冲压件与自攻螺钉连接的薄壁管桁架工程实践及研究文档格式.docx
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但由于方(矩)形管截面规格少、设计和施工规范(规程)尚不成熟等原因,目前我国钢管产量仅为H型钢的10%,与国外1∶1的比例还有很大差距,这表明管结构在我国的应用还有相当大的空间。
在过去近40年的时间里,美国、欧洲及澳大利亚等学者对普通方(矩)形管桁架及节点进行了全面的试验研究和理论分析,在此基础上,形成了一系列包含管结构的设计标准,并编制了若干管结构的设计手册[9]。
2005年,文献[10]专门针对冷弯方(矩)形管的特点和研究成果,编制了管构件和相贯节点的设计理论和计算方法,并根据澳洲规范AS
4100和英国规范BS
5950
Part
1给出了计算实例,为方(矩)形管结构的研究和应用提供了极大的方便。
如前所述,方(矩)管结构最重要的部分是节点,而相贯焊接是管结构最常用的连接方式。
实际上,自20世纪70年代以来,国内外学者一直在对方(矩)形管结构节点进行试验研究和分析。
近年来的研究主要集中在一些特殊节点受力性能的探索。
2010年,文献[11]以浸锌的管桁架K形节点为研究对象,针对节点附近出气孔对节点承载力的影响进行了试验研究和数值分析。
2012年,
J
Becque和
T
Wilkinson对以C450制作而成的方(矩)形管桁架X形和T形节点的承载力进行了试验研究,并通过与C350材料的试件进行比较,得到了材料屈服强度的增加及强屈比的降低对节点承载力的影响[12]。
K
R
Rasmussen和Ben
Young以焊接不锈钢方(矩)形桁架中的X形和K形节点为研究对象,进行了12个节点的试验,并提出了针对两类节点的设计方法[13]。
A
Packer,
E
Henderson,J
Cao
以加拿大标准(CAN/CSA-S16.1-M89)和管材为基础,针对国际焊接学会(IIW)和国际管结构发展与研究委员会(CIDECT)所资助项目的研究成果,总结了管桁架不同类型的焊接和螺栓节点的设计方法,为管桁架节点的设计提供了一本实用的参考手册[14]。
在国内,研究方(矩)形管桁架节点的文献十分普遍。
闫雁军等针对矩管桁架在节点区域容易出现主管管壁的局部屈曲和撕裂等现象提出了矩管桁架K形节点局部强化的强化解决方式,并通过数值分析表明外套加强节点具有良好的工艺力学性能[15]。
为了解钢管结构的关键部位即节点在低周往复荷载作用下的滞回性能,以正确评价管结构抗震能力,陈鹏对两种约束条件下的12个T形方管节点进行了轴向往复荷载作用下的试验研究[16],为进一步研究方管桁架抗震性能提供了方便。
武振宇等对K形和KK形方钢管节点受力性能进行了试验研究和有限元分析,得到了节点的破坏模式、荷载-位移曲线和节点塑性区的扩展,并分析了几何参数(β、g)、支杆作用位置和空间作用对节点极限承载力的影响[17]。
程晓燕针对荷载和跨度均较大的桁架,提出宽翼缘弦杆和方(矩)形管腹杆组合的桁架形式,并通过工程实例介绍了此类节点的设计方法[18]。
文献[19]对加强型空间方矩钢管相贯节点静力性能进行了系列的研究。
并针对某一工程的空间正交方(矩)形焊接空心钢管桁架,以支管端部扩大的加强型空间节点为研究对象,对工程两个典型节点进行了足尺模型和1∶2缩尺模型的试验研究,采用ABAQUS对试验节点进行有限元分析,证明节点可以满足工程要求。
2 热镀锌冷弯薄壁方(矩)形管桁架
热镀锌冷弯薄壁方(矩)形管一般由厚度为0.6~3.0
