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《钢结构设计标准》

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共 490 条公开条文 · 本页 50 条

12.2.5

垂直于杆件轴向设置的连接板或梁的翼缘采用焊接方式与工字形、H形或其他截面的未设水平加劲肋的杆件翼缘相连,形成T形接合时,其母材和焊缝均应根据有效宽度进行强度计算。

 1 工字形或H形截面杆件的有效宽度应按下列公式计算[图12.2.5(a)]:

         

式中:be——T形接合的有效宽度(mm);

    fyc——被连接杆件翼缘的钢材屈服强度(N/mm2);

    fyp——连接板的钢材屈服强度(N/mm2);

    tw——被连接杆件的腹板厚度(mm);

    tf——被连接杆件的翼缘厚度(mm);

    tp——连接板厚度(mm);

    s——对于被连接杆件,轧制工字形或H形截面杆件取为圆角半径r;焊接工字形或H形截面杆件取为焊脚尺寸hf(mm)。

                                                                 

                                                                                             图12.2.5 未加劲T形连接节点的有效宽度

式中:fup——连接板的极限强度(N/mm2);

    bp——连接板宽度(mm)。

 4 当节点板不满足式(12.2.5-4)要求时,被连接杆件的翼缘应设置加劲肋。

 5 连接板与翼缘的焊缝应按能传递连接板的抗力bptpfyp(假定为均布应力)进行设计。

条文说明

12.2.5 本条为新增条文。根据试验研究,在节点板板件(或梁翼缘)拉力作用下,柱翼缘有如两块受线荷载作用的三边嵌固板ABCD、A′B′?C′D′(见图18),拉力在柱翼缘板的影响长度为p≈12tc,每块板所能承受的拉力可近似取为3.5fyct2fc,两嵌固边之间CC′范围的受拉板(或梁翼缘)屈服,因此板件(或梁翼缘)传来拉力平衡式为:

图18 柱翼缘受力示意
1-荷载;T-拉力;P-影响长度

式(58)即是欧洲钢结构设计规范EC3:Design of steel structuresEurocode-3(BS EN1993-1-8:2005)中采用的板件或工字形、H形截面梁的翼缘与工字形、H形截面的未设水平加劲肋的柱相连,形成T形接合时,板件或梁的翼缘的有效宽度计算公式。考虑到柱翼缘中间和两侧部分刚度不同,难以充分发挥共同作用,翼缘承担的部分应有所折减,为安全起见,同时与本标准第12.3.4条翼缘受拉情况公式建立条件(考虑了0.8折减系数)协调,系数7改为5,这样与按有限元模拟加载试验所得结果较为接近。

12.2.6-12.2.7

12.2.6 杆件与节点板的连接焊缝(图12.2.6)宜采用两面侧焊,也可以三面围焊,所有围焊的转角处必须连续施焊;弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间隙不应小于20mm,相邻角焊缝焊趾间净距不应小于5mm。

                                               

                                                                                图12.2.6 杆件与节点板的焊缝连接


12.2.7 节点板厚度宜根据所连接杆件内力的计算确定,但不得小于6mm。节点板的平面尺寸应考虑制作和装配的误差。

条文说明

12.2.6 本条沿用原规范第8.4.6条、第8.2.11条,取消了角钢的L形围焊。在桁架节点处各相互杆件连接焊缝之间宜留有一定的净距,以利施焊且改善焊缝附近钢材的抗脆断性能。本条根据我国的实践经验对节点处相邻焊缝之间的最小净距作出了具体规定。管结构相贯连接节点处的焊缝连接另有较详细的规定(见本标准第13.2节),故不受此限制。
围焊中有端焊缝和侧焊缝,端焊缝的刚度较大,弹性模量E≈1.5×106;而侧焊缝的刚度较小,E≈(0.7~1)×106,所以在弹性工作阶段,端焊缝的实际负担要高于侧焊缝;但围焊试验中,在静力荷载作用下,届临塑性阶段时,应力渐趋于平均,其破坏强度与仅有侧焊缝时差不多,但其破坏较为突然且塑性变形较小。此外,从国内外几个单位所做的动力试验证明,就焊缝本身来说围焊比侧焊的疲劳强度高,国内某些单位曾在桁架的加固中使用了围焊,效果亦较好。但从“焊接桁架式钢吊车梁下弦及腹杆的疲劳性能”的研究报告中,认为当腹杆端部采用围焊时,对桁架节点板受力不利,节点板有开裂现象,故建议在直接承受动力荷载的桁架腹杆中,节点板应适当加大或加厚。鉴于上述情况,本标准规定:宜采用两面侧焊,也可用三面围焊。
围焊的转角处是连接的重要部位,如在此处熄火或起落弧会加剧应力集中的影响,故规定在转角处必须连续施焊。

12.3 梁柱连接节点

12.3.1 -12.3.2

12.3.1 梁柱连接节点可采用栓焊混合连接、螺栓连接、焊接连接、端板连接、顶底角钢连接等构造。

12.3.2 梁柱采用刚性或半刚性节点时,节点应进行在弯矩和剪力作用下的强度验算。

条文说明

12.3.1、12.3.2 这两条为新增条文。

12.3.3

当梁柱采用刚性连接,对应于梁翼缘的柱腹板部位设置横向加劲肋时,节点域应符合下列规定:

 1 当横向加劲肋厚度不小于梁的翼缘板厚度时,节点域的受剪正则化宽厚比λn,s不应大于0.8;对单层和低层轻型建筑,λn,s不得大于1.2。节点域的受剪正则化宽厚比λn,s应按下式计算:

式中:Mb1、Mb2——分别为节点域两侧梁端弯矩设计值(N·mm);

    Vp——节点域的体积(mm3);

    hc1——柱翼缘中心线之间的宽度和梁腹板高度(mm);

    hb1——梁翼缘中心线之间的高度(mm);

    tw——柱腹板节点域的厚度(mm);

    dc——钢管直径线上管壁中心线之间的距离(mm);

    tc——节点域钢管壁厚(mm);

    fps——节点域的抗剪强度(N/mm2)。

 3 节点域的受剪承载力fps应据节点域受剪正则化宽厚比λn,s按下列规定取值:

4 当节点域厚度不满足式(12.3.3-3)的要求时,对H形截面柱节点域可采用下列补强措施:

   1)加厚节点域的柱腹板,腹板加厚的范围应伸出梁的上下翼缘外不小于150mm;

   2)节点域处焊贴补强板加强,补强板与柱加劲肋和翼缘可采用角焊缝连接,与柱腹板采用塞焊连成整体,塞焊点之间的距离不应大于较薄焊件厚度的21εk倍。

   3)设置节点域斜向加劲肋加强。

条文说明

12.3.3 原规范以及现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011的节点域计算公式,系参考日本AIJ-ASD的规定给出。AIJ-ASD的节点域承载力验算公式,采用节点域受剪承载力提高到4/3倍的方式,以考虑略去柱剪力(一般的框架结构中,略去柱端剪力项,会导致节点域弯矩增加约1.1倍~1.2倍)、节点域弹性变形占结构整体的份额小、节点域屈服后的承载力有所提高等有利因素。鉴于节点域承载力的这种简化验算已施行了10多年,工程师已很习惯,故条文未改变其形式,只是根据最新资料和具体情况作一些修正。
节点域的受剪承载力与其宽厚比紧密相关。AIJ《钢结构接合部设计指针》介绍了受剪承载力提高系数取4/3的定量评估。定量评估均基于试验结果,并给出了试验的范围。据核算,试验范围的节点域受剪正则化宽厚比λn,s上限为0.52。鉴于本标准中λn,s=0.8是腹板塑性和弹塑性屈曲的拐点,此时节点域受剪承载力已不适宜提高到4/3倍。为方便设计应用,本次修订把节点域受剪承载力提高到4/3倍的上限宽厚比确定为λn,s=0.6;而在0.6<λn,s≤0.8的过渡段,节点域受剪承载力按λn,s在fv和4/3fv之间插值计算。
参考日本AIJ-LSD,轴力对节点域抗剪承载力的影响在轴压比较小时可略去,而轴压比大于0.4时,则按屈服条件进行修正。
0.8<λn,s≤1.2仅用于门式刚架轻型房屋等采用薄柔截面的单层和低层结构。条文中的承载力验算式的适用范围为0.8<λn,s≤1.4,但考虑到节点域腹板不宜过薄,故节点域λn,s的上限取为1.2。同时,由于一般情况下这类结构的柱轴力较小,其对节点域受剪承载力的影响可略去。如轴力较大,则可按板件局部稳定承载力相关公式采用 (σcr为受压临界应力)系数对节点域受剪承载力进行修正。但这种修正比较复杂,宜采用在节点域设置斜向加劲肋加强的措施。

12.3.4

梁柱刚性节点中当工字形梁翼缘采用焊透的T形对接焊缝与H形柱的翼缘焊接,同时对应的柱腹板未设置水平加劲肋时,柱翼缘和腹板厚度应符合下列规定:

式中:Afb——梁受压翼缘的截面积(mm2);

    fb、fc——分别为梁和柱钢材抗拉、抗压强度设计值(N/mm2);

    be——在垂直于柱翼缘的集中压力作用下,柱腹板计算高度边缘处压应力的假定分布长度(mm);

    hy——自柱顶面至腹板计算高度上边缘的距离,对轧制型钢截面取柱翼缘边缘至内弧起点间的距离,对焊接截面取柱翼缘厚度(mm);

    tf——梁受压翼缘厚度(mm);

    hc——柱腹板的宽度(mm);

    εk,c——柱的钢号修正系数;

    Aft——梁受拉翼缘的截面积(mm2)。

条文说明

12.3.4 梁与柱刚性连接时,如不设置柱腹板的横向加劲肋,对柱腹板和翼缘厚度的要求是:
1 在梁受压翼缘处,柱腹板的厚度应满足强度和局部稳定的要求。公式(12.3.4-1)是根据梁受压翼缘与柱腹板在有效宽度be范围内等强的条件来计算柱腹板所需的厚度。计算时忽略了柱腹板轴向(竖向)内力的影响,因为在主框架节点内,框架梁的支座反力主要通过柱翼缘传递,而连于柱腹板上的纵向梁的支座反力主要通过柱翼缘传递,而连于柱腹板上的纵向梁的支座反力一般较小,可忽略不计。日本和美国均不考虑柱腹板竖向应力的影响。
公式(12.3.4-2)是根据柱腹板在梁受压翼缘集中力作用下的局部稳定条件,偏安全地采用的柱腹板宽厚比的限值。
2 柱翼缘板按强度计算所需的厚度tc可用本标准公式(12.3.4-4)表示,此式源于AISC,其他各国亦沿用之。现简要推演如下(图19):

图19 柱翼缘在拉力下的受力情况
1-线荷载T;T-拉力;P-影响长度
在梁受拉翼缘处,柱翼缘板受到梁翼缘传来的拉力T=Aftfb(Aft为梁受拉翼缘截面积,fb为梁钢材抗拉强度设计值)。T由柱翼缘板的三个组成部分承担,中间部分(分布长度为m)直接传给柱腹板的力为fctbm,其余各由两侧ABCD部分的板件承担。根据试验研究,拉力在柱翼缘板上的影响长度p≈12tc,并可将此受力部分视为三边固定一边自由的板件,在固定边将因受弯而形成塑性铰。因此可用屈服线理论导出此板的承载力设计值为p=C1fct2c,式中C1为系数,与几何尺寸p、h、q等有关。对实际工程中常用的宽翼缘梁和柱,C1=3.5~5.0,可偏安全地取p=3.5fct2c。这样,柱翼缘板受拉时的总承载力为:2×3.5fct2c+fctbm。考虑到翼板中间和两侧部分的抗拉刚度不同,难以充分发挥共同工作,可乘以0.8的折减系数后再与拉力T相平衡:

