钢构深化在大跨度门架上的思考_刘军.pdf

116 建设机械技术与管理 2023.01 施工技术钢 构 深 化 在 大 跨度门架 上的思考Nodes Deepen Thinking on Large Span Gantry刘军1 廖丰生2（1.中建八局深圳科创发展有限公司，广东 深圳 518000)（2.中国建筑第八工程局有限公司南方分公司，广东 深圳 518000）摘要：由于钢材具有强度高、延性好、施工快、绿色环保等优势，越来越多的建筑师亲睐于钢结构，大跨度钢结构标志性建筑越来越多。本文基于钢构深化过程中发现的问题，通过对比 3 种钢构深化方案，采用 Sap2000 对圆管构件进行了详细的受力分析，通过思考寻找受力更合理，构造更简单的构件补强措施。提出在不影响建筑使用功能和美观的前提下，采用外加劲肋补强法可以最大限度的增大原有构件的惯性矩而提高结构的抗弯刚度，补强效果明显，可为同类工程提供一定的数据依据，具有一定的研究意义。关键词：钢结构；大跨度；钢构深化；圆管；补强中图分类号：TU393 文献标识码：B1 发展现状随着我国建筑钢结构工程设计和钢构施工应用技术水平的全面提升，越来越多的大跨度空间结构采用钢结构。钢结构具有自重轻、安装容易、施工周期快、抗震性能好、绿色环保污染少等优势。但同时因为这些优势导致设计和施工上的粗心大意引起了很多钢结构安全问题，钢结构建筑加固问题也越来越常见。圆钢管的轴向承载力性能远优于横向的承载力性能，最常见的破坏失效模式即在节点部位主管表面发生局部屈曲或屈服。按目前行业内现行设计规范和施工经验，常见的补强措施主要有两种：(1)内部加强1-3方式包括内加劲环、内加劲肋4-5、加大壁厚6等；(2)外部加强方式包括外加劲环7、外加劲肋8、垫板及环板9。2 项目概况本工程为大型产业集聚区出入口标识项目，位于广东省肇庆市 G321 新旧国道交汇处。最大跨度约为 62m，主体钢结构高度约为 15.2m，主体结构采用大跨度钢结构门架。考虑 R=50 年的重现期，基本风压取值 Wo=0.5kN/m2，地面粗糙类别为 B 类，建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数为 1.0，抗震设防烈度为 6 度，场地类别为类，特征周期 Tg=0.45s。本工程建成后将成为肇庆市交通标志性构筑物中一道靓丽的风景线，下图 1 为设计院提供的效果图。因原设计此构件为变截面，须采用铸钢节点的加工才能完全符合设计的要求，但因工期的紧张，铸钢节点需要定制模具，严重影响工期。且设计假定所有构件节点均为刚性连接，在施工过程中较难完全实现，导致加工后的构件因自身刚度不足，构件存在强度不足的安全隐患。为了弄清结构构件的受力状况，确保工程的安全，经过计算复核对局部构件进行加固10。在已经下料的钢构件基础上进行补强，尽量不损伤原构件，确保原构件强度及变形、稳定性等满足规范要求11。通过数值模拟分析为工程施工提供技术依据。在 Sap2000 分析中，VonMises 屈服应力13按下公式计算：=0.5(1 2)2+(2 3)2+(3 1)2 当等效应力超过材料的屈服应力时，将会发生塑性变形，圆管材料采用双线性随动强化本构模型8，12如下图 2所示：图 1 大型产业集聚区入口标识效果图DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.0222023.01建设机械技术与管理 117施工技术在荷载作用下，钢构件采用增大截面加固时，其最大名义应力14可按下列公式（1）和公式（2）计算：max=NAo+MxMyWo （1）NAo+MxN xWo+MyN yWo0.75 fy （2）式中：N，Mx，My分别为构件的轴力(N)，绕 X 轴和 Y轴的弯矩(N.mm)；Ao，Wo 分别为构件的净截面面积(mm2)和净截面抵抗矩（mm3）；x，y分别为构件对 X，Y 轴的挠度，fy为钢材抗拉或抗压强度。为了避免材料浪费且达到必要的结构安全和建筑对功能和美学的需求。