mm的热镀锌冷轧或热轧板冷弯焊接而成,除拥有前述普通方(矩)形管的优势外,还具有自重轻、节约钢材、弯折区域强度高、惯性矩和回转半径大等优点,且防腐性能与普通涂料处理的构件相比有了很大提高。
把热镀锌薄壁方(矩)形管用于30
m跨以内的中小跨桁架,不仅可降低结构的自重和增大构件的承载能力,而且能提高钢骨架的使用寿命,具有很好的经济效益。
尽管如此,由于热镀锌薄壁方(矩)形管厚度薄(0.6~3.0
mm),管桁架相贯节点中的焊接操作十分不便,容易烧穿钢板,焊缝质量难以得到保证,且热镀锌层容易遭到破坏,因而传统的焊接并不适合于热镀锌薄壁方(矩)形管桁架杆件之间的连接。
螺栓是薄壁方(矩)形管桁架杆件之间另外一种可选择的连接方式,但需要辅助连接件,且在钢管和辅助件上均需预先精确打孔,操作麻烦,对杆件截面削弱较大,因而很少在薄壁方(矩)形管桁架中得到应用。
自攻螺钉以其施工简便、速度快、与连接件咬合紧密、承载能力高、外形美观等优点在轻钢结构中得到了广泛的应用,也自然成为管桁架节点连接材料的最佳选择。
这种连接方式不需要在方管上打孔,只需要在辅助连接板上预打引孔,后者可在工厂批量生产加工。
作者于2007年尝试设计以热镀锌方(矩)形管和设置在钢管两侧的冲压件通过自攻螺钉连接而成的冷弯薄壁管桁架[6-8],并用于跨度不大于30
其中,方(矩)形管一般由厚度为0.8~3.0
mm的热镀锌冷轧或热轧板冷弯焊接而成,钢管截面可根据设计要求确定,目前常用的包括□40×
40、□40×
60、□40×
80、□40×
70、□50×
70、□60×
60、□60×
80、□80×
80等。
冷弯薄壁管桁架中的冲压件为一系列标准连接件,由不同吨位的冲压机根据相应模具冲压而成。
冲压件亦采用热镀锌冷轧或热轧钢板冲压而成,厚度大于或等于钢管厚度的1.2倍,且一般大于1.5
mm。
为方便自攻螺钉的连接,冲压件上根据计算布置有若干固定的引孔。
另外,在冲压件表面未设引孔处冲有凸缘,冲压件部分外边均做弧形的翻边处理,这样可提高冲压件及节点的承载力和刚度,且方便桁架的生产。
参考普通焊接的方(矩)形管桁架,本文介绍的薄壁平面管桁架的节点分为T形(即弦杆与1根腹杆连接)、K形(即弦杆与2根腹杆连接)及KT形(即弦杆与3根腹杆连接)等3种主要形式[6]。
目前,已开发出适合梯形和平行弦两种桁架的T形、K形及KT形节点的冲压件。
对于梯形桁架,主要针对坡度为1∶13(与门式刚架的坡度相适应)、带有竖腹杆的人字式。
排布腹杆时,可从屋脊节点开始,先固定屋脊节点下两方向斜腹杆与下弦杆的夹角,一般取60°
,其余斜腹杆均与这两斜腹杆分别平行即可。
这样保证了上弦所有K形节点和下弦所有KT形节点均相同,从而大大减少了冲压件的类型,方便了设计和制作。
平行弦桁架的冲压件设计也遵循同样思路。
图1、图2分别为梯形桁架上弦的K形节点及下弦的KT形节点。
图3、图4分别为平行弦桁架的KT形节点及T形节点。
图1 梯形桁架上弦的K形节点
图2 梯形桁架下弦的KT形节点
图3 平行弦桁架的KT形节点
图4 平行弦桁架的T形节点
由热镀锌方(矩)形管和冲压件通过自攻螺钉连接而成的薄壁管桁架既可在工厂、也可在现场制作完成。
图5为单片梯形薄壁管桁架在工厂制作的情形。
图6为已制作完成的半跨平面桁架,准备运输至施工现场。
图5 梯形薄壁管桁架的制作
图6 制作完成的半跨薄壁管桁架
综上所述,用冲压件和自攻螺钉连接的热镀锌薄壁方(矩)形管桁架,不仅自重轻、节约钢材、承载力高、防锈蚀性能强,且加工制作简单,适合于大规模的工业化生产,是一种十分有前景的管桁架形式。