12.3.5

采用焊接连接或栓焊混合连接(梁翼缘与柱焊接,腹板与柱高强度螺栓连接)的梁柱刚接节点,其构造应符合下列规定:

 1 H形钢柱腹板对应于梁翼缘部位宜设置横向加劲肋,箱形(钢管)柱对应于梁翼缘的位置宜设置水平隔板。

 2 梁柱节点宜采用柱贯通构造,当柱采用冷成型管截面或壁板厚度小于翼缘厚度较多时,梁柱节点宜采用隔板贯通式构造。

 3 节点采用隔板贯通式构造时,柱与贯通式隔板应采用全熔透坡口焊缝连接。贯通式隔板挑出长度l宜满足25mm≤l≤60mm;隔板宜采用拘束度较小的焊接构造与工艺,其厚度不应小于梁翼缘厚度和柱壁板的厚度。当隔板厚度不小于36mm时,宜选用厚度方向钢板。

 4 梁柱节点区柱腹板加劲肋或隔板应符合下列规定:

   1)横向加劲肋的截面尺寸应经计算确定,其厚度不宜小于梁翼缘厚度;其宽度应符合传力、构造和板件宽厚比限值的要求;

   2)横向加劲肋的上表面宜与梁翼缘的上表面对齐,并以焊透的T形对接焊缝与柱翼缘连接,当梁与H形截面柱弱轴方向连接,即与腹板垂直相连形成刚接时,横向加劲肋与柱腹板的连接宜采用焊透对接焊缝;

   3)箱形柱中的横向隔板与柱翼缘的连接宜采用焊透的T形对接焊缝,对无法进行电弧焊的焊缝且柱壁板厚度不小于16mm的可采用熔化嘴电渣;

   4)当采用斜向加劲肋加强节点域时,加劲肋及其连接应能传递柱腹板所能承担剪力之外的剪力;其截面尺寸应符合传力和板件宽厚比限值的要求。

12.3.6 -12.3.7

12.3.6 端板连接的梁柱刚接节点应符合下列规定:

 1 端板宜采用外伸式端板。端板的厚度不宜小于螺栓直径;

 2 节点中端板厚度与螺栓直径应由计算决定,计算时宜计入撬力的影响;

 3 节点区柱腹板对应于梁翼缘部位应设置横向加劲肋,其与柱翼缘围隔成的节点域应按本标准第12.3.3条进行抗剪强度的验算,强度不足时宜设斜加劲肋加强。


12.3.7 采用端板连接的节点,应符合下列规定:

 1 连接应采用高强度螺栓,螺栓间距应满足本标准表11.5.2的规定;

 2 螺栓应成对称布置,并应满足拧紧螺栓的施工要求。


条文说明

12.3.6 本条为新增条文,由于端板连接施工方便、做法简单、施工速度较快、受弯承载力和刚度大,在实际工程中应用较多,故此在本次修订中增加了对端板连接的梁柱刚性节点的规定。


12.3.7 本条为新增条文,具体规定了端板连接节点的连接方式,并规定了对高强螺栓设计与施工方面的要求。

12.4 铸钢节点

12.4.1 -12.4.2

12.4.1 铸钢节点应满足结构受力、铸造工艺、连接构造与施工安装的要求,适用于几何形式复杂、杆件汇交密集、受力集中的部位。铸钢节点与相邻构件可采取焊接、螺纹或销轴等连接方式。

12.4.2 铸钢节点应满足承载力极限状态的要求,节点应力应符合下式要求:

     

式中:σ1、σ2、σ3——计算点处在相邻构件荷载设计值作用下的第一、第二、第三主应力;

    βf——强度增大系数。当各主应力均为压应力时,βf=1.2;当各主应力均为拉应力时,βf=1.0,且最大主应力应满足σ1≤1.1f;其他情况时,βf=1.1。


条文说明

12.4.1 本条为新增条文,铸钢节点主要适用于特殊部位、复杂部位、重点部位,其节点形式多种多样。


12.4.2 本条为新增条文,根据铸钢材料的特点,可以采用第四强度理论进行节点极限承载力计算。

12.4.3-12.4.4

12.4.3 铸钢节点可采用有限元法确定其受力状态,并可根据实际情况对其承载力进行试验验证。


12.4.4焊接结构用铸钢节点材料的碳当量及硫、磷含量应符合现行国家标准《焊接结构用铸钢件》GB/T 7659的规定。

条文说明

12.4.3 本条为新增条文,铸钢节点的有限元分析应采用实体单元,径厚比不小于10的部位可采用板壳单元。作用于节点的外荷载和约束力的平衡条件应与设计内力保持一致,并应根据节点的具体情况确定与实际相似的边界条件。
铸钢节点属于下列情况之一时,宜进行节点试验:设计或建设方认为对结构安全至关重要的节点;8度、9度抗震设防时,对结构安全有重要影响的节点;铸钢件与其他构件采用复杂连接方式的节点。铸钢节点试验可根据需要进行验证性试验或破坏性试验。试件应采用与实际铸钢节点相同的加工制作参数。验证性试验的荷载值不应小于荷载设计值的1.3倍,根据破坏性试验确定的荷载设计值不应大于试验值的1/2。


12.4.4 本条为新增条文,非焊接结构用铸钢节点的材料应符合现行国家标准《一般工程用铸造碳钢件》GB/T 11352的要求,焊接结构用铸钢节点的材料应具有良好的可焊性,符合现行国家标准《焊接结构用铸钢件》GB/T 7659的要求。铸钢节点与构件母材焊接时,在碳当量基本相同的情况下,可按与构件母材相同技术要求选用相应的焊条、焊丝与焊剂,并应进行焊接工艺评定。

12.4.5-12.4.6

12.4.5 铸钢节点应根据铸件轮廓尺寸、夹角大小与铸造工艺确定最小壁厚、内圆角半径与外圆角半径。铸钢件壁厚不宜大于150mm,应避免壁厚急剧变化,壁厚变化斜率不宜大于1/5。内部肋板厚度不宜大于外侧壁厚。

12.4.6 铸造工艺应保证铸钢节点内部组织致密、均匀,铸钢件宜进行正火或调质热处理,设计文件应注明铸钢件毛皮尺寸的容许偏差。

条文说明

12.4.5 根据铸造工艺的特点,提出对铸钢节点外形、壁厚等几何尺寸方面的要求。


12.4.6 提出对铸钢节点铸造质量、热处理工艺与容许误差等方面的要求。

12.5 预应力索节点

12.5.1 -12.5.3

12.5.1 预应力高强拉索的张拉节点应保证节点张拉区有足够的施工空间,便于施工操作,且锚固可靠。预应力索张拉节点与主体结构的连接应考虑超张拉和使用荷载阶段拉索的实际受力大小,确保连接安全。


12.5.2 预应力索锚固节点应采用传力可靠、预应力损失低且施工便利的锚具,应保证锚固区的局部承压强度和刚度。应对锚固节点区域的主要受力杆件、板域进行应力分析和连接计算。节点区应避免焊缝重叠、开孔等。


12.5.3 预应力索转折节点应设置滑槽或孔道,滑槽或孔道内可涂润滑剂或加衬垫,或采用摩擦系数低的材料;应验算转折节点处的局部承压强度,并采取加强措施。

条文说明

本节所有条文均为新增条文,包括了预应力索张拉节点、锚固节点与转折节点三种节点形式,分别对其计算分析要点、构造要求以及施工性能做出了相关规定。12.5.3 本条规定主要针对钢结构中允许预应力索滑动时的情况,不适用于大跨度空间结构环向索与径向索不允许滑动的索夹节点等情况。

12.6 支 座

12.6.1

梁或桁架支于砌体或混凝土上的平板支座,应验算下部砌体或混凝土的承压强度,底板厚度应根据支座反力对底板产生的弯矩进行计算,且不宜小于12mm。

 梁的端部支承加劲肋的下端,按端面承压强度设计值进行计算时,应刨平顶紧,其中突缘加劲板的伸出长度不得大于其厚度的2倍,并宜采取限位措施(图12.6.1)。

                                                                   

图12.6.1 梁的支座

1-刨平顶紧;t-端板厚度

条文说明

12.6.1 对工程中最常用的平板支座的设计作出了具体规定。
从钢材小试件的受压试验中看到,当高厚比不大于2时,一般不会产生明显的弯扭现象,应力超过屈服点时,试件虽明显缩短,但压力尚能继续增加。所以突缘支座的伸出长度不大于2倍端加劲肋厚度时,可用端面承压的强度设计值fcc进行计算。否则,应将伸出部分作为轴心受压构件来验算其强度和稳定性。

12.6.2

弧形支座(图12.6.2a)和辊轴支座(图12.6.2b)的支座反力R应满足下式要求:

           

式中:d——弧形表面接触点曲率半径r的2倍;

    n——辊轴数目,对弧形支座n=1;

    l——弧形表面或滚轴与平板的接触长度(mm)。

                                                 

                                                                      图12.6.2 弧形支座与辊轴支座示意图

条文说明

12.6.2 本条沿用原规范第7.6.2条,弧形支座在目前应用比较多,辊轴支座目前仍有应用。

12.6.3

铰轴支座节点(图12.6.3)中,当两相同半径的圆柱形弧面自由接触面的中心角θ≥90°时,其圆柱形枢轴的承压应力应按下式计算:

式中:d——枢轴直径(mm);

    l——枢轴纵向接触面长度(mm)。

                                                                                     

                                                                                               图12.6.3 铰轴式支座示意图

条文说明

12.6.3 本条沿用原规范第7.6.3条。

12.6.4

板式橡胶支座设计应符合下列规定:

 1 板式橡胶支座的底面面积可根据承压条件确定;

 2 橡胶层总厚度应根据橡胶剪切变形条件确定;

 3 在水平力作用下,板式橡胶支座应满足稳定性和抗滑移要求;

 4 支座锚栓按构造设置时数量宜为2个~4个,直径不宜小于20mm;对于受拉锚栓,其直径及数量应按计算确定,并应设置双螺母防止松动;

 5 板式橡胶支座应采取防老化措施,并应考虑长期使用后因橡胶老化进行更换的可能性;

 6 板式橡胶支座宜采取限位措施。

条文说明

12.6.4 本条在沿用原规范第7.6.5条的基础上增加了相关具体规定。橡胶支座有板式和盆式两种,板式承载力小,盆式承载力大,构造简单,安装方便。盆式橡胶支座除压力外还可承受剪力,但不能承受较大拔力,不能防震,容许位移值可达150mm。但橡胶易老化,各项指标不易确定且随时间改变。

12.6.5

受力复杂或大跨度结构宜采用球形支座。球形支座应根据使用条件采用固定、单向滑动或双向滑动等形式。球形支座上盖板、球芯、底座和箱体均应采用铸钢加工制作,滑动面应采取相应的润滑措施、支座整体应采取防尘及防锈措施。

条文说明

12.6.5 本条为原规范第7.6.4条的修改和补充。万向球形钢支座和新型双曲型钢支座可分为固定支座和可移动支座,其计算方法按计算机程序进行。在地震区则可采用相应的抗震、减震支座,其减震效果可由计算得出,最多能降低地震力10倍以上。