急需寻找结构受力合理，构造简单、施工便利的补强措施。针对此工程问题主要进行了 3 个方案的思考：(1)方案一为等截面 75030 按斜率 1：6 放坡变为60016；(2)方案二为圆管 60016 内套钢管 30016；(3)方案三为圆管 60016 外侧对称设加劲肋。为了保证补强方案的有效性，利用 HyperMesh 工具HyperBeam 统计几种方案的几何参数如下表 1 所示：由下表可知：补强截面的选择应保证面积与惯性矩与原始设计 t=18mm 时相近，通过对比面积与惯性矩可以保证补强方案的精准有效性，可以迅速明确方案 2 与方案 3 的补强截面。本工程进行了 8 种工况的分析，并对 8 种荷载工况进行包络设计，荷载分析工况入 下表 2：图 2 圆管材料本构关系方案壁厚/mm 面积/mm2惯性矩/mm4示意图原设计t=16293551.25e9t=18329111.39E9t=20364421.53e9方案 1t=16-方案 2t=16436261.40e9方案 3t=16357571.65e9表 1 不同方案下几何截面参数工况 11.3DL+1.05LL+1.5Wx+0.84Ex工况 21.0DL+1.5Wx-+0.84Ex工况 31.3DL+1.05LL+1.5Wy+0.84Ey工况 41.0DL+1.5Wy-+0.84Ey工况 51.0DL+0.7LL+1.0Wx+0.6Ex工况 61.0DL+0.7LL+1.0Wx-+0.6Ex工况 71.0DL+1.0Wy+0.6Ey工况 81.0DL+1.0Wy-+0.6Ey表 2 荷载组合工况图 3 Sap2000 模型示意图表 3 最不利荷载组合内力值NV2V3M2M3T（kN）（kN）（kN）（kNm）（kNm）（kNm）862703634031531963 结构分析本工程跨度较大，侧向约束少，为寻找合理的构件空间布置，采用 Sap2000 对本工程进行常规的模态分析。其中对原方案按壁厚 t=16mm、t=18mm、t=20mm 时构件应力计算结果分别为 1.104、1.030、0.920。Sap2000 模型示意图如图 3 所示：通过对荷载工况的包络设计，提取最不利荷载工况内力，其内力如下表 3。3.1 方案一受力分析经过各工况的包络设计，取最不利工况内力值代入Sap2000 对该节点进行有限元分析。SVM SMaxV图 4 方案一圆管外壁应力云图118 建设机械技术与管理 2023.01 施工技术经计算复核，按深化加工方案一：放坡 1：6 时，其最不利荷载工况下变截面杆件应力云图如图 4 所示。由上图可知：在最不利工况下该杆件明显存在构件截面不足，截面横向抗剪应力 SMaxV较小，远小于材料强度设计值，但杆件截面 VonMises 应力超过 Q355B 钢材抗拉强度设计值。此构件不存在抗剪截面不足，其破坏主要因为发生抗弯强度失效所致。圆管 60016 按 1：6 放坡不能满足设计要求，需要采取补强措施。因此钢构深化加工须按图足尺下料，避免深化返工对工程产生不利影响。3.2 方案二受力分析将 30016 的圆管套入 60016 的圆管内部居中对齐，两端通过设置 30016 的加劲肋让内外圆管协同受力，其计算结果如图 5 8 所示。为了找到内套圆管对构件整体补强的贡献，进行了多组内套管壁厚对比分析，此处只摘取 t=12mm 和 t=16mm的计算结果，其分别如图 6 和图 7 所示。图 8 为大直径圆管 75030 与小直径圆管 60016之间的法兰连接板，内环开孔直径 D=200mm。通过对图 5 8 的分析可知：(1)圆管外壁受力叫均匀，除了在端部，未出现明显的应力集中现象，构件处于弹性阶段。(2)内套钢构对构件的补强有较大贡献，由于需要同外部钢构协同受力，端部加劲肋部位存在严重应力集中现象。内套钢和加劲肋的壁厚需大于等于 16mm，经济性较差。(3)大直径圆管与小直径圆管之间的法兰连接板受力较均匀，仅局部存在应力集中现象，整体处于弹性受力状态，安全富裕度高，其壁厚建议取值 0.7 倍大直径圆管壁厚。