实际上,这种结构形式自2007年以来,已在若干项目中得到了应用,效果良好。
图7 北京某公司二期厂房格构柱
图8 北京某公司二期厂房整体骨架
图9 马来西亚某公司厂房骨架安装
图7和图8分别为北京某公司二期厂房格构柱及安装成功后的骨架。
该厂房总面积60
000
m2,跨度24.0
m和25.5
m,梯形桁架,柱高6.0
m,无吊车。
图9为马来西亚某公司厂房屋盖吊装的情形。
该厂房面积2
500
m2,跨度21
m双连跨,梯形桁架,柱高6.0
图10为四川某抗震数字纪念馆桁架现场吊装情形,该项目面积700
m2,跨度16
m,梯形桁架。
图10 汉旺纪念馆桁架现场吊装
图11 官地水电站主厂房拱桁架
图11为西昌水电站主厂房及顶棚屋盖拱桁架,跨度30
m。
由于节点类型较多,该项目的冲压件没有凸缘和翻边。
武汉市汉阳某商业步行街顶棚也采用了类似的拱桁架,面积约1
200
图12为湖北省仙桃市某售楼部结构安装现场,面积500
m2,跨度12
m,平行弦桁架。
图12 仙桃售楼部结构安装
3 薄壁管桁架研究现状
3.1 薄壁小桁(刚)架梁
薄壁小桁架梁或小刚架梁是随着轻钢龙骨体系而出现的,主要用于房屋的楼面梁和厂房的檩条等。
尽管这两类小型桁(刚)架梁与薄壁方(矩)形管桁架有区别,但其试验和有限元建模方法对薄壁管桁架研究工作的开展具有很好地参考作用。
薄壁小桁架梁包含两种做法:
标准V型冲压件和上下弦方(矩)形管之间采用自攻螺钉连接(图13);
薄壁弦杆和腹杆之间通过螺栓或自攻螺钉直接连接而成。
而小刚架梁(图14)则是上下弦方(矩)形管通过标准矩形冲压连接件和自攻螺钉连接而成的一种小刚架。
图13 薄壁小桁架梁
图14 薄壁小刚架梁
无比轻钢龙骨体系(Web
Steel)简称无比钢[20],
是一种由若干小桁架单元构成的轻钢结构体系。
小桁架单元由冷弯薄壁方(矩)形钢管和V型连接件通过自攻螺钉连接而成(如图13),它既可直接作为楼层中的桁架梁,也可充当墙体中的受力骨架。
武汉理工大学2004—2006年曾针对无比轻钢龙骨体系进行了一系列研究[20],包括梁、墙、节点的静载试验;
两层足尺房屋的振动试验;
构件和整体结构的分析方法等。
文献[21]对12根无比钢小桁架梁进行了承载力试验,加载方式为悬挂重物。
通过试验,获得了典型桁架梁在竖向荷载作用下的极限承载能力、破坏模式及抗弯刚度。
另外,试验还证明无比钢小桁架梁的极限承载力和竖向抗弯刚度均较小,梁典型的破坏方式一般为梁平面外的整体失稳、V型连接件端部局部屈曲和自攻螺钉被剪坏等,需要采取措施加以避免。
文献[22]则在无比钢桁架梁试验的基础上,通过有限元方法,探讨了不同跨度小桁架梁承载能力的影响因素,包括连接件的间距、朝向和型号、上下弦方(矩)形管的厚度等,为这种小桁架梁的工程应用提供方便。
2011年,重庆大学的王志军等对5根采用撑杆冲压连接件的筑巢轻钢龙骨体系小刚架梁进行了承载力试验和有限元分析,研究了筑巢轻钢小刚架梁在竖向荷载作用下的受力特点、破坏模式、极限承载力。
结果表明:
增大上弦管的截面面积可以明显提高梁的极限承载力,但梁的抗弯刚度增长幅度不大;
小刚架梁主要由其跨中挠度控制设计,在正常使用阶段,刚架梁的承载力只为极限承载力的33%~45%[23]。
2011年,重庆大学的赵佩君提出了Z形标准连接件的小桁架梁方案,即把小桁架梁中V形件的两个肢断开成Z形件,分别与上下弦杆连接。