这种支座可承受压力、拔力和各向剪力,其抗拔力可达20000kN。

12.7 柱 脚

Ⅰ 一般规定

12.7.1 多高层结构框架柱的柱脚可采用埋入式柱脚、插入式柱脚及外包式柱脚,多层结构框架柱尚可采用外露式柱脚,单层厂房刚接柱脚可采用插入式柱脚、外露式柱脚,铰接柱脚宜采用外露式柱脚。


12.7.2 外包式、埋入式及插入式柱脚,钢柱与混凝土接触的范围内不得涂刷油漆;柱脚安装时,应将钢柱表面的泥土、油污、铁锈和焊渣等用砂轮清刷干净。


12.7.3 轴心受压柱或压弯柱的端部为铣平端时,柱身的最大压力应直接由铣平端传递,其连接焊缝或螺栓应按最大压力的15%与最大剪力中的较大值进行抗剪计算;当压弯柱出现受拉区时,该区的连接尚应按最大拉力计算。

条文说明

12.7.1 刚接柱脚按柱脚位置分为外露式、外包式、埋入式和插入式四种。四种柱脚的适用范围主要与现行行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99的有关规定相协调,同时参考了国内相关试验研究以及多年来的工程实践总结。

Ⅱ 外露式柱脚

12.7.4 柱脚锚栓不宜用以承受柱脚底部的水平反力,此水平反力由底板与混凝土基础间的摩擦力(摩擦系数可取0.4)或设置抗剪键承受。

12.7.5 柱脚底板尺寸和厚度应根据柱端弯矩、轴心力、底板的支承条件和底板下混凝土的反力以及柱脚构造确定。外露式柱脚的锚栓应考虑使用环境由计算确定。

12.7.6 柱脚锚栓应有足够的埋置深度,当埋置深度受限或锚栓在混凝土中的锚固较长时,则可设置锚板或锚梁。

条文说明

12.7.4 按我国习惯,柱脚锚栓不考虑承受剪力,特别是有靴梁的锚栓更不能承受剪力。但对于没有靴梁的锚栓,国外有两种意见,一种认为可以承受剪力,另一种则不考虑(见G.BALLIO,F.M.MAZZOLANI著《钢结构理论与设计》,冶金部建筑研究总院译,1985年12月)。另外,在我国亦有资料建议,在抗震设计中可用半经验半理论的方法适当考虑外露式钢柱脚(不管有无靴梁)受压侧锚栓的抗剪作用,因此条文中采用“不宜”。至于摩擦系数的取值,现在国内外已普遍采用0.4,故列入。


12.7.5 柱脚锚栓的工作环境变化较大,露天和室内工作的腐蚀情况不尽相同,对于容易锈蚀的环境,锚栓应按计算面积为基准预留适当腐蚀量。


12.7.6 本条主要是根据工程实践经验总结,对外露式柱脚的设计和构造做出了具体的规定。

非受力锚栓宜采用Q235B钢制成,锚栓在混凝土基础中的锚固长度不宜小于直径的20倍。当锚栓直径大于40mm时,锚栓端部宜焊锚板,其锚固长度不宜小于直径的12倍。

Ⅲ 外包式柱脚

12.7.7 外包式柱脚(图12.7.7)的计算与构造应符合下列规定:

 1 外包式柱脚底板应位于基础梁或筏板的混凝土保护层内;外包混凝土厚度,对H形截面柱不宜小于160mm,对矩形管或圆管柱不宜小于180mm,同时不宜小于钢柱截面高度的30%;混凝土强度等级不宜低于C30;柱脚混凝土外包高度,H形截面柱不宜小于柱截面高度的2倍,矩形管柱或圆管柱宜为矩形管截面长边尺寸或圆管直径的2.5倍;当没有地下室时,外包宽度和高度宜增大20%;当仅有一层地下室时,外包宽度宜增大10%;

                                                                                                                                         

图12.7.7 外包式柱脚

1-钢柱;2-水平加劲肋;3-柱底板;4-栓钉(可选);5-锚栓;

6-外包混凝土;7-基础梁;Lr-外包混凝土顶部箍筋至柱底板的距离

2 柱脚底板尺寸和厚度应按结构安装阶段荷载作用下轴心力、底板的支承条件计算确定,其厚度不宜小于16mm;

 3 柱脚锚栓应按构造要求设置,直径不宜小于16mm,锚固长度不宜小于其直径的20倍;

 4 柱在外包混凝土的顶部箍筋处应设置水平加劲肋或横隔板,其宽厚比应符合本标准第6.4节的相关规定;

 5 当框架柱为圆管或矩形管时,应在管内浇灌混凝土,强度等级不应小于基础混凝土。浇灌高度应高于外包混凝土,且不宜小于圆管直径或矩形管的长边;

 6 外包钢筋混凝土的受弯和受剪承载力验算及受拉钢筋和箍筋的构造要求应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的有关规定,主筋伸入基础内的长度不应小于25倍直径,四角主筋两端应加弯钩,下弯长度不应小于150mm,下弯段宜与钢柱焊接,顶部箍筋应加强加密,并不应小于3根直径12mm的HRB335级热轧钢筋。

条文说明

12.7.7 外包式柱脚属于钢和混凝土组合结构,内力传递复杂,影响因素多,目前还存在一些未充分明晰的内容。因此,诸如各部分的形状、尺寸以及补强方法等构造要求较多。
混凝土外包式柱脚的钢柱弯矩(图20),大致上外包柱脚顶部钢筋位置处最大,底板处约为零。在此弯矩分布假定下所对应的承载机构如图21所示。也即在外包混凝土刚度较大且充分配置顶部钢筋的条件下,主要假定外包柱脚顶部开始从钢柱向混凝土传递内力。
外包式柱脚典型的破坏模式(图22)有:钢柱的压力导致顶部混凝土压坏;外包混凝土剪力引起的斜裂缝;主筋在外包混凝土锚固区破坏;主筋弯曲屈服。

其中,前三种破坏模式会导致承载力急剧下降,变形能力较差。因此外包混凝土顶部应配置足够的抗剪补强钢筋,通常集中配置3道构造箍筋,以防止顶部混凝土被压碎和保证水平剪力传递。外包式柱脚箍筋按100mm的间距配置,以避免出现受剪斜裂缝,并应保证钢筋的锚固长度和混凝土的外包厚度。
随外包柱脚加高,外包混凝土上作用的剪力相应变小,但主筋锚固力变大,可有效提高破坏承载力。外包混凝土高度通常取柱宽的2.5倍及以上。
综上所述,钢柱向外包混凝土传递内力在顶部钢筋处实现,因此外包混凝土部分按钢筋混凝土悬臂梁设计(图23)即可。

图23 外包式柱脚的计算概念图
外包混凝土尺寸较大时,放大柱脚底板宽度,柱外侧配置锚栓,可按这些锚栓承担一定程度的弯矩来设计外包式柱脚,其传力机构如图24所示,此时底板下部轴力和弯矩可分开处理。简言之,轴力由底板直接传递至基础,对于弯矩,受拉侧纵向钢筋和锚栓看作受拉钢筋,用柱脚内力中减去锚栓传递部分的弯矩。

        图24 外包式柱脚地脚螺栓的计算方法
柱脚受拉时,当在弯矩较小的钢柱中性轴附近追加设置锚栓时,较为简便的设计方法是由锚栓承担拉力。
外包式柱脚的柱底钢板可根据计算确定,但其厚度不宜小于16mm;锚栓直径规格不宜小于M16,且应有足够的锚固深度。

Ⅳ 埋入式柱脚

12.7.8 埋入式柱脚应符合下列规定:

 1 柱埋入部分四周设置的主筋、箍筋应根据柱脚底部弯矩和剪力按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010计算确定,并应符合相关的构造要求。柱翼缘或管柱外边缘混凝土保护层厚度(图12.7.8)、边列柱的翼缘或管柱外边缘至基础梁端部的距离不应小于400mm,中间柱翼缘或管柱外边缘至基础梁梁边相交线的距离不应小于250mm;基础梁梁边相交线的夹角应做成钝角,其坡度不应大于1:4的斜角;在基础护筏板的边部,应配置水平U形箍筋抵抗柱的水平冲切;

                                                                                                                                 

图12.7.8 柱翼缘或管柱外边缘混凝土保护层厚度

 2 柱脚端部及底板、锚栓、水平加劲肋或横隔板的构造要求应符合本标准第12.7.7条的有关规定;

 3 圆管柱和矩形管柱应在管内浇灌混凝土;

 4 对于有拔力的柱,宜在柱埋入混凝土部分设置栓钉。


12.7.9 埋入式柱脚埋入钢筋混凝土的深度d应符合下列公式的要求与本标准表12.7.10的规定:

式中:M、V——柱脚底部的弯矩(N·mm)和剪力设计值(N);

    d——柱脚埋深(mm);

    bf——柱翼缘宽度(mm);

    D——钢管外径(mm);

    fc——混凝土抗压强度设计值,应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的规定采用(N/mm2)。

条文说明

12.7.8 将钢柱直接埋入混凝土构件(如地下室墙、基础梁等)中的柱脚称为埋入式柱脚(图25);而将钢柱置于混凝土构件上又伸出钢筋,在钢柱四周外包一段钢筋混凝土者为外包式柱脚,亦称为非埋入式柱脚。这两种柱脚常用于多、高层钢结构建筑物。本条规定与现行行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ?99以及《钢骨混凝土结构设计规程》YB?9082中相类似的构造要求相协调。

                         

                                         图25 埋入式柱脚
1-加劲肋;2-栓钉;3-钢筋混凝土基础
研究表明,栓钉对于传递弯矩和剪力没有支配作用,但对于抗拉,由于栓钉受剪,能传递内力。因此对于有拔力的柱,规定了宜设栓钉的要求。


12.7.9 柱脚边缘混凝土的承压应力主要依据钢柱侧面混凝土受压区的支承反力形成的抗力与钢柱的弯距和剪力平衡,便可得出钢柱与基础的刚性连接的埋入深度以及柱脚边缘混凝土的承压应力小于或等于混凝土抗压强度设计值的计算式。

Ⅴ 插入式柱脚

12.7.10 插入式柱脚插入混凝土基础杯口的深度应符合表12.7.10的规定,实腹截面柱柱脚应根据本标准第12.7.9条的规定计算,双肢格构柱柱脚应根据下列公式计算:

                                       

式中:N——柱肢轴向拉力设计值(N);

    ft——杯口内二次浇灌层细石混凝土抗拉强度设计值(N/mm2);

    S——柱肢外轮廓线的周长,对圆管柱可按式(12.7.10-2)计算。

表12.7.10 钢柱插入杯口的最小深度

注:1 实腹H形柱或矩形管柱的hc为截面高度(长边尺寸),bc为柱截面宽度,D为圆管柱的外径;

   2 格构柱的hc为两肢垂直于虚轴方向最外边的距离,bc为沿虚轴方向的柱肢宽度;

   3 双肢格构柱柱脚插入混凝土基础杯口的最小深度不宜小于500mm,亦不宜小于吊装时柱长度的1/20。


12.7.11 插入式柱脚设计应符合下列规定:

 1 H形钢实腹柱宜设柱底板,钢管柱应设柱底板,柱底板应设排气孔或浇筑孔;

 2 实腹柱柱底至基础杯口底的距离不应小于50mm,当有柱底板时,其距离可采用150mm;

 3 实腹柱、双肢格构柱杯口基础底板应验算柱吊装时的局部受压和冲切承载力;

 4 宜采用便于施工时临时调整的技术措施;

 5 杯口基础的杯壁应根据柱底部内力设计值作用于基础顶面配置钢筋,杯壁厚度不应小于现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007的有关规定。