SVM SMaxV图 5 最不利组合下外部圆管应力云图SVM SMaxV图 6 t=12mm 时内套圆管应力云图SVM SMaxV图 7 t=16mm 时内套圆管应力云图 SVM SMaxV图 8 方案二法兰板应力云图SVM SMaxV图 9 方案三杆件应力云图图 10 方案三法兰板应力云图图 11 节点深化补强示意图2023.01建设机械技术与管理 119施工技术3.3 方案三受力分析为了寻找更合理的节点处理办法，对方案三进行了详细的分析。方案三：在圆管 60016 外侧对称设置 4 个宽度 100mm，厚度 16mm 的加劲肋，长度与 60016 相同。其计算结果如下图 9 10 所示。由上图 9 10 可知：（1）圆管受力均匀，未出现明显的应力集中现象。杆件截面 VonMises 应力，截面横向抗剪应力 SMaxV 均远小于 Q355B 钢材材料强度设计值。应力比约为 0.72，杆件处于线弹性受力状态。结构具有足够的安全。（2）法兰连接板受力均匀，应力较小，内环开孔直径D=350mm，节省材料。建议可适当减小法兰板壁厚，壁厚建议取值 0.7 倍大直径圆管壁厚。（3）结合表 1 中几种方案的集合参数可知：方案 3 明显比方案 2 经济性好，方案 3 节省了钢材，同等壁厚时其抗弯刚度约为方案 2 的 1.18 倍。3.4 节点补强措施通过上述分析提出以下节点补充措施：（1）为了减小大跨变形等不利因素对构件受力的影响，加工时按跨度的 3/1000 预起拱，保证变形满足规范要求。（2）因杆件较长，不能忽视焊缝残余应力的影响，施工时应做好焊缝质量的把关，须保证 100%无损伤探测合格，补强加劲板与原构件间在支座和节点处应保证可靠的连接或锚固。（3）节点补强时应尽量做到对称布置，不能采用导致构件截面变成偏心受力构件的补强方式，并尽量减少构件加固后的应力集中，构件受力应传力明确，受力合理2。通过对比三种方案的计算结果，最终建议采用方案三对本工程进行补强，其补强示意如图 11 所示：4 结 论通过上述三种方案的对比分析可知：（1）通过对大跨度门架的对比计算分析，本工程采用等惯性矩、等横截面积的等强加固措施可快速明确构件截面。为钢构深化设计提供一定的数据支撑，为施工提供了技术指导。（2）内套钢管法应采取有效措施避免端部应力集中，须确保内外钢管的协同受力。针对类似本工程补强构件长度较长，管径较小时不太适用，施工便利性差，其用钢量较大经济性差。（3）对于在构件外设加劲肋，在不影响建筑美观和使用功能的前提下，建议优先采用。其施工便利性好、结构受力均匀、构造合理简单。同样壁厚用钢量最小且能最大限度的增大原有构件的惯性矩而具有较高的结构抗弯刚度，节省钢材经济性好，补强效果明显，方法切实可行。参考文献1 赵岩,李书文,黄宇星,等.用外加劲肋加固 T 型圆钢管节点的试验研究J.土木工程学报，2014，47（9）：70-74.2 GB51367-2019 钢结构加固设计标准 S.3 王元清,孙鹏,施刚,等.钢结构相贯管节点的加固设计与分析 J 空间结构，2007，13（4）：28-31.4 Lan X Y,Wan F,Ning C,Xu X F,Pan X R,Luo Z F.Strength of internally ring-stiffened tubular T-joints subjected to brace axial loading J.Journal of Constructional Steel Research,2016,125:88-94.5 沈小平.大跨度钢梁的加固设计与施工 J.安徽建筑，2008，160（3）：152-166.6 Yong-Bo Shao,Seng-Tjhen Lie,Sing-Ping Chiew.Static Strength of Tubular T-Joints with Reinforced Chord under Axial Compressio