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轻钢结构螺栓端板连接的实用设计方法

标签:钢结构,结构,螺栓,连接,接的,实用,设计,方法 发布时间:2018年07月12日 点击69

1 概述 
螺栓端板连接是钢结构中常用的连接体例,尤其在轻钢结构门式刚架中被普遍采用。它是在构件端部截面上焊接一端板, 并以螺栓与另一构件的端板或翼缘相连的一种情势, 见图1 。

 
图1 端板连接情势 

这种连接通常分为两种: ①端板平齐式为螺栓设在两翼缘之间, 见图1 (a) ; ②端板外伸式为端板伸出梁受拉翼缘, 高强螺栓集中在翼缘四周, 见图1 (b) 。门式刚架在施工现场连接时,根据受力及构造设计要求, 可采用端板竖放、端板横放或端板斜放的体例, 见图2 。 

图2 刚架梁与柱的连接情势

端板连接是一种抗弯连接, 其被破坏情势有螺栓被拉断或端板屈服变形过大, 或端板与构件间焊缝开裂等。这种连接受力复杂, 正确计算十分困难, 通常采用简化方法进行受力分析。目前常用的方法有: ①按平面端板刚性分析(但需较厚的端板) ; ②按平面端板塑性分析(计算简单,但极限变形较大) 。我国的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102∶98) [1 ]中, 采用的是按平面端板塑性分析和将屈服控制在端板边缘的设计方法, 既简化了计算, 又限定了变形。 
2 连接螺栓的受力计算 
螺栓端板连接在弯矩M 和轴力N 作用下,螺栓受力分析的常用方法有: 
(1) 端板刚性分析。把端板视为无弯曲变形的刚性体, 在M、N 的作用下, 螺栓群受力按三角形分布, 行使静力平衡确定螺栓受力。这种方法简单, 偶然虽不够正确, 但在一样平常的设计手册[2 ]中常用。 
(2) 端板弹塑性分析。把端板视为弹塑性体, 在M、N 的作用下, 进行螺栓的受力分析,此方法也可用于结构考虑节点变形的受力分析。 
(3) 端板塑性分析。端板在M、N 的作用下, 各部位的螺栓拉力均达到端板屈服状况时的极限值Nut , 它从距压力分布中间最远的螺栓排开始, 每排螺栓的拉力自力发展至Nut , 多余的力重新分配到下一排螺栓, 对外伸式端板来说,第二排螺栓受到的拉力最大。国内曾对此类连接板做有限元分析[3 ] , 分析效果注解, 无论是外伸式或平齐式端板连接, 承受最大拉力的都是受拉翼缘内侧的第一排螺栓。外伸式端板连接受拉翼缘内侧的拉力显明大于外侧螺栓的拉力, 而且这种螺栓的拉力分布状况在肯定范围内不受板厚的影响。 
为便于计算, 设计时螺栓反力可采用下述方法: 
(1) 对端板平齐式连接的螺栓拉力, 可采用三角形分布假定, 见图3 (a) 。螺栓最大拉力F1在M 作用下可按下式计算: 
 
(2) 对端板外伸式连接的螺栓拉力, 认为受拉翼缘两侧的两排螺栓受雷同的拉力, 见图3(b) , 按弹性方法计算螺栓拉力。螺栓最大拉力F在M 作用下可按下式计算: 
 
式中, F为螺栓最大拉力; yi 为各受拉螺栓与中和轴的距离。 
对于连接板所受的剪力一样平常考虑由端板上的各螺栓平均承受。

 
图3 螺栓拉力 

3 端板厚度计算 
平面端板塑性分析是按螺栓拉力作用下端板屈服的极限平衡原理进行计算的, 端板的屈服线分布与端板的支承边界和螺栓布置有关, 工字型截面构件的螺栓端板连接中, 可将端板划分为四类支承条件, 见图4 。 
Ⅰ.悬臂类板段; 
Ⅱ.无加劲肋板段; 
Ⅲ.两邻边支承的板段; 
Ⅳ.三边支承的板段。

 
图4 端板的支承条件 

各类板段的屈服线分布可分别取图5 ( a)~5 (d) , 对端板平齐式连接, 其平齐边可视为简支边, 其屈服线分布可取图5 (e) [4 ] 。各类板段上单个螺栓的极限拉力Nut均可由其屈服线按极限平衡原理, 用静力法求得[4 ] 

 
图5 各类端板板段的屈服线 

 
式中, Nut为端板屈服时螺栓极限拉力; tep 为端板厚度; bep为端板宽度; bs 为加劲肋的宽度; ef为螺栓孔中间至构件翼缘(或加劲肋) 的距离;e为螺栓孔中间至腹板的距离; f y 为端板钢材的屈服强度。 
端板厚度可按式(3) ~ (6) 解算求得, 但设计时, 应考虑限定其塑性发展及安全度。根据Nut的计算及端板边缘应力的控制原则, 及考虑与我国钢结构规范[5 ]可靠度计算方法同等, 可把式(3) ~ (6) 等号右边各项分别除以1.5 的系数, 把Nut 、f y 改为螺栓拉力和钢材抗拉强度设计值, 即可得到各类板段设计厚度的计算表达 
式。 
 
式中, Nti为第i 类端板段上单个螺栓的拉力设计值; f 为端板钢材的抗拉强度设计值。