条文说明

12.7.10 当钢柱直接插入混凝土杯口基础内用二次浇灌层固定时,即为插入式柱脚(图26)。近年来,北京钢铁设计研究总院和重庆钢铁设计研究院等单位均对插入式钢柱脚进行过试验研究,并曾在多项单层工业厂房工程中使用,效果较好,并不影响安装调整。本条规定是参照北京钢铁设计研究总院土建三室于1991年6月编写的“钢柱杯口式柱脚设计规定”(土三结规2-91)提出来的,同时还参考了有关钢管混凝土结构设计规程,其中钢柱插入杯口的最小深度与我国电力行业标准《钢-混凝土组合结构设计规程》DL/T?5085-1999的插入深度比较接近,而国家建材局《钢管混凝土结构设计与施工规程》JC?J01-89中对插入深度的取值过大,故未予采用。另外,本条规定的数值大于预制混凝土柱插入杯口的深度,这是合适的。
对双肢柱的插入深度,北京钢铁设计研究总院原取为(1/3~1/2)hc。而混凝土双肢柱为(1/3~2/3)hc,并说明当柱安装采用缆绳固定时才用1/3hc。为安全计,本条将最小插入深度改为0.5hc。
在原规范第8.4.15条的基础上,增加了单层、多层、高层和单层厂房双肢格构柱插入基础深度的计算。插入式柱脚是指钢柱直接插入已浇筑好的杯口内,经校准后用细石混凝土浇灌至基础顶面,使钢柱与基础刚性连接。柱脚的作用是将钢柱下端的内力(轴力、弯矩、剪力)通过二次浇灌的细石混凝土传给基础,其作用力的传递机理与埋入式柱脚基本相同。钢柱下部的弯矩和剪力,主要是通过二次浇灌层细石混凝土对钢柱翼缘的侧向压力所产生的弯矩来平衡,轴向力由二次浇灌层的粘结力和柱底反力承受。钢柱侧面混凝土的支承反力形成的抵抗弯矩和承压高度范围内混凝土的抗力与钢柱的弯矩和剪力平衡,便可得出保证钢柱与基础刚性连接的插入深度。20世纪80年代~90年代国内对双肢格构柱插入式钢柱脚进行了试验研究,并已在单层工业厂房和多高层房屋工程得到使用,效果很好。这种柱脚构造简单、节约钢材、安全可靠。

                                             图26 插入式柱脚


12.7.11 柱脚构造及杯口基础的设计规定主要是工程设计实践经验的总结。

13钢管连接节点

13.1 一般规定


13.1.1 -13.1.3

13.1.1 本章规定适用于不直接承受动力荷载的钢管桁架、拱架、塔架等结构中的钢管间连接节点。


13.1.2 圆钢管的外径与壁厚之比不应超过100ε2k;方(矩)形管的最大外缘尺寸与壁厚之比不应超过40εk,εk为钢号修正系数。


13.1.3采用无加劲直接焊接节点的钢管材料应符合本标准第4.3.7条的规定。

条文说明

13.1.1 本章关于“钢管连接节点”的规定,适用于被连接构件中至少有一根为圆钢管或方管、矩形管,不包含椭圆钢管与其他异形钢管,也不含用四块钢板焊接而成的箱形截面构件。
钢管不仅用于桁架、拱架、塔架和网架、网壳等结构,也广泛用于框架结构,本标准关于框架结构中的钢管连接节点设计与构造由本标准第12章规定。
本章不涉及高周疲劳计算。疲劳计算相关问题由本标准第16章规定。


13.1.2 限制钢管的径厚比或宽厚比是为了防止钢管发生局部屈曲。本条规定的限值与国外第3类截面(边缘纤维达到屈服,但局部屈曲阻碍全塑性发展)比较接近。

13.1.4 -13.1.5

13.1.4 采用无加劲直接焊接节点的钢管桁架,当节点偏心不超过本标准式(13.2.1)限制时,在计算节点和受拉主管承载力时,可忽略因偏心引起的弯矩的影响,但受压主管应考虑按下式计算的偏心弯矩影响:

                               

式中:△N——节点两侧主管轴力之差值;

    e——偏心矩(图13.1.4)。

                                                                         

图13.1.4 K形和N形管节点的偏心和间隙

1-搭接管;2-被搭接管


13.1.5 无斜腹杆的空腹桁架采用无加劲钢管直接焊接节点时,应符合本标准附录H的规定。

条文说明

13.1.4 本条沿用原规范第10.1.5条的一部分。主管上因节间荷载产生的弯矩应在设计主管和节点时加以考虑。此时可将主管按连续杆件单元模型进行计算(图27)。

图27 无偏心的腹杆端铰接桁架内力计算模型
当节点偏心超过本标准第13.2.1条的规定时,应考虑偏心弯矩对节点强度和杆件承载力的影响,可按图28和图29所示模型进行计算。对分配有弯矩的每一个支管应按照节点在支管轴力和弯矩共同作用下的相关公式验算节点的强度,同时对分配有弯矩的主管和支管按偏心受力构件进行验算。


13.1.5 本条部分沿用原规范第10.1.4条,根据国外的经验(参见钢结构设计规范EC3:Design of steel structures Eurocode 3 1993),钢管结构满足本标准第5.1.5条第3款的规定时,可忽略节点刚性和偏心的影响,按铰接体系分析桁架杆件的内力,不满足时,T形节点的刚度判别参见本标准附录H的条文说明。

13.2 构造要求

13.2.1

钢管直接焊接节点的构造应符合下列规定:

 1 主管的外部尺寸不应小于支管的外部尺寸,主管的壁厚不应小于支管的壁厚,在支管与主管的连接处不得将支管插入主管内。

 2 主管与支管或支管轴线间的夹角不宜小于30°。

 3 支管与主管的连接节点处宜避免偏心;偏心不可避免时,其值不宜超过下式的限制;

式中:e——偏心距(图13.1.4);

    D——圆管主管外径(mm);

    h——连接平面内的方(矩)形管主管截面高度(mm)。

 4 支管端部应使用自动切管机切割,支管壁厚小于6mm时可不切坡口。

 5 支管与主管的连接焊缝,除支管搭接应符合本标准第13.2.2条的规定外,应沿全周连续焊接并平滑过渡;焊缝形式可沿全周采用角焊缝,或部分采用对接焊缝,部分采用角焊缝,其中支管管壁与主管管壁之间的夹角大于或等于120°的区域宜采用对接焊缝或带坡口的角焊缝;角焊缝的焊脚尺寸不宜大于支管壁厚的2倍;搭接支管周边焊缝宜为2倍支管壁厚。

 6 在主管表面焊接的相邻支管的间隙a不应小于两支管壁厚之和[图13.1.4(a)、图13.1.4(b)]。

条文说明

13.2.1 本条沿用原规范第10.1.5条的一部分及第10.2.1条、第10.2.2条、第10.2.5条。本节各项构造规定是用于保证节点连接的施工质量,从而保证实现计算规定的各种性能。
1 当主管采用冷成型方矩形管时,其弯角部位的钢材受加工硬化作用产生局部变脆,不宜在此部位焊接支管;另一方面,如果支管与主管同宽,弯角部位的焊缝构造处理困难,因此支管宽度宜小于主管宽度。
2 “连接处主管与支管轴线间夹角以及各支管轴线间夹角不宜小于30°”的规定是为了保证施焊条件,便于焊根熔透,也有利于减少尖端处焊缝的撕裂应力。
3 格构式构件在一定条件下可近似按铰接杆件体系进行内力分析,因此节点连接处应尽可能避免偏心。但当偏心不可避免(如为使支管间隙满足本条第6款要求而调整支管位置)但未超过式(13.2.1)限制时,在计算节点和受拉主管承载力时,可不考虑偏心引起的弯矩作用,在计算受压主管承载力时应考虑偏心弯矩M=△N·e(△N为节点两侧主管轴力之差值)的影响;搭接型连接时,由于受到搭接率规定的影响(本标准第13.2.2条第1款),可能突破式(13.2.1)的限制,此时格构式构件(桁架、拱架、塔架等)可按有偏心架进行内力分析。
4 支管端部形状及焊缝形式随支管和主管相交位置、支管壁厚不同以及焊接条件变化而异,如果不采用精密的机械加工,不易保证装配焊缝质量。我国成规模的钢结构加工制造企业已经普遍装备了自动切管机,因此本次修订要求支管端部加工都采用自动切管机。
5 由于断续焊缝易产生咬边、夹渣等焊缝缺陷,以及不均匀热影响区的材质缺陷,恶化焊缝的性能,故主管和支管的连续焊缝应沿全周连续焊接,焊缝尺寸应适中,形状合理。在保证节点设计承载力大于支管设计内力的条件下,多数情况下角焊缝焊脚尺寸达到1.5倍支管厚度是可以满足承载要求的;但当支管设计内力接近支管设计承载力时,角焊缝尺寸只有达到2倍支管厚度才能满足承载要求。角焊缝尺寸应由计算确定,满足受力条件时不必过分加大,限制最大焊脚尺寸的目的在于防止过度焊接的不利影响。

13.2.2

支管搭接型的直接焊接节点的构造尚应符合下列规定:

 1 支管搭接的平面K形或N形节点[图13.2.2(a)、图13.2.2(b)],其搭接率ηov=q/p×100%应满足25%≤ηov≤100%,且应确保在搭接的支管之间的连接焊缝能可靠地传递内力;

 2 当互相搭接的支管外部尺寸不同时,外部尺寸较小者应搭接在尺寸较大者上;当支管壁厚不同时,较小壁厚者应搭接在较大壁厚者上;承受轴心压力的支管宜在下方。

                                                                             

图13.2.2 支管搭接的构造

1-搭接支管;2-被搭接支管

条文说明

13.2.2 本条基本沿用原规范第10.2.3条、第10.2.4条。空间节点中,支管轴线不在同一平面内时,如采用搭接型连接,构造措施可参照本条规定。
K形搭接节点中,两支管间应有足够的搭接区域以保证支管间内力平顺地传递。研究表明(图30),搭接率小于25%时,节点承载力将有较大程度地降低,故搭接节点中需限制搭接率。

图30 搭接率对节点承载力的影响
支管互相搭接时,从传力合理、施焊可行的原则出发,需对不同搭接支管(位于上方)与被搭接支管(位于下方)的相对关系予以规定。原规范规定“当支管钢材强度等级不同时,低强度管应搭接在高强度管上”,考虑到实际工程中很少出现这种情况,本次修订从正文中删去这一规定,但如遇见此种情况仍可按此原则处理。实际工程中还可能遇到如外部尺寸较大支管反而壁厚较小的情况,此时因外部尺寸较大管置于下方,对被搭接支管在搭接处的管壁承载力应进行计算,不能满足强度要求时,被搭接部位应考虑加劲措施。
搭接型连接中,位于下方的被搭接支管在组装、定位后,该支管与主管接触的一部分区域被搭接支管从上方覆盖,称为隐蔽部位。隐蔽部位无法从外部直接焊接,施焊十分困难。圆钢管直接焊接节点中,当搭接支管轴线在同一平面内时,除需要进行疲劳计算的节点、按中震弹性设计的节点以及对结构整体性能有重要影响的节点外,被搭接支管的隐蔽部位(图31)可不焊接;被搭接支管隐蔽部位必须焊接时,允许在搭接管上设焊接手孔(图32),在隐蔽部位施焊结束后封闭,或将搭接管在节点近旁处断开,隐蔽部位施焊后再接上其余管段(图33)。

