撓度曲線函數(shù),故本文采用撓度近似微分方程進行計算。

        受彎構(gòu)件撓曲線近似微分方程如下:

        對式(1)進行一次積分可以求得梁的轉(zhuǎn)角函數(shù):

        對式(2)再進行一次積分可以求得梁的撓度曲線函數(shù):

        式中ω(x)——受彎構(gòu)件的撓度曲線函數(shù);

        M(x)——構(gòu)件截面彎矩函數(shù);

        EI——構(gòu)件的截面剛度;

        C,D—— 待定系數(shù),根據(jù)邊界條件和變形連續(xù)求得。

        1.2 理論公式推導(dǎo)

        樓梯荷載分布一般按均布水平投影考慮,如圖1所示。將踏步板的水平投影荷載對其下斜梯梁段進行均分,得到等效的荷載布置圖,如圖2所示。

        圖1 均布水平投影荷載布置圖Fig.1 Layout of horizontal projected loads arranged uniformly

        圖2 等效荷載布置圖Fig.2 Layout of equivalent loads

        根據(jù)等效荷載布置圖,求得梯梁的彎矩函數(shù):

        把式(4)帶入式(1)后,進行一次積分求得梁的轉(zhuǎn)角函數(shù):

        其中斜梁段的處理,如圖3所示。

        圖3 斜梁處坐標軸Fig.3 Coordinate axes at the inclined beam

        對式(5) ~ (7)積分,求得梁的撓度曲線函數(shù):

        梁撓度是垂直于梁構(gòu)件的變形,所以對于斜梯梁段必然存在水平和豎直兩個方向撓度。對此分開討論:

        (a)豎向撓度

        斜梯梁段豎向撓度與其總撓度存在如下關(guān)系:

        式中ω2v(x)——斜梁段的豎向撓度曲線函數(shù)。

        根據(jù)邊界條件、轉(zhuǎn)角和豎向撓度的連續(xù),即:

        求得撓曲線函數(shù)中各未知參數(shù),如下:

        (b)水平向撓度

        斜梯梁段水平向撓度與其總撓度存在如下關(guān)系:

        式中ω2H(x)——斜梁段的水平向撓度曲線函數(shù)。

        根據(jù)邊界條件即:

        ω2H(L1)= 0;

        求得斜梯梁段水平撓度曲線函數(shù)的未知參數(shù),如下:

        (c)極值點

        由式(4)可以看出:對于簡支鋼梯梁,撓度二階導(dǎo)數(shù)ω*(x)除兩端外均大于0,所以在梯梁的有效范圍內(nèi)(除兩端外)轉(zhuǎn)角函數(shù)ω*(x)= 0的點即為撓度的極大值點。本文采用田紅亮[7]給出的范盛金修正公式求解梯梁的轉(zhuǎn)角函數(shù)式(5) ~ (7),一元三次方程有效解如下:

        Ci見公式(12) ~ (14),單位:rad。

        對于梯梁的豎向撓度,極值點的撓度就是最大豎向撓度。從梯梁的豎向撓度曲線可以看出,對于水平段較短的鋼樓梯即L1<L/2且L3<L/2,此時最大的豎向撓度必然出現(xiàn)在斜梁段。但是對于一些特殊情況如L1>L/2或者L3>L/2時,發(fā)生最大豎向撓度的位置不再能簡單判別是在斜梁段還是在水平段,需將C1~C3分別帶入式(20)求出各自的極值點位置,再根據(jù)極值點位置是否在所計算梁段的范圍內(nèi),判別所求得極值點位置是否合理,最終計算出準確的最大豎向撓度值。

        對于梯梁的水平向撓度,由于上水平梯段水平撓度為定值,下水平梯段水平向撓度為0,所以梯梁的最大水平向撓度只能發(fā)生在斜梯梁段或上水平梯段。只需將C2帶入式(20)求出極值點位置,再根據(jù)極值點位置是否在斜梯段的范圍內(nèi),判別所求得極值點位置的合理性。最后把極值點撓度和上水平梯段的水平向撓度進行比較,即可得到梯梁的最大水平向撓度。

        1.3 豎向撓度簡化公式

        從式(12) ~ (20)可以看出:鋼梯梁的理論公式比較復(fù)雜,這對日常設(shè)計工作中快速驗算存在較大難度。實際工程中,對于傾角不大的樓梯,水平向撓度一般比較小,不是主要的控制指標。故本節(jié)只對豎向撓度的理論公式進行簡化。

        從梯梁的彎矩函數(shù)可以看出,其與水平梁在均布荷載q作用下的彎矩函數(shù)完全一致。把斜梁段的轉(zhuǎn)角函數(shù)、豎向撓度曲線函數(shù)和水平段相比,只差1/ cosθ,即可以把斜梁等效為一根長度為L2,剛度為EIcosθ的水平梁,如圖4所示。

        圖4 等效水平梁Fig.4 Equivalent horizontal beam

        經(jīng)此,折梁問題轉(zhuǎn)換成變剛度梁問題。從圖4中可以看出,在均布荷載作用下,實際梁的最大撓度存在如下關(guān)系:

        式中ω1——剛度EI的簡支梁撓度,;

        ω2——剛度EIcosθ的簡支梁撓度,。

        同時ωmax可以由ω1和ω2兩個值進行表達,如下式:

        α1、α2值分別與水平段、斜梁段占整根梁的比重有關(guān),本文取值如下:

