鋼結(jié)構(gòu)通用連接板設(shè)計技巧

周倫鋼，高陽秋曄，魏 群

(1.武漢理工大學，湖北 武漢430070;2.華北水利水電學院，河南 鄭州450045)

連接板作為鋼節(jié)點中的主要組成部分，直接關(guān)系著連接節(jié)點的承載類型和承載大小.長期以來，國內(nèi)對于鋼節(jié)點的分類過于籠統(tǒng)，沒有形成一種通用的適合于節(jié)點設(shè)計的分類方法，加上能夠作為連接板的型材較多(如鋼板、角鋼、槽鋼、圓鋼、工字鋼、H型鋼等)，復雜的鋼結(jié)構(gòu)形式也越來越多，導致鋼節(jié)點中連接板的可供選擇樣式紛繁復雜，對設(shè)計人員的要求也越來越高.

國外一些優(yōu)秀的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件如Tekla-Structure等，通常把鋼節(jié)點設(shè)計作為單獨內(nèi)容獨立于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的各環(huán)節(jié)之外，并且擁有規(guī)模龐大的節(jié)點庫，涉及到鋼結(jié)構(gòu)各個部位的連接.Tekla Structure 16.0［1］就擁有約 300 種節(jié)點類型，并且給用戶提供了可自定義的節(jié)點單元.

龐大的節(jié)點庫是國內(nèi)外優(yōu)秀鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的獨到之處，但是也給用戶帶來了不小的麻煩.用戶在眾多的連接節(jié)點中挑選出符合結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)選的節(jié)點，要花費大量的時間，連接板的設(shè)計更是如此，這樣無疑降低了設(shè)計效率.

鑒于此，筆者提出了一種鋼結(jié)構(gòu)通用連接板設(shè)計方法.該方法通過多個層次確定連接板的所有細節(jié)，將連接板的材料屬性、應(yīng)用范圍、外形輪廓、板厚、焊縫以及連接孔的縱橫排列、孔徑、方位均做參數(shù)化處理，可靈活組合，也可準確定位，以適應(yīng)正交、斜交、坡度變化的各種連接方式.

1 連接板設(shè)置界面

鋼結(jié)構(gòu)通用連接板的設(shè)計方法包括7部分內(nèi)容:連接板的分類、連接板的參數(shù)化圖形、螺栓及螺栓孔的配置、螺栓孔的參數(shù)化分布、連接板的連接方法、焊接類型及尺寸、連接附件等［2－4］.利用 Auto-CAD軟件中的ObjectARX開發(fā)包可將上述設(shè)計內(nèi)容的可視化操作界面(圖1)以Visual C++語言編譯為動態(tài)鏈接庫(DLL)［5］.該動態(tài)鏈接庫共享Auto-CAD軟件的地址空間，直接調(diào)用AutoCAD的內(nèi)部函數(shù)，集成面向AutoCAD對象的各類函數(shù)，和Auto-CAD軟件無縫連接.通過和AutoCAD軟件交互，以界面方式直接進行設(shè)計，可改變AutoCAD軟件利用命令行處理問題的方式，大大提高用戶設(shè)計節(jié)點板的速度和效率.

圖1 連接板設(shè)置界面

2 連接板設(shè)置內(nèi)容

2.1 連接板分類

根據(jù)支承件和連接板的截面特性以及實際工程需要，可將連接板分為8類:剪切板、端部支撐板、角鋼連接板、支托連接板、柱腳連接板、柱頂連接板、對接連接板和全支承桿件連接板.這些類型可在圖1的K2位置下拉列表中選擇，所選連接板會在右邊視圖中顯示出來.圖2僅列舉了連接板設(shè)置界面中可顯示的部分連接板樣式.

圖2 部分連接板樣式(設(shè)置界面局部顯示)

2.2 連接板參數(shù)化模型

為了使連接板能適應(yīng)各種復雜的情況，需考慮連接板可能出現(xiàn)的樣式，并提煉其參數(shù)化模型.一般情況下，連接板的參數(shù)化分為如下兩個層次.

1)連接板本身的參數(shù)化.圖1的K4中表述為連接板的材料屬性、長度(W)、寬度(H)、厚度(t)及定位點.

2)連接板4個角的加工特征.每個角的加工特征可分為無切割、角切割、圓形切割和矩形切割4種，參數(shù)為a×b.圖1的K8中表述為角的類型及數(shù)據(jù).角的參數(shù)化模型如圖3所示.

圖3 連接板的參數(shù)化模型

2.3 螺栓及螺孔的參數(shù)化

螺栓及螺孔的參數(shù)化也分為如下兩個層次.

1)螺栓本身的參數(shù).在圖1的K5中表述為螺栓的材料、直徑、油漆防護等.

2)螺栓孔的布置參數(shù).在圖1的K5中表現(xiàn)為螺孔直徑和長孔的圓心距;在圖1的K9中表現(xiàn)為孔列的分布、孔列的定位尺寸、孔距以及是否為長孔等.布孔的模型如圖4所示，首先要考慮螺栓孔的起始定位(h，v)，然后是螺栓孔的個數(shù)N、列數(shù)、布置方向θ、孔距d等.

圖4 連接板螺栓孔的參數(shù)化模型

2.4 連接列表

圖1的K3部分表示連接方式，主要考慮在桿件模型已連接的情況下如何布置連接板.表1給出了2根梁連接的信息模型.

表1 連接列表內(nèi)容

用戶可以根據(jù)支承件和連接板的連接位置和連接特點輕松配置連接板的各項參數(shù).

2.5 其 他

圖1中還可設(shè)置節(jié)點板中的焊接類型和焊接尺寸以及連接板上、下端的附件式加勁板.

3 結(jié)語

總結(jié)了通用連接板設(shè)計的多個層次，說明了連接板設(shè)置材料屬性、應(yīng)用范圍、外形輪廓、板厚、焊縫以及連接孔的縱橫排列、孔徑、方位等的所有細節(jié)，討論了連接板的參數(shù)化模型、螺栓的參數(shù)化模型等關(guān)鍵因素.按此方法設(shè)計的連接板是信息化模型，涵蓋了連接板設(shè)計的所有環(huán)節(jié).把該方法運用到軟件開發(fā)中，取得了良好的效果.

［1］編者不詳.Tekla Structure 16.0使用指南［M］.北京:Tekla公司北京辦事處，2009.

［2］魏群.Auspic DDD研發(fā)報告［R］.鄭州:華北水利水電學院，2001.

［3］魏群.CIS2CAD研發(fā)報告［R］.鄭州:華北水利水電學院，2004.

［4］ 魏群.CIS/2 steel structure standards and applications in CAD system［C］//2nd China International Steel Construction Congress.Beijing，2005.

［5］ Engelson V，Bunus P，Popescu L，et al.Mechanical CAD with multibody dynamic analysis based on Modelica simulation［C］//Proceedings of the 44th Scandinavian Conference on Simulation and Modeling.V－ster.s，2003.