图31 搭接连接的隐蔽部位
1-搭接支管;2-被搭接支管;3-趾部;4-跟部;5-主管;6-被搭接支管内隐蔽部分

图32 焊接手孔示意
1-焊接手孔

图33 隐蔽部分施焊时搭接支管断开示意
1-断开位置
日本建筑学会(AIJ)1990年版《钢管结构设计指南与解说》在6.7条解说中指出“组装后的隐蔽部位即使不焊也没有什么影响”。近年来同济大学进行了多批次搭接节点隐蔽部位焊接与否的对比试验,包括承受单调静力荷载与低周反复荷载的节点试件;这些试验涉及的节点形式为平面K形和KT形。试验结果表明,在单调荷载作用下,当搭接率在不小于25%且不大于100%范围内时,隐蔽部分焊接与否对节点部位弹性阶段的变形以及极限承载力没有显著影响。Eutocode?3中指出,两支管垂直于主管的内力分量相差20%以上时,内隐蔽部位应予焊接;但同济大学的试验表明,此时节点承载力并未降低,同时国际焊接协会(IIW)最新规程亦无此规定。但是隐蔽部位的疲劳性能还缺乏实验的支持。节点承受低周反复荷载时,试验结果表明,如果发生很大的非弹性变形,也会导致承载后期节点性能的劣化,故支管隐蔽部位可不焊接的适用范围暂宜在6度、7度抗震设防地区的建筑结构考虑。
K形搭接节点的隐蔽部位焊接时,在搭接率小于60%时,受拉支管在下时承载力略高;但如隐蔽部位不焊接,则其承载力大为降低。相反,受压支管在下时,无论隐蔽部位焊接与否,其承载力均变化不大(<7%),综合考虑,建议搭接节点中,承受轴心压力的支管宜在下方。

13.2.3

无加劲直接焊接方式不能满足承载力要求时,可按下列规定在主管内设置横向加劲板:

 1 支管以承受轴力为主时,可在主管内设1道或2道加劲板[图13.2.3-1(a)、图13.2.3-1(b)];节点需满足抗弯连接要求时,应设2道加劲板;加劲板中面宜垂直于主管轴线;当主管为圆管,设置1道加劲板时,加劲板宜设置在支管与主管相贯面的鞍点处,设置2道加劲板时,加劲板宜设置在距相贯面冠点0.1D1附近[图13.2.3-1(b)],D1为支管外径;主管为方管时,加劲肋宜设置2块(图13.2.3-2);

 2 加劲板厚度不得小于支管壁厚,也不宜小于主管壁厚的2/3和主管内径的1/40;加劲板中央开孔时,环板宽度与板厚的比值不宜大于15εk;

 3 加劲板宜采用部分熔透焊缝焊接,主管为方管的加劲板靠支管一边与两侧边宜采用部分熔透焊接,与支管连接反向一边可不焊接;

 4 当主管直径较小,加劲板的焊接必须断开主管钢管时,主管的拼接焊缝宜设置在距支管相贯焊缝最外侧冠点80mm以外处[图13.2.3-1(c)]。

                                                                                                     

图13.2.3-1 支管为圆管时横向加劲板的位置

1-冠点;2-鞍点;3-加劲板;4-主管拼缝

图13.2.3-2 支管为方管或矩形管时加劲板的位置

1-加劲板

条文说明

13.2.3 本条为新增条文。无加劲节点直接焊接节点不能满足承载能力要求时,在节点区域采用管壁厚于杆件部分的钢管是提高其承载力有效的方法之一,也是便于制作的首选办法。此外也可以采用其他局部加强措施,如:在主管内设实心的或开孔的横向加劲板(本标准第13.2.3条);在主管外表面贴加强板(本标准第13.2.4条);在主管内设置纵向加劲板;在主管外周设环肋等。加强板件和主管是共同工作的,但其共同工作的机理分析复杂,因此在采取局部加强措施时,除能采用验证过的计算公式确定节点承载力或采用数值方法计算节点承载力外,应以所采取的措施能够保证节点承载力高于支管承载力为原则。
有限元数值计算结果表明,设置主管内的横向加劲板对提高节点极限承载力有显著作用,但在单一支管的下方如设置第3道加劲板所取得的增强效应就不明显了。数值分析还表明,满足本条第1款~第3款的构造规定,可以实现节点承载力高于相连支管承载力的要求。
在主管内设置纵向加劲板[图34(a)]时应使加劲板与主管管壁可靠焊接,当主管孔径较小难以施焊时,应在主管上下开槽后将加劲板插入焊接。目前的研究还未提出针对这种构造的节点承载力计算公式。纵向加劲板也可伸出主管外部连接支管或其他开口截面的构件[图34(b)]。在主管外周设环肋(图35)有助于提高节点强度,但可能影响外观;目前其受力性能的研究也很少。
钢管间直接焊接节点采用本章未予规定的措施进行加劲时,应有充分依据。

图34 主管内纵向加劲的节点
1-内部焊接;2-开槽后焊接

图35 主管外周设置加劲环的节点
1-外周加劲环

13.2.4

钢管直接焊接节点采用主管表面贴加强板的方法加强时,应符合下列规定:

 1 主管为圆管时,加强板宜包覆主管半圆[图13.2.4(a)],长度方向两侧均应超过支管最外侧焊缝50mm以上,但不宜超过支管直径的2/3,加强板厚度不宜小于4mm。

 2 主管为方(矩)形管且在与支管相连表面设置加强板[图13.2.4(b)]时,加强板长度lp可按下列公式确定,加强板宽度bp宜接近主管宽度,并预留适当的焊缝位置,加强板厚度不宜小于支管最大厚度的2倍。

式中:lp、bp——加强板的长度和宽度(mm);

    h1、h2——支管1、2的截面高度(mm);

    b1——支管1的截面宽度(mm);

    θ1、θ2——支管1、2轴线和主管轴线的夹角;

    a——两支管在主管表面的距离(mm)。

 3 主管为方(矩)形管且在主管两侧表面设置加强板[图13.2.4(c)]时,K形间隙节点:加强板长度lp可按式(13.2.4-2)确定,T和Y形节点的加强板长度lp可按下式确定:

4 加强板与主管应采用四周围焊。对K、N形节点焊缝有效高度不应小于腹杆壁厚。焊接前宜在加强板上先钻一个排气小孔,焊后应用塞焊将孔封闭。

                                                                                       

图13.2.4 主管外表面贴加强板的加劲方式

1-四周围焊;2-加强板

条文说明

13.2.4 本条为新增条文。主管为圆管的表面贴加强板方式,适用于支管与主管的直径比β不超过0.7时,此时主管管壁塑性可能成为控制模式。主管为方矩形管时,如为提高与支管相连的主管表面的受弯承载力,可采用该连接表面贴加强板的方式,如主管侧壁承载力不足时,则可采用主管侧表面贴加强板的方式。
方(矩)形主管与支管连接一侧采用加强板,主要针对主管受弯塑性破坏模式;主管侧壁承载力不足时采用侧壁加强的方式。加强板长度公式(13.2.4-1)~式(13.2.4-3)可参见J.A.Packer等著《空心管结构连接设计指南》第3.7节(曹俊杰译,科学出版社,1997)。考虑到连接焊缝以及主管可能存在弯角的原因,加强板的宽度通常小于主管的名义宽度。加强板最小厚度的建议来自上述同一文献。

13.3 圆钢管直接焊接节点和局部加劲节点的计算

13.3.1

采用本节进行计算时,圆钢管连接节点应符合下列规定:

 1 支管与主管外径及壁厚之比均不得小于0.2,且不得大于1.0;

 2 主支管轴线间的夹角不得小于30°;

 3 支管轴线在主管横截面所在平面投影的夹角不得小于60°,且不得大于120°。

条文说明

13.3.1 本条沿用原规范第10.3.3条的一部分。主管为圆钢管的节点,本标准将其归为圆钢管节点;主管为方矩形钢管时,本标准将其归为方钢管节点。

13.3.2

无加劲直接焊接的平面节点,当支管按仅承受轴心力的构件设计时,支管在节点处的承载力设计值不得小于其轴心力设计值。

 1 平面X形节点(图13.3.2-1):

                                                                       

图13.3.2-1 X形节点

1-主管;2-支管

1)受压支管在管节点处的承载力设计值NcX应按下列公式计算:

                               

                               

式中:ψn——参数,当节点两侧或者一侧主管受拉时,取ψn=1,其余情况按式(13.3.2-3)计算;

    t——主管壁厚(mm);

    f——主管钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值(N/mm2);

    θ——主支管轴线间小于直角的夹角;

    D、Di——分别为主管和支管的外径(mm);

    fy——主管钢材的屈服强度(N/mm2);

    σ——节点两侧主管轴心压应力中较小值的绝对值(N/mm2)。

   2)受拉支管在管节点处的承载力设计值NtX应按下式计算:

2 平面T形(或Y形)节点(图13.3.2-2和图13.3.2-3):

                                                             

图13.3.2-2 T形(或Y形)受拉节点

1-主管;2-支管

1)受压支管在管节点处的承载力设计值NcT应按下式计算:

                                                         

图13.3.2-3 T形(或Y形)受压节点

1-主管;2-支管

式中:θc——受压支管轴线与主管轴线的夹角;

    ψa——参数,按式(13.3.2-11)计算;

                                                                       

图13.3.2-4 平面K形间隙节点

1-主管;2-支管

ψd——参数,按式(13.3.2-6)或式(13.3.2-7)计算;

    a——两支管之间的间隙(mm)。

   2)受拉支管在管节点处的承载力设计值NtK应按下式计算:

式中:θt——受拉支管轴线与主管轴线的夹角。

 4 平面K形搭接节点(图13.3.2-5):

 支管在管节点处的承载力设计值NcK、NtK应按下列公式计算:

                                                       

图13.3.2-5 平面K形搭接节点

1-主管;2-搭接支管;3-被搭接支管;4-被搭接支管内隐藏部分

式中:ψq——参数;

    Ac——受压支管的截面面积(mm2);

    At——受拉支管的截面面积(mm2);

    f——支管钢材的强度设计值(N/mm2);

    ti——支管壁厚(mm)。

 5 平面DY形节点(图13.3.2-6):

 两受压支管在管节点处的承载力设计值NcDY应按下式计算:

式中:NcX——X形节点中受压支管极限承载力设计值(N)。

 6 平面DK形节点:

   1)荷载正对称节点(图13.3.2-7):

 四支管同时受压时,支管在管节点处的承载力应按下列公式验算:

                                                                 

图13.3.2-6 平面DY形节点

1-主管;2-支管

式中:NcK——平面K形节点中受压支管承载力设计值(N);

    NtK——平面K形节点中受拉支管承载力设计值(N);

    Vp1——主管剪切承载力设计值(N);

    A——主管截面面积(mm2);

    fv——主管钢材抗剪强度设计值(N/mm2);

    Np1——主管轴向承载力设计值(N);

    Na——截面a-a处主管轴力设计值(N)。

                                                                                       

图13.3.2-7 荷载正对称平面DK形节点

1-主管;2-支管

图13.3.2-8 荷载反对称平面DK形节点

1-主管;2-支管

7 平面KT形(图13.3.2-9):

 对有间隙的KT形节点,当竖杆不受力,可按没有竖杆的K形节点计算,其间隙值a取为两斜杆的趾间距;当竖杆受压力时,可按下列公式计算:

                                                     

图13.3.2-9 平面KT形节点

1-主管;2-支管

式中:NcK1——K形节点支管承载力设计值,由式(13.3.2-11)计算,式(13.3.2-11)中β=(D1+D2+D3)/3D,a为受压支管与受拉支管在主管表面的间隙。