在此基础上,对Z形件桁架梁单梁和由Z形件桁架梁与OSB板组成的组合楼盖进行静力加载试验。
试验结果表明:
Z形件桁架梁和撑杆件桁架梁两者极限承载力相当,但刚度提高约20%~50%。
组合楼盖中,OSB板在参与受力的同时,有效地限制了上弦的塑性变形,此时桁架梁破坏时的极限承载力相对于单梁提高约20%[24]。
2011年,长安大学的林丽[25]以冷弯薄壁型钢桁架为研究对象,采用ANSYS有限元软件,建立了A、B、C、D四组20个不同尺寸、不同腹杆布置形式的冷弯薄壁型钢桁架有限元模型,并对冷弯薄壁型钢桁架竖向极限承载能力进行了非线性有限元分析,得到了试件承载力和破坏模态的有益结论,在此基础上,对桁架进行了变参数分析,得出了影响桁架竖向承载能力的主要因素。
2012年,武汉理工大学的聂紫龙以格构轻钢结构的小刚架梁为研究对象,对典型长度、不同钢管厚度及不同标准撑杆连接件的刚架梁进行一系列承载力试验,得到刚架梁的极限承载力、破坏模态及位移应变变化规律。
另外,对所有试验刚架梁进行有限元分析,并与试验数据进行对比,验证了有限元建模方法的正确性[26]。
2013年和2014年,韩甜与刘令分别对3
m×
3
m及6
6
m的双向桁架梁进行了足尺模型破坏试验,这种双向桁架梁是由单片桁架梁双向正交放置,正交节点处用自攻螺丝相连而成,两组试验证明了双向桁架梁具有承载力高、刚度大、传力均匀等特点,适用于中小跨度楼面梁,有利于减小楼板厚度,增加房屋净高[27-28]。
图15、图16分别为两种双向桁架梁的试验现场。
图15 3
m双向梁现场试验
图16 6
国外涉及采用自攻螺丝和冲压件连接的薄壁管桁架的研究文献并不多。
对于以冷弯薄壁C形钢为弦杆和腹杆,通过螺栓直接连接而成的桁架,腹杆与节点之间一般假设为铰接,但实际上是半刚性连接。
2006年,罗马利亚的Raul
Zaharia,
Dan
Dubina总结蒂米仁瓦拉大学几年来所做的系列试验成果,得到了节点刚度的分析模型和公式,由此进一步确认了腹杆计算长度的计算方法,并通过一个足尺桁架试验得到了验证[29]。
1998年,T
M
Ibrahim等在文献[30]中认为由冷弯薄壁C形钢所形成的屋顶桁架,在集中荷载作用下,上弦连续杆会受到一个偏心作用。
文献通过试验和有限元模拟,研究了上弦C形截面杆在同时受到轴心压力、弯矩及腹板受压状态下的受力性能,并认为如果不采取措施加固,将会导致上弦发生破坏。
2003年,
V
Wood等在文献[31]中对普瑞特屋面桁架进行了试验研究。
桁架3个,跨度6.1m,坡度为4∶12,由C形钢杆件通过自攻螺钉和节点板连接,桁架四点重物加载模拟屋面雪载。
文献得到了3个桁架的受力特性和承载能力。
2010年,J
L
Dawe等在文献[32]中对13根由C形冷弯薄壁型钢截面构成的足尺桁架进行试验,得到了多种加固方式下桁架受力行为和承载力。
结果同样说明了桁架上弦局部屈曲是桁架破坏的主要因素。
3.2 冷弯薄壁管桁架
国内外涉及采用自攻螺钉和冲压件连接管桁架的研究文献不多。
目前所查资料主要涉及工程实践过程中完成的现场足尺模型试验及相关的理论分析。
图17 K形节点应力云图 MPa
2008年,武汉理工大学的涂琳,以北京某厂房为例,详细介绍了厂房屋盖的具体做法及设计思想,并对屋架及格构柱组成的厂房主骨架进行了理论分析[7],为本项目的研究提供了工程实例。
同年,武汉理工大学石红雷仍以北京某二期厂房为例,采用ABAQUS有限元软件,建立了屋架、格构柱典型节点的有限元模型,并通过分析得到了桁架节点的极限承载力、荷载-位移曲线、破坏模式及影响因素
