鋼桁架H型截面上弦桿設(shè)計(jì)

薛寶恒

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741025）

鋼桁架H型截面上弦桿設(shè)計(jì)

薛寶恒

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741025）

H型截面在我國鋼桁架工程中應(yīng)用十分普遍，適用于對內(nèi)力和長度不很大的壓桿。本文以某建筑工程設(shè)計(jì)的鋼桁架的上弦桿為例，進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，通過分析驗(yàn)算，結(jié)果表明該鋼桁架的上弦桿的初選截面尺寸、整體穩(wěn)定性驗(yàn)算、局部穩(wěn)定性驗(yàn)算以及剛度驗(yàn)算，均滿足要求。

截面設(shè)計(jì)；軸心受壓構(gòu)件；穩(wěn)定性驗(yàn)算；剛度驗(yàn)算

0 引言

軸向受力構(gòu)件是鋼結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)的軸向受力構(gòu)件廣泛應(yīng)用于桁架和屋架的弦桿和腹桿、各種塔架、平臺(tái)支架的柱子，以及各種鋼結(jié)構(gòu)中的支撐桿等。軸向受力構(gòu)件可用鋼板和型鋼組成各種截面形式，主桁架桿件截面分為用于次要桿件或內(nèi)力較小的輕型桁架桿件和當(dāng)荷載較大，主桁架采用重型桁架時(shí)，桿件截面較大時(shí)采用的雙壁式截面。在選擇構(gòu)件截面形式時(shí)，不但要考慮滿足強(qiáng)度和剛度的要求，還要使構(gòu)件便于連接。此外，對構(gòu)件還要考慮到便于施工以及今后的油漆、養(yǎng)護(hù)和檢修。本文以某建筑工程鋼桁架的上弦桿截面設(shè)計(jì)為例，介紹截面設(shè)計(jì)的步驟[1-3]。

1 工程概況

某建筑工程設(shè)計(jì)一鋼桁架的上弦桿，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，上弦桿承受的軸向壓力為4 170 kN，桿長8 m。由于本桿件對內(nèi)力和長度不太長，所以在設(shè)計(jì)時(shí)選用由兩塊翼緣板和一塊腹板組成的H型截面。這種截面構(gòu)造簡單，便于采用自動(dòng)焊，校正焊接變形較容易，采用螺栓連接時(shí)施工也較方便，在我國鋼桁架工程中應(yīng)用較廣泛。從構(gòu)件的總體穩(wěn)定性和剛度以及桿件局部穩(wěn)定性要求出發(fā)，設(shè)計(jì)采用Q345鋼，假定容許最大長細(xì)比的值為100，桁架的橫向連接系間距等于桁架節(jié)間長度。

2 上弦桿設(shè)計(jì)步驟

軸心受壓桿件截面設(shè)計(jì)是根據(jù)構(gòu)件的自由長度、軸向壓力、鋼材牌號(hào)的情況，確定構(gòu)件的截面形式和尺寸。對壓桿的承載能力起控制作用的，在大多數(shù)情況下是構(gòu)件的整體穩(wěn)定性，只有在設(shè)計(jì)長度很大而內(nèi)力很小的壓桿時(shí)是由剛度控制，局部穩(wěn)定性問題通常不需要詳細(xì)計(jì)算。在選取截面時(shí)注意滿足板件寬厚比的構(gòu)造要求即可，所以在設(shè)計(jì)時(shí)可首先根據(jù)整體穩(wěn)定性的要求來選擇截面的形式和尺寸，然后驗(yàn)算其局部穩(wěn)定性和剛度。根據(jù)工程特點(diǎn)，該上弦桿的設(shè)計(jì)步驟如下[1-4]幾個(gè)方面。

2.1 確定型式

根據(jù)整個(gè)結(jié)構(gòu)物的要求，選定構(gòu)件的截面形式，按照構(gòu)件的重要性，假定的容許最大長細(xì)比值為100。根據(jù)假定的容許最大長細(xì)比值由規(guī)范中的表格軸心受壓鋼構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)確定φ1，再用壓桿穩(wěn)定性公式計(jì)算所需的毛截面面積Am（式1）；利用假定的容許最大長細(xì)比λ和設(shè)計(jì)的桿件自由長度值，計(jì)算所需的截面回轉(zhuǎn)半徑i（式2）；按照選定的截面形式和計(jì)算的截面回轉(zhuǎn)半徑，擬定截面的高度h和寬度b。