 8 T、Y、X形和有间隙的K、N形、平面KT形节点的冲剪验算,支管在节点处的冲剪承载力设计值Nsi应按下式进行补充验算:

条文说明

13.3.2 本条第1款~第3款基本沿用原规范第10.3.1条、第10.3.3条,第4款~第8款为新增条款。对主要计算公式和规定说明如下:
关于第1款~第3款。88版规范对平面X、Y、T形和K形节点处主管强度的支管轴心承载力设计值的公式是比较、分析国外有关规范和国内外有关资料的基础上,根据近300个各类型管节点的承载力极限值试验数据,通过回归分析归纳得出的承载力极限值经验公式,然后采用校准法换算得到的。原规范修订时,根据同济大学的研究成果,对平面节点承载力计算公式进行了若干修正。修正时主要对照了新建立的国际管节点数据库中的试验结果,并考虑了公式表达的合理性。经与日本建筑学会(AIJ)公式、国际管结构研究和发展委员会(CIDECT)公式的比较,所修正的计算公式与试验数据对比,其均值和置信区间都较之前更加合理。本次修订时,除了对K形节点考虑搭接影响之外未作进一步改动(本条第1款~第3款),详见原规范条文说明第10.3.3条。
关于第4款K形搭接节点中,两支管中垂直于主管的内力分量可相互平衡一部分,使得主管连接面所承受的作用力相对减小;同时搭接部位的存在也增大了约束主管管壁局部变形的刚度。近年来的搭接节点试验和有限元分析结果均表明,搭接节点的破坏模式主要为支管局部屈曲破坏、支管局部屈曲与主管管壁塑性的联合破坏、支管轴向屈服破坏等三种模式,与平面圆钢管连接节点的主管壁塑性破坏模式相比有很大差别。因此,目前国外各规程中均将搭接节点的承载力计算公式特别列出,有两种主要方法:其一,是如Eurocode3规程,保持与K形间隙节点公式的连续性,通过调整搭接(间隙)关系参数,给出搭接节点的计算公式;其二,是如ISO规程(草案),根据搭接节点的破坏模式,摒弃了原来环模型计算公式(ft2),给出与间隙节点完全不同的计算公式。本标准采用方法二。由于搭接节点的破坏主要发生在支管而非主管上,因此将节点效率表示为几何参数的函数,即采用Ni=f(β,γ,τ,ηOv)×Aifi的公式形式;通过研究节点几何参数对节点效率的影响,选定f(β,γ,τ,ηOv)的函数形式;以同济大学11个搭接节点的单调加载试验、540个节点有限元计算结果以及国际管节点数据库的资料为基础,经回归分析得到K形搭接节点承载力计算公式。
对于节点有限元分析结果,以下述两个准则中最先达到的一个准则决定节点的极限承载力:受压支管轴力-节点变形曲线达到峰值,节点变形达到3%。
有限元参数分析结果表明,当其他参数相同时,θ=45°与θ=60°的节点承载力相比,提高幅度均在10%以内,平均仅2.4%,基本可以忽略;θ=30°与θ=60°的节点承载力相比,提高幅度不等,平均提高约20%。若承载力公式中与原规范相似地采用θ函数1/sinθ,则难以准确反映θ的影响。考虑到实际工程中θ<45°的情况相对少见,在建立K形搭接节点承载力公式时,以θ=60°节点的承载力数据作为基础,略偏保守但不失经济性。
影响K形搭接节点性能的因素除几何参数外,还包括搭接支管和贯通支管的搭接顺序、隐蔽部分焊接与否等。根据搭接顺序的不同(C—贯通支管受压,T—贯通支管受拉)和隐蔽部位是否焊接(W—焊接,N—不焊),可将K形搭接节点分别记为CW、TW、CN、TN四种类型。研究发现:
1 在隐蔽部位焊接的情况下,贯通支管受拉相比贯通支管受压,节点承载力平均高6%;在隐蔽部位不焊的情况下,贯通支管受压相比贯通支管受拉,节点承载力平均高出4%;
2 隐蔽部位不焊,会造成承载力某种程度的降低,且在贯通支管受拉的情况下,这种降低要显著得多(贯通支管受压时平均降低4%、最大降低11%,贯通支管受拉时平均降低13%、最大降低30%)。CW、TW、CN、TN四种类型的搭接节点承载力的变化如图36所示,综合考虑其变化规律以及规范的简洁性和设计的经济性,将CW、TW、CN、TN四种类型的搭接节点承载力计算公式统一。本标准公式计算值(95%保证率)与四种类型搭接节点有限元数据的对比见图36。

图36 本标准公式计算值与四种类型搭接节点有限元数据的对比
表13给出了本标准公式计算值与相关试验数据的对比,表中公式计算值所采用的钢材强度值为试验给出的钢材强度平均值。
关于第5款和第6款。目前平面DY和DK形节点已经应用于网架、网壳结构中。本标准平面DY和DK形节点承载力设计值公式引自钢结构设计规范EC3:Design of steel structures(Eurocode3-1-8:2005)。
表13 平面K形圆钢管搭接节点承载力设计公式计算结果与相关试验数据的比较

关于第7款。平面KT形节点计算公式(13.3.2-29)、式(13.3.2-30)来源于Eurocode3-1-8:2005,本条补充了关于间隙a的取值规定。Eurocode的计算方公式是依据各支管垂直于主管轴线的竖向分力合力为零的假定,但当竖杆受拉力时,仅按式(13.3.2-28)计算,可能对节点受压的计算偏于不安全,本条补充了按式(13.3.2-30)进行计算的规定。
关于第8款,J.A.Packer在《空心管结构连接设计指南》(曹俊杰译,科学出版社,1997)中认为,平面节点的失效模式由主管管壁塑性控制,因而可以不计算主管管壁冲剪破坏。但是在管节点数据库中仍存在冲剪破坏的记录。日本建筑学会(AIJ)设计指南(1990)和欧洲钢结构设计规范EC3:Design of steel structures(Eurocode?3-1-8:2005)要求T、Y、X形节点和有间隙的K、N形节点需进行冲剪承载力计算。考虑到这类破坏发生的可能性,本次修订规定对这类节点进行支管在节点处的冲剪承载力补充验算。本条公式引自欧洲钢结构设计规范EC3:Design of steel structures(Eurocode3-1-8:2005)。

13.3.3

无加劲直接焊接的空间节点,当支管按仅承受轴力的构件设计时,支管在节点处的承载力设计值不得小于其轴心力设计值。

 1 空间TT形节点(图13.3.3-1):

   1)受压支管在管节点处的承载力设计值NcTT应按下列公式计算:

式中:a0——两支管的横向间隙。

   2)受拉支管在管节点处的承载力设计值NtTT应按下式计算:

                                                                   

图13.3.3-1 空间TT形节点

1-主管;2-支管

2 空间KK形节点(图13.3.3-2):

 受压或受拉支管在空间管节点处的承载力设计值NcKK或NtKK应分别按平面K形节点相应支管承载力设计值NcK或NtK乘以空间调整系数μKK计算。

                                                                 

图13.3.3-2 空间KK形节点

1-主管;2-支管

式中:ζt——参数;

    q0——平面外两支管的搭接长度(mm)。

 3 空间KT形圆管节点(图13.3.3-3、图13.3.3-4):

                                                                           

图13.3.3-3 空间KT形节点

1-主管;2-支管

   1)K形受压支管在管节点处的承载力设计值NcKT应按下列公式计算:

式中:Qn——支管轴力比影响系数;

    nTK——T形支管轴力与K形支管轴力比,—1≤nTK≤1。

    NT、NcK——分别为T形支管和K形受压支管的轴力设计值,以拉为正,以压为负(N);

    μKT——空间调整系数,根据图13.3.3-4的支管搭接方式分别取值;

                                             

图13.3.3-4 空间KT形节点分类

1-主管;2-支管;3-贯通支管;4-搭接支管;5-内隐蔽部分


    βT——T形支管与主管的直径比;

    ζ0——参数;

    a0——K形支管与T形支管的平面外间隙(mm);

    q0——K形支管与T形支管的平面外搭接长度(mm)。

条文说明

13.3.3 本条在原规范的基础上增加了部分规定。原规范修订时,在分析管节点数据库相关数据和对照同济大学实施的试验基础上,补充了空间TT形和KK形节点的计算规定。与日本建筑学会(AIJ)公式、国际管结构研究和发展委员会(CIDECT)公式相比,按所提出的计算公式和试验数据比较,无论其均值还是置信区间都更加合理。详见原规范条文说明第10.3.3条的条文说明表12最后2组数据。
但制订原规范时所依据的管节点数据库和国内大学试验研究的空间KK形节点都是间隙节点,即图13.3.3-1的情况,而工程实践中,因支管搭接与否有多种组合,除全间隙节点外,还可能遇到图37所示另3种典型情况,其中图37(d)的情况为支管全搭接型,而前3种情况称为支管非全搭接型。

图37 空间KK形节点分类
1-支管;2-主管;3-搭接支管;4-被搭接支管;5-内隐蔽部分
对图37中(b)、(c)、(d)三种形式节点的极限承载力进行分析,将支管全搭接型的KK形节点的空间调整系数采用不同于原规范的形式,其余情况则仍采用0.9,与实验数据和有限元计算数据的对比分别见表13和表14。表中还列出了欧洲钢结构设计规范EC3:Design of steel structuresEurocode3公式和日本建筑学会(AIJ)公式的相应比较结果。
表13 空间KK形节点承载力计算公式与试验数据的比较

原规范没有空间KT形圆管节点强度计算公式,而近年的工程实践表明这类形式的节点在空间桁架和空间网壳中并不少见。本条第3款的计算公式采用在平面K形节点强度计算公式基础上乘以支管轴力比影响系数Qn和空间调整系数μKT的方法。其中,μKT反映了空间几何效应,Qn反映了荷载效应。分三种情况规定了μKT的取值,即:三支管间均有间隙(空间KT-Gap型);K形支管搭接,但与T形支管间有间隙(空间KT-IPOv型);三支管均搭接(空间KT-Ov型)。
图38显示了空间KT形节点极限承载力比值NKT′K/NθKT′K(即Qn)与T形支管轴力比nTK的关系曲线。其中NKT′K为空间KT型节点中K形受压支管承载力,NθKT′K为相同几何尺寸但轴力比nTK=0(即T形支管轴力为0)的空间KT型节点中K形

图38 支管轴力比影响系数Qn-nTK关系曲线
受压支管承载力。轴力比nTK是反映T形支管所受轴力相对大小的一个参数,nTK为正,表示T形支管受拉,nTK为负,表示支管受压,实际工程中T形支管一般不是主要受力构件,其所受轴力往往小于K形支管轴力,即nTK的范围为[—1,1]。
表14 空间KK形节点承载力计算公式与有限元计算结果的比较

图38表明:
1 对于几何尺寸不同但轴力比nTK相同的节点,Qn大致相同,说明轴力比nTK对节点极限承载力的影响是独立的,不受节点几何参数变化的影响;
2 在—0.2≤nTK≤0.2范围内,Qn值大体为1,变化较小;
3 在TK<—0.2或nTK>0.2范围内,Qn值均呈下降趋势,说明T形支管轴力增大导致节点极限承载力降低,从图中可看出T形支管受轴压时更为不利。
有限元分析表明,对空间KT-Gap节点的空间调整系数μKT无量纲参数βT、ζt的影响较大,其他参数则可不予考虑;对于空间KT-Ov节点,γ、ζt有较大影响;对于空间KK-IPOv节点,各无量纲几何参数对μKT均无显著影响,为简单计,取μKT=1.0。
拟合的空间KT形节点强度计算公式与试验数据和有限元数据的比较分别见表15和表16。
表15 空间KT形节点承载力计算公式与试验数据的比较