        當L1≥L/2或L3≥L/2時:

        當L1<L/2或L3<L/2時:

        β為調(diào)整系數(shù),經(jīng)過試算,初步取值見下式:

        2 計算模型驗證

        2.1 簡支梯梁模型驗證

        為了驗證理論公式的準確性,并對簡化公式進行修正,采用STAAD PRO,建立不同跨度、傾角、水平段分布的簡支梯梁計算模型,如圖5所示。本文取荷載q= 1.5 kN/m;梯梁均選用[25a,慣性矩I= 3 359.1 cm4;梯梁跨度取常見的6 m、7.5 m、9 m;傾角取32°、38°、45°。梯梁最大豎向撓度和水平向撓度計算結(jié)果分別見表1和表2。

        圖5 簡支梯梁模型Fig.5 Model of simply supported stair beam

        從表1、表2中可以看出,理論公式在豎向撓度和水平向撓度上的計算結(jié)果與軟件計算結(jié)果基本一致,誤差都在2%以內(nèi),兩者的差異主要在于軟件計算時考慮了梯梁的軸向變形,而基于微分方程的理論公式忽略了軸向變形對撓度的影響。對比簡化公式計算結(jié)果:水平段較小的梯梁豎向撓度與軟件計算結(jié)果誤差均小于2%,對于特殊的單水平梯段大于一半跨度的梯梁豎向撓度計算結(jié)果誤差略大,但均在5%以內(nèi),能滿足正常設(shè)計過程中的初步選型和驗算, 值無需再修正。

        表1 豎向撓度計算結(jié)果對比Tab.1 Comparison of vertical deflection calculation results

        表2 水平向撓度計算結(jié)果對比Tab.2 Comparison of horizontal deflection calculation results

        2.2 不同支座模型的驗證

        實際梯梁由于水平向受兩端支座的約束,上下水平段會產(chǎn)生一定軸力,使梯梁的彎矩函數(shù)發(fā)生變化,具體的變化受支座的約束剛度影響,很難進行準確計算。本節(jié)采用STAAD PRO對設(shè)計過程中常見的鋼梁支座和混凝土梁支座進行對比分析。模型中梯梁跨度6 m,跨度分布為1.2 m / 3.6 m / 1.2 m,梯梁傾角為45°,鋼梁支座選為HN 250×125,混凝土梁支座選為250 mm×400 mm,梯梁規(guī)格和荷載同前文所述。鋼梁支座和混凝土梁支座計算模型如圖6所示。對外側(cè)梁的計算結(jié)果進行統(tǒng)計,列于表3。

        圖6 不同支座類型計算模型Fig.6 Calculation models with different support types

        表3 不同類型支座計算結(jié)果對比Tab.3 Comparison of calculation results with different support types

        對比鋼梁支座和混凝土梁支座:混凝土梁支座的梯梁最大豎向撓度比鋼梁支座豎向撓度小8.34%,水平向撓度小7.04%,撓度最大值位置也更靠近上部水平梯段,接近0.25 m,這主要是因為混凝土梁支座兩端剛接,它比鋼梁支座的側(cè)向剛度大很多,側(cè)向約束使得水平梯段產(chǎn)生較大軸力,減小了梯梁下部梁支座的端反力,使得極值點往上水平段方向偏移。

        對比不同支座的撓度極值與理論公式、簡化公式計算結(jié)果:對于鋼梁支座軟件計算結(jié)果接近于標準簡支梁,理論公式和簡化公式計算結(jié)果與軟件計算結(jié)果基本一致,其中理論公式的豎向撓度比軟件計算結(jié)果小1.04%,簡化公式比軟件計算結(jié)果小1.53%,理論公式的水平向撓度小于軟件計算結(jié)果1.36%;對于混凝土梁支座,理論公式和簡化公式計算結(jié)果均略大于軟件計算,其中理論公式豎向撓度比軟件計算結(jié)果大7.97%,簡化公式比軟件計算結(jié)果大7.43%,理論公式的水平向撓度大于軟件計算結(jié)果6.11%。

        3 結(jié)論

        (1)本文采用材料力學(xué)撓度近似微分方程方法推導(dǎo)出兩端帶水平梯段鋼梯梁的豎向和水平向撓度曲線函數(shù),基于范金盛修正公式求解一元三次方程的原理,給出撓度極值點的位置計算公式和計算方法。

        (2)根據(jù)等效原理,把鋼梯折梁等效為變剛度梁,提出鋼梯梁最大豎向撓度的簡化計算公式,并經(jīng)過試算,給出調(diào)整系數(shù)。

        (3)與標準簡支鋼梯梁的軟件計算結(jié)果相比:理論公式求解的豎向撓度和水平向撓度誤差都在2%以內(nèi);豎向撓度簡化公式,對于水平段較小梯梁的計算結(jié)果誤差也能控制在2%以內(nèi),對于單水平梯段大于一半跨度的梯梁誤差在1% ~ 5%范圍內(nèi)。

        (4)增加梯梁支座的側(cè)向約束,能減小梯梁的撓度。

        (5)理論公式和簡化公式能很好地適用于鋼梁支座的梯梁撓度計算。對于混凝土梁支座,理論公式和簡化公式的計算結(jié)果偏大約5% ~ 10%,實際設(shè)計過程中可通過適當放寬規(guī)范限值或通過修正簡化計算公式的β值來進行鋼梯梁初步選型和驗算。

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