根據(jù)上述可確定弦桿截面面積為295.7 cm2，截面的高度h為55.4 cm，寬度為30.9 cm，由初步計(jì)算出的截面面積和截面的輪廓尺寸長度和寬度，并考慮局部穩(wěn)定和構(gòu)件要求初選截面尺寸。由于假定的容許最大長細(xì)比λ值不一定恰當(dāng)，完全按照所需要的弦桿截面面積、長度和寬度配置的截面可能會(huì)使板件厚度過大或過?。豢赏ㄟ^適當(dāng)調(diào)整長度和寬度，長度和寬度宜取10 mm的倍數(shù)，翼緣板厚度和腹板厚度宜取2 mm倍數(shù)。一般腹板厚度應(yīng)比翼緣板小，所選用的型鋼和鋼板的尺寸要符合現(xiàn)有的產(chǎn)品規(guī)格。對于本工程設(shè)計(jì)的H型截面受壓構(gòu)件，為了保證受力較大的兩塊翼緣板的整體作用，腹板的厚度不宜過薄。根據(jù)翼緣板與腹板臨界壓力相等的條件所做的規(guī)定，在焊接的H型構(gòu)件中，當(dāng)翼緣板厚度≥24 mm時(shí)，腹板厚度≥翼緣板厚度的0.5倍；當(dāng)翼緣板厚度< 24 mm時(shí)，腹板厚度≥翼緣板厚度的0.6倍。另外，為了防止鋼板銹蝕，腹板厚度≥6 mm。綜合以上分析，從已知的所需的截面積和兩塊翼緣板的截面積，可以確定腹板的寬度為32 m（式3）?？沙醪竭x定翼板：2-54 cm×2.4 cm，腹板1-32 cm×1.2 cm，實(shí)際截面積為297.6 cm2，實(shí)際面積接近所需要的截面積。

2.2 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)設(shè)計(jì)圖分析，整體穩(wěn)定性的驗(yàn)算的結(jié)果為189.7 MPa（式4），小于容許值200 MPa，所選的尺寸符合總體穩(wěn)定性要求。

2.3 局部穩(wěn)定性驗(yàn)算

鋼壓桿通常由若干較薄的鋼板和型鋼組成。在軸心壓力作用下，由可能在壓桿喪失整體穩(wěn)定性之前，壓桿某一薄而寬的板件在壓力達(dá)到一定值時(shí)，不能繼續(xù)保持平面狀態(tài)的平衡而發(fā)生局部翹曲，壓桿板件的局部失穩(wěn)會(huì)降低壓桿的承載能力，導(dǎo)致壓桿提前破壞。為了保證實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定，才用限制其板件的寬厚比的辦法來實(shí)現(xiàn)，確定板件寬厚比限制值所采用的原則是使構(gòu)件整體屈曲，即局部屈曲臨界應(yīng)力不低于整體屈曲臨界應(yīng)力。為了在設(shè)計(jì)中使用方便，針對H型截面構(gòu)件，進(jìn)行局部穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，確定了受壓構(gòu)件中各類板件的容許高寬比。通過驗(yàn)算軸心受壓的局部穩(wěn)定性（式5）公式，確定了工程的翼板局部穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果為11，未超過容許值12，腹板的局部穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果為32.5，未超過容許值45，可最終確定翼板和腹板的局部穩(wěn)定性均滿足要求[2-4]。

式中：b、t——板件的寬度和厚度；

2.4 剛度驗(yàn)算

壓桿除同受拉構(gòu)件一樣，會(huì)因一些意外的外力作用而發(fā)生彎曲變形，如由于自重而發(fā)生擾曲、在荷載作用下發(fā)生震顫、在運(yùn)輸及安裝過程中發(fā)生彎曲。除必須有足夠的剛度以外，對壓桿來說，彎曲變形的影響遠(yuǎn)較拉桿的影響力大。由于彎曲變形，會(huì)使壓桿的臨界力減小，使構(gòu)件過早的失去穩(wěn)定性，因此面對壓桿的剛度要求應(yīng)較拉桿更高些，壓桿的長細(xì)比應(yīng)不超過容許最大長細(xì)比。通過計(jì)算分析可確定工程中的最大長細(xì)比為55，小于假定的容許最大長細(xì)比100，所以剛度滿足要求。

3 結(jié)語

該工程設(shè)計(jì)的一鋼桁架的上弦桿，采用H型截面。根據(jù)規(guī)范[3]，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，通過對截面設(shè)計(jì)分析，結(jié)果表明，初選截面尺寸、整體穩(wěn)定性驗(yàn)算、局部穩(wěn)定性驗(yàn)算以及剛度驗(yàn)算，均滿足要求。

［1］黃平明.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社，2006.

［2］JTJ 025—86，公路橋涵及鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，1986.

［3］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

［4］葉見署.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社，2005.

［5］黃平明，毛瑞祥.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社，1999.

［6］朱聘儒.鋼—混凝土組合梁設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1992.

TU392.1

A

1673-1093（2015）03-0079-02

薛寶恒（1983），男，講師，從事建筑工程與基礎(chǔ)工程專業(yè)的教學(xué)與研究工作。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.03.019

2014-12-29；

2015-01-11