表16 空间KT形节点承载力计算公式与有限元数据的比较

13.3.4

无加劲直接焊接的平面T、Y、X形节点,当支管承受弯矩作用时(图13.3.4-1和图13.3.4-2),节点承载力应按下列规定计算:

                                                                                     

图13.3.4-1 T形(或Y形)节点的平面内受弯与平面外受弯

1-主管;2-支管

图13.3.4-2 X形节点的平面内受弯与平面外受弯

1-主管;2-支管

1 支管在管节点处的平面内受弯承载力设计值MiT应按下列公式计算(图13.3.4-2):

式中:Qx——参数;

    Qf——参数;

    N0p——节点两侧主管轴心压力的较小绝对值(N);

    Mop——节点与N0p对应一侧的主管平面内弯矩绝对值(N·mm);

    A——与N0p对应一侧的主管截面积(mm2);

    W——与N0p对应一侧的主管截面模量(mm3)。

 2 支管在管节点处的平面外受弯承载力设计值MoT应按下列公式计算:

当Di≤D—2t时,平面外弯矩不应大于下式规定的抗冲剪承载力设计值:

式中:N、Mi、Mo——支管在管节点处的轴心力(N)、平面内弯矩、平面外弯矩设计值(N·mm);

    Nj——支管在管节点处的承载力设计值,根据节点形式按本标准第13.3.2条的规定计算(N)。

条文说明

13.3.4 本条为新增条文。无斜腹杆的桁架(空腹桁架)、单层网壳等结构,其构件承受的弯矩在设计中是不可忽略的。这类结构采用无加劲直接焊接节点时,设计中应考虑节点的抗弯计算。本次标准修订时,在分析国外有关规范和国内外有关资料的基础上,根据近160个管节点的受弯承载力极限值试验数据,通过回归分析,考虑了可靠度与安全系数后得出了主管和支管均为圆管的平面T、Y、X形相贯节点受弯承载力设计值公式。
表17 对应于主管塑性破坏模式的受弯承载力公式拟合试验数据的统计分析

表17给出了对各国受弯承载力规范公式拟合试验数据的统计分析结果,m、σ和v分别表示公式计算值与试验值之比的均值、方差和离散度。其中Mjui、Mjuo分别为根据公式计算得到的节点平面内与平面外受弯承载力,计算时已将各规范中的强度设计值置换为钢材屈服值,Mui、Muo分别为试验测得的节点平面内与平面外受弯承载力。从表17中的对比可以看出,在平面内受弯承载力方面,API公式与试验结果最为接近,但离散度较大,HSE与Eurocode 3公式比试验结果低,但数据离散度较小。在平面外受弯承载力方面,HSE公式与试验结果最为接近,API公式次之,但数据离散度较大。Van der Vegte公式与试验结果差别较大,且计算异常繁琐,不便于工程应用。
由于各规范公式考虑了一定的承载力安全储备,所以计算值均低于节点实际承载力。为此在上述公式的基础上提出了以下未考虑强度折减的相贯节点平面内受弯承载力计算公式:

统计分析表明,该公式能够较好地预测相贯节点的实际平面内受弯承载力。在此基础上考虑可靠度后得到本次标准修订公式。标准修订公式拟合试验数据的统计分析结果列于表17中。
对应于主管冲剪破坏模式的相贯节点受弯承载力计算公式的主要来源为CIDECT设计指南。
无斜腹杆的桁架(空腹桁架)、单层网壳结构中的杆件,同时承受轴力和弯矩作用。本条第3款适用于这种条件下的节点计算。规范修订时,对比了各国规范对于节点在弯矩与轴力共同作用下的承载力相关方程,其中Nc、Ncu分别为组合荷载下支管轴压力与节点仅受轴压力作用时的极限承载力公式计算值,Nt、Ntu分别为组合荷载下支管轴拉力与节点仅受轴拉力作用时的极限承载力公式计算值,Mi、Mui分别为组合荷载下支管平面内弯矩与节点仅受平面内弯矩作用时的极限承载力公式计算值,Mo、Muo分别为组合荷载下支管平面外弯矩与节点仅受平面外弯矩作用时的极限承载力公式计算值。

上述公式的比较表明,钢结构设计规范EC3:Design of steel structures认为平面内弯矩对节点组合荷载作用下承载力的影响较平面外弯矩小,而API规范和日本标准则认为两者权重相同。图39~图42给出了不同荷载组合下试验值与相关方程曲线的比较。可以看出,AIJ相关公式在所有情况下都是偏于安全

图39 Nc—Mi相关方程与试验数据的比较
的,Eurocode 3相关公式在大多数情况下是安全的,仅有个别数据点越界,而API-LRFD相关公式相对来说安全度稍低,有少数数据点越界。表18还给出了节点在轴力、平面内弯矩、平

图40 Nc—Mo相关方程与试验数据的比较

图41 Nt—Mo相关方程与试验数据的比较
面外弯矩共同作用下试验值代入各相关公式中的计算结果,同样显示了上述现象。从安全和简化出发,标准修订时直接采用了AIJ公式的形式。

图42 Mi—Mo相关方程与试验数据的比较
表18 Nc—Mi—Mo相关方程与试验数据的比较



13.3.5

主管呈弯曲状的平面或空间圆管焊接节点,当主管曲率半径R≥5m且主管曲率半径R与主管直径D之比不小于12时,可采用本标准第13.3.2条和第13.3.4条所规定的计算公式进行承载力计算。

条文说明

13.3.5 本条为新增条文。国内大学进行了主管为向内弯曲、向外弯曲和无弯曲(直线状)的圆管焊接节点静力加载对比试验共15件,节点形式有平面K形、空间TT形、KK形、KTT形。同时,应用有限元分析方法对节点进行了弹塑性分析,考虑的节点参数包括β变化范围0.5~0.8,主管径厚比2γ变化范围36~50,支管与主管的厚度比τ变化范围0.5~1.0,主管轴线弯曲曲率半径R变化范围5m~35m,以及轴线弯曲曲率半径R与主管直径d之比变化范围12~110。研究表明,无论主管轴线向内还是向外弯曲,以上各种形式的圆管节点与直线状的主管节点相比,节点受力性能没有大的差别,节点极限承载力相差不超过5%。

13.3.6

主管采用本标准第13.2.4条第1款外贴加强板方式的节点:当支管受压时,节点承载力设计值取相应未加强时节点承载力设计值的(0.23τr1.18β-0.68+1)倍;当支管受拉时,节点承载力设计值取相应未加强时节点承载力设计值的1.13τr0.59倍;τr为加强板厚度与主管壁厚的比值。

条文说明

13.3.6 本条为新增条文。圆管加强板的几何尺寸,国外有若干试验数据发表,国内大学补充实施了新的试验,据此校验了有限元模型。采用校验过的模型对T形连接的极限承载力进行了数值计算。计算表明,当支管受压时,加强板和主管分担支管传递的内力,但并非如此前文献认为的那样,可以用加强板的厚度加上主管壁厚代入强度公式;根据计算结果回归分析,采用本标准图13.2.4(a)加强板的节点承载力,是无加强时节点承载力的(0.23τr1.18β-0.68+1)倍,其中τr是加强板厚度与主管壁厚的比值。计算也表明,当支管受拉时,由于主管对加强板有约束,并非只有加强板在起作用,根据回归分析,用按本标准图13.2.4(a)加强板的节点承载力是无加强时节点承载力的1.13τr0.59倍。

13.3.7

支管为方(矩)形管的平面T、X形节点,支管在节点处的承载力应按下列规定计算:

 1 T形节点:

式中:βRC——支管的宽度与主管直径的比值,且需满足βRC≥0.4;

    ηRC——支管的高度与主管直径的比值,且需满足ηRC≤4;

    b1——支管的宽度(mm);

    h1——支管的平面内高度(mm);

    t——主管壁厚(mm);

    f——主管钢材的抗拉、抗压和抗弯强度设计值(N/mm2)。

 2 X形节点:

式中:N1——支管的轴向力(N);

    A1——支管的横截面积(mm2);

    Mx1——支管轴线与主管表面相交处的平面内弯矩(N·mm);

    Wx1——支管在其轴线与主管表面相交处的平面内弹性抗弯截面模量(mm3);

    My1——支管轴线与主管表面相交处的平面外弯矩(N·mm);

    Wy1——支管在其轴线与主管表面相交处的平面外弹性抗弯截面模量(mm3);

    t1——支管壁厚(mm);

    fv——主管钢材的抗剪强度设计值(N/mm2)。

条文说明

13.3.7 本条为新增条文。近年来,工程实践中出现了主管为圆管、支管为方矩形管的情况。但国内对此研究不多,仅有少数几例试验。参考Eurocode3-1-8的规定给出相关计算公式,与国内大学的试验资料相比较,见表19。
表19 X形节点矩形支管-圆形主管连接节点公式计算值与试验结果的比较

13.3.8

在节点处,支管沿周边与主管相焊;支管互相搭接处,搭接支管沿搭接边与被搭接支管相焊。焊缝承载力不应小于节点承载力。

条文说明

13.3.8 为防止焊缝先于节点发生破坏,故规定焊缝承载力不应小于节点承载力。

13.3.9

T(Y)、X或K形间隙节点及其他非搭接节点中,支管为圆管时的焊缝承载力设计值应按下列规定计算:

 1 支管仅受轴力作用时:

 非搭接支管与主管的连接焊缝可视为全周角焊缝进行计算。角焊缝的计算厚度沿支管周长取0.7hf,焊缝承载力设计值Nf可按下列公式计算:

式中:hf——焊脚尺寸(mm);

    fwf——角焊缝的强度设计值(N/mm2);

    lw——焊缝的计算长度(mm)。

 2 平面内弯矩作用下:

 支管与主管的连接焊缝可视为全周角焊缝进行计算。角焊缝的计算厚度沿支管周长取0.7hf,焊缝承载力设计值Mfi可按下列公式计算:

式中:Wfi——焊缝有效截面的平面内抗弯模量,按式(13.3.9-5)计算(mm3);

    xc——参数,按式(13.3.9-6)计算(mm);

    Ifi——焊缝有效截面的平面内抗弯惯性矩,按式(13.3.9-7)计算(mm4)。

 3 平面外弯矩作用下:

 支管与主管的连接焊缝可视为全周角焊缝进行计算。角焊缝的计算厚度沿支管周长取0.7hf,焊缝承载力设计值Mfo可按下列公式计算:

式中:Wfo——焊缝有效截面的平面外抗弯模量,按式(13.3.9-10)计算(mm3);

    Ifo——焊缝有效截面的平面外抗弯惯性矩,按式(13.3.9-12)计算(mm4)。

条文说明

13.3.9 本条为原规范第10.3.2条的修改和补充。非搭接管连接焊缝在轴力作用下的强度计算公式(13.3.9-1)~式(13.3.9-3)沿用原规范的有关规定。
本标准关于非搭接管连接焊缝在平面内与平面外弯矩作用下的强度计算公式是采用空间解析几何原理,经数值计算与回归分析后提出的。
钢管节点关于x-o-z平面对称。根据对称性原理,可取对称面一侧结构施加总荷载的一半进行研究,如图43(a)所示。