[6]。
图17为桁架上弦K形节点有限元分析的应力云图。
2009年,在涂琳和石红雷所做工作的基础上,武汉理工大学的徐磊以标准件和自攻螺钉连接的薄壁管桁架为对象,在博洛尼工程现场对一片25
m跨管桁架进行了竖向荷载作用下的承载力试验,得到了管桁架的受力性能、极限承载力和破坏模式,并与理论分析结果进行了比较,证明这种结构形式满足设计荷载的要求,为其设计和应用提供了依据[8]。
图18为桁架试验现场。
图18 薄壁管桁架现场试验
2007年,西安建筑科技大学的李文对直接焊接的冷弯薄壁矩形管桁架进行了足尺试验研究。
桁架试件从施工现场随机抽取,弦杆和腹杆均由冷弯槽钢双拼成方(矩)形管,桁架跨度30
m,在结构实验室进行足尺破坏试验,得到桁架的破坏特征和极限破坏荷载,并与理论推导值进行比较,以了解桁架的设计安全度和设计合理性,为今后桁架设计提供试验依据[33]。
2012年,S
Mohammad等在马来西亚理工大学对一跨度为25
m的屋顶桁架进行了足尺试验。
桁架高4.7
m,由高为150
mm和74
mm的冷弯C型截面构成,通过在桁架上下弦放水泥袋模拟均布荷载。
当加载达到63.77
kN时,桁架发生破坏。
文献讨论了桁架的破坏模式和原因,可为桁架设计提供依据[34]。
2002年,A
Azizinamini在文献[35]中对一座老式桁架钢桥进行了足尺试验。
钢桥跨度27.43
m,宽4.72
m,1920年修建。
钢桥被运回实验室共进行两次试验,第一次试验导致受拉的铸铁构件发生突然的断裂。
修补断裂的构件后再进行加载,其破坏方式缓慢,且有足够征兆。
文献研究表明:
调查老式钢桁架桥时,应对铸铁受拉构件引起足够的重视。
2012年,武汉理工大学的刘敏对3片24
m跨焊接平面管桁架进行了足尺试验及有限元分析。
其试验装置为:
设计一反力桁架,并在两端与试验桁架相连,通过千斤顶和反力桁架把上弦节点荷载施加于试验桁架上。
通过分析和比较可知,桁架极限承载力试验值是荷载标准值的1.82~2倍,且大于工程软件计算值,证明在实际荷载作用下该桁架可安全使用[36]。
由于冷弯薄壁型钢构件厚度很薄,在加工和运输过程中难以避免出现构件的初弯曲等初始几何缺陷,因此冷弯薄壁型钢构件初始几何缺陷的确定显得至关重要。
2007年,吴春雷等开发了一套基于激光测距仪的初始缺陷测量系统,实现对壳体结构的快速、精确、非接触的测量。
文献[22]详细介绍该系统的设计思想及实现方法,包括激光测距仪的选择、数据采集与计算机自动控制技术等。
利用该系统对两个柱支承钢筒仓模型进行了仔细的初始缺陷三维测量,验证了系统的适用性和可靠性。
文献[23-24]使用文献[22]的测试方法和原理测量了冷弯薄壁型钢构件的初始几何缺陷。
为冷弯薄壁结构初始几何缺陷的测量提供了参考。
4 结束语
本文总结普通方(矩)管桁架的特点和研究进展,针对热镀锌冷弯薄壁方(矩)形管厚度薄(0.6~3.0
mm)、热镀锌的特点,提出冷弯薄壁管桁架。
该桁架具有用钢量少、生产方便、耐腐蚀、综合造价低等特点,适用于跨度不大于30
介绍了由冲压件自攻螺钉连接而成的热镀锌冷弯薄壁方(矩)形管桁架的做法及工程实践,总结了近年来针对小型薄壁管桁(刚)架梁、25.5
m跨薄壁管桁架、6
m双向管桁架梁等所做的试验研究和理论分析的进展,对薄壁管桁架的工程设计和推广具有一定的理论意义和工程应用价值,也可为相关领域的进一步研究提供参考。
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