图43 焊缝截面的简化
1-焊缝;2-水平面;3-焊缝截面;4-弦杆外壁
假设焊缝截面符合平截面假定。钢管相贯节点中连接主管与支管的焊缝截面实际为一空间曲面,建立空间坐标系x′y′z′[图43(a)],将焊缝曲面投影至x’oy’平面,并将平截面假定不加证明地推广至该焊缝投影平面。此外,还假定主管与支管的连接焊缝可视为全周角焊缝进行抗弯计算,角焊缝有效截面的计算厚度he为焊脚尺寸hf的70%。
为计算钢管相贯节点焊缝截面的几何特性,将焊缝有效截面的形成方式假定如下:焊缝有效截面的内边缘线即为主管与支管外表面的相贯线,外边缘线则由主管外表面与半径为r1且同支管共轴线的圆柱面相贯形成,其中r1=d/2+0.7hfsinθ。
当T形节点焊缝截面边缘相贯线在x′oy′平面的投影近似为椭圆时,其平面内与平面外抗弯的有效截面惯性矩分别按式(64)与式(65)计算:

因此,非搭接管节点焊缝在平面内与平面外的抗弯截面模量分别为式(13.3.9-5)与式(13.3.9-10)的形式。
经对所收集的近70个管节点的极限承载力、杆件承载力、焊缝承载力与破坏模式的计算比较(如表20和表21所示,表中破坏模式符号含义如下:CLD-主管塑性;CPS-主管冲剪;BY-支管屈服;CY-主管屈服;WF-焊缝断裂;CC-主管表面焊趾裂纹),可以保证静力荷载下焊缝验算公式的适用性。
表20 T、Y形节点平面外受弯实测承载力与公式计算值的比较

表21 T、Y形节点平面内受弯实测承载力与公式计算值的比较



13.4 矩形钢管直接焊接节点和局部加劲节点的计算

13.4.1

本节规定适用于直接焊接且主管为矩形管,支管为矩形管或圆管的钢管节点(图13.4.1),其适用范围应符合表13.4.1的要求。

图13.4.1 矩形管直接焊接平面节点

1-搭接支管;2-被搭接支管


表13.4.1 主管为矩形管,支管为矩形管或圆管的节点几何参数适用范围


条文说明

在原规范的基础上,根据国内大学研究成果并结合国外资料,增加了KT形矩形管节点的承载力设计公式,弯矩及弯矩轴力组合作用下T形矩形管节点承载力设计公式。
13.4.1 本条基本沿用原规范第10.3.4条的相关规定。规定了直接焊接且主管为矩形管,支管为矩形管或圆管的平面节点承载力计算公式适用的节点几何参数范围。对于间隙K、N形节点,如果间隙尺寸过大,满足a/b>1.5(1—β),则两支管间产生错动变形时,两支管间的主管表面不形成或形成较弱的张拉场作用,可以不考虑其对节点承载力的影响,节点分解成单独的T形或Y形节点计算。

13.4.2

无加劲直接焊接的平面节点,当支管按仅承受轴心力的构件设计时,支管在节点处的承载力设计值不得小于其轴心力设计值。

 1 支管为矩形管的平面T、Y和X形节点:

   1)当β≤0.85时,支管在节点处的承载力设计值Nui应按下列公式计算:

式中:C——参数,按式(13.4.2-2)计算;

    ψn——参数,按式(13.4.2-3)或式(13.4.2-4)计算;

    σ——节点两侧主管轴心压应力的较大绝对值(N/mm2)。

   2)当β=1.0时,支管在节点处的承载力设计值Nui应按下式计算:

式中:fv——主管钢材抗剪强度设计值(N/mm2);

    fk——主管强度设计值,按式(13.4.2-7)~式(13.4.2-9)计算(N/mm2);

    φ——长细比按式(13.4.2-10)确定的轴心受压构件的稳定系数。

   3)当0.85<β<1.0时,支管在节点处的承载力设计值Nui应按式(13.4.2-1)、式(13.4.2-5)或式(13.4.2-6)所计算的值,根据β进行线性插值。此外,尚应不超过式(13.4.2-11)的计算值:

式中:fi——支管钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值(N/mm2)。

 2 支管为矩形管的有间隙的平面K形和N形节点:

   1)节点处任一支管的承载力设计值应取下列各式的较小值:

式中:Av——主管的受剪面积,应按式(13.4.2-19)计算(mm2);

    α——参数,应按式(13.4.2-20)计算,(支管为圆管时α=0)。

   2)节点间隙处的主管轴心受力承载力设计值为:

式中:αv——剪力对主管轴心承载力的影响系数,按式(13.4.2-22)计算;

    V——节点间隙处弦杆所受的剪力,可按任一支管的竖向分力计算(N);

    A——主管横截面面积(mm2)。

 3 支管为矩形管的搭接的平面K形和N形节点:

 搭接支管的承载力设计值应根据不同的搭接率ηov按下列公式计算(下标j表示被搭接支管):

4 支管为矩形管的平面KT形节点:

   1)当为间隙KT形节点时,若垂直支管内力为零,则假设垂直支管不存在,按K形节点计算。若垂直支管内力不为零,可通过对K形和N形节点的承载力公式进行修正来计算,此时β≤(b1+b2+b3+h1+h2+h3)/(6b),间隙值取为两根受力较大且力的符号相反(拉或压)的腹杆间的最大间隙。对于图13.4.2(a)、图13.4.2(b)所示受荷情况(P为节点横向荷载,可为零),应满足式(13.4.2-29)与式(13.4.2-30)的要求:

                                            图13.4.2 KT形节点受荷情况

2)当为搭接KT形方管节点时,可采用搭接K形和N形节点的承载力公式检验每一根支管的承载力。计算支管有效宽度时应注意支管搭接次序。

 5 支管为圆管的各种形式平面节点:

 支管为圆管的T、Y、X、K及N形节点时,支管在节点处的承载力可用上述相应的支管为矩形管的节点的承载力公式计算,这时需用Di替代bi和hi,并将计算结果乘以π/4。

条文说明

13.4.2 本条为原规范第10.3.4条的修改和补充。本条第1款第1项针对主管与支管相连一面发生弯曲塑性破坏的模式,第2项针对主管侧壁破坏的模式。T形节点是Y形节点的特殊情况。β≤0.85的节点承载力主要取决于主管表面形成的塑性铰线状况。公式(13.4.2-1)来源于塑性铰线模型,但其中考虑轴压力影响的系数ψn则为经验公式。与国外相关公式比较,ψn没有突变,符合有限元分析和试验结果,并可用于β=1.0的节点。
β=1.0的节点主要发生主管侧壁失稳破坏,承载力计算中λ取为,与国外规范取值相比,相当于将计算长度减少了一倍。这与主管侧壁的实际约束情况及试验结果吻合的更好。经与收集到的国外27个试验结果和国内大学5个主管截面高宽比h/b≥2的等宽T形节点的有限元分析结果相比,精度远高于国外公式。以屈服应力fy代入修订后的公式所得结果与试验结果的比值作为统计值,27个试验的平均值为0.830,其方差为0.111,而按国外的公式计算,这两个值分别为0.531和0.195。此外,式(13.4.2-5)比国外相关公式多考虑了主管轴向应力影响的系数ψn,在fk的取值上考虑了一个1.25的安全系数(受压情况)。对于X形节点,主管侧壁变形较T形节点大很多,因此fk的取值减少到T形节点的0.81sinθi倍;当θi<90°且h≥hi/cosθi时,尚应验算主管侧壁的受剪承载力。
对于所有β≥0.85的节点,支管荷载主要由平行主管的支管侧壁承担,另外两个侧壁承担的荷载较少,需按公式(13.4.2-11)计算“有效宽度”失效模式控制的承载力。此时,主管表面也存在冲剪破坏的可能,需按公式(13.4.2-13)验算节点抗冲剪的承载能力。由于主管表面冲剪破坏面应在支管外侧与主管壁内侧,因此进行冲剪承载力验算的上限为β=1—2t/b。
对于间隙K、N形节点,公式(13.4.2-15)计算主管壁面塑性失效承载力;公式(13.4.2-16)和(13.4.2-21)计算主管在节点间隙处的受剪承载力;公式(13.4.2-17)依据有效宽度计算支管承载力;公式(13.4.2-18)计算主管抗冲剪承载力。
采用有效宽度概念计算搭接节点的承载力。搭接节点最小搭接率为25%,搭接率从25%增至50%的过程中,承载力线性增长;从50%至80%,承载力为常数;80%以上,承载力为另一较高常数。
KT形节点的计算是本标准新增条文,采用了CIDECT建议的设计方法。

13.4.3

无加劲直接焊接的T形方管节点,当支管承受弯矩作用时,节点承载力应按下列规定计算:

 1 当β≤0.85且n≤0.6时,按式(13.4.3-1)验算;当β≤0.85且n>0.6时,按式(13.4.3-2)验算;当β>0.85时,按式(13.4.3-2)验算。

式中:N*u1——支管在节点处的轴心受压承载力设计值,应按本条第2款的规定计算(N);

    Mu1——支管在节点处的受弯承载力设计值,应按本条第3款的规定计算(N·mm)。

 2 N*u1的计算应符合下列规定:

   1)当β≤0.85时,按下式计算:

2)当β>0.85时,按本标准第13.4.2条中的相关规定计算。

 3 Mu1的计算应符合下列规定:

 当β≤0.85时:

式中:n——参数,按式(13.4.3-5)计算,受拉时取n=0;

    be——腹杆翼缘的有效宽度,按式(13.4.3-7)计算(mm);

    W1——支管截面模量(mm3)。

条文说明

13.4.3 本条为新增条文。根据压弯组合作用下T形矩形管节点有限元分析结果,针对β≤0.85的T形方管节点,当n≤0.6时,按公式(13.4.3-1)验算其承载力;当n>0.6或β>0.85时,按公式(13.4.3-2)验算承载力,与有限元分析结果吻合的更好。式(13.4.3-3)、(13.4.3-4)源于考虑轴压力影响的塑性铰线模型的推导结果。在塑性铰线模型中,考虑轴向压应力的影响,得到倾斜塑性铰线承载力为 ,式中mp=tf2y/4。进而根据虚功原理得到考虑轴向压力影响的在支管轴力或弯矩作用下的节点承载力公式。

13.4.4

采用局部加强的方(矩)形管节点时,支管在节点加强处的承载力设计值应按下列规定计算:

 1 主管与支管相连一侧采用加强板[图13.2.4(b)]:

   1)对支管受拉的T、Y和X形节点,支管在节点处的承载力设计值应按下列公式计算:

式中:fp——加强板强度设计值(N/mm2);

    Cp——参数,按式(13.4.4-2)计算。

   2)对支管受压的T、Y和X形节点,当βp≤0.8时可应用下式进行加强板的设计:

3)对K形间隙节点,可按本标准第13.4.2条中相应的公式计算承载力,这时用tp代替t,用加强板设计强度fp代替主管设计强度f。

 2 对于侧板加强的T、Y、X和K形间隙方管节点[图13.2.4(c)],可用本标准第13.4.2条中相应的计算主管侧壁承载力的公式计算,此时用t+tp代替侧壁厚t,Av取为2h(t+tp)。

条文说明

13.4.4 本条为新增条文。当桁架中个别节点承载力不能满足要求时,进行节点加强是一个可行的方法。如果主管连接面塑性破坏模式起控制作用,可以采用主管与支管相连一侧采用加强板的方式加强节点,这通常发生在β<0.85的节点中。对于主管侧壁失稳起控制作用的节点,可采用侧板加强方式。主管连接面使用加强板加强的节点,当存在受拉的支管时,只考虑加强板的作用,而不考虑主管壁面。

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共 490 条
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