4624.雙角鋼十字組合填板設(shè)計(jì)方法探討

1、雙角鋼十字組合填板設(shè)計(jì)方法探討摘要：根據(jù)對(duì)不同鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的比較，推導(dǎo)雙角鋼十字組合中填板和連接螺栓的設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：雙角鋼 十字組合 填板 discussion about the design method of battens in cruciform angle sections abstract: according to the comparison among the different steel structure design codes, we deduce the design method of battens and bolts in cruciform ang

2、le sections.keywords：double angles，cruciform combination， batten1、前言隨著特高壓輸電線路的建設(shè)，鐵塔的尺寸、負(fù)荷發(fā)生了質(zhì)的變化，鐵塔趨于大型化，雙肢組合角鋼的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。輸電線路鐵塔常采用十字型連接的雙肢組合角鋼，并采用填板、螺栓連接。對(duì)于用填板連接而成的雙角鋼組合構(gòu)件，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范gb500172003根據(jù)國(guó)內(nèi)多年的使用經(jīng)驗(yàn)規(guī)定了填板的間距和數(shù)量，目的在于對(duì)受壓構(gòu)件保證角鋼的穩(wěn)定、對(duì)受拉構(gòu)件保證兩個(gè)角鋼共同工作并受力均勻。架空輸電線路鐵塔設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定dl/t5154沿用gb50017規(guī)定，對(duì)雙肢組合角鋼構(gòu)件按實(shí)腹構(gòu)件

3、進(jìn)行計(jì)算，并未對(duì)虛軸采用換算長(zhǎng)細(xì)比。英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范bs8100、歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范eurocode3對(duì)雙肢組合角鋼構(gòu)件一般也采用填板連接方式，但對(duì)于填板的數(shù)量、布置方式和構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比的取值以及對(duì)構(gòu)件中剪力的規(guī)定，有別于gb50017。此外，各規(guī)范均未明確填板和螺栓的設(shè)計(jì)方法。2、三種鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法比較分析2.1鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范gb50017-2003方法鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范gb50017-2003第5.1.5條規(guī)定，用填板連接而成的雙角鋼或槽鋼構(gòu)件，可按實(shí)腹式構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，但填板間的距離應(yīng)滿足以下規(guī)定：對(duì)于受壓構(gòu)件，不應(yīng)超過(guò)40，對(duì)于受拉構(gòu)件，不應(yīng)超過(guò)80，為構(gòu)件的回轉(zhuǎn)半徑。對(duì)于雙角鋼所組成的十字截面，取用

4、一個(gè)角鋼的最小回轉(zhuǎn)半徑。受壓構(gòu)件的兩個(gè)側(cè)向支撐之間的填板數(shù)不得少于兩個(gè)。規(guī)范對(duì)填板采用單填板還是十字填板無(wú)明確規(guī)定。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范5.1.6條規(guī)定了軸心受壓構(gòu)件的剪力計(jì)算見(jiàn)以下公式且該剪力可按全跨考慮。2.2 英國(guó)規(guī)范bs 8100-3:1999方法在的5.2.2組合構(gòu)件（在5.2主材構(gòu)件部分）中，對(duì)組合構(gòu)件的計(jì)算進(jìn)行了如下規(guī)定：受壓主材構(gòu)件可以采用由兩個(gè)角鋼組成的十字?jǐn)嗝嫘褪?。?dāng)采用連續(xù)焊接形式時(shí)，可認(rèn)為其完全組合；但當(dāng)采用間斷連接時(shí)，應(yīng)按下式通過(guò)來(lái)修正組合構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比，來(lái)考慮由于剪力引起的變形影響： 式中，為組合構(gòu)件的整體長(zhǎng)細(xì)比；為組合構(gòu)件單角鋼的長(zhǎng)細(xì)比。、宜滿足：，。同時(shí)，規(guī)范在附錄中還

5、詳細(xì)描述了填板的設(shè)計(jì)方法，見(jiàn)下：填板及其連接件應(yīng)根據(jù)沿角鋼全長(zhǎng)在任意一點(diǎn)上作用的橫向剪力所產(chǎn)生的軸向力和彎矩來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。橫向剪力不小于組合角鋼所能承受的最大軸向荷載的2.5%。橫向剪力垂直作用于組合構(gòu)件的弱軸方向。每個(gè)面上的填板應(yīng)根據(jù)該剪力在此面上的分量，再加上其它由于自重和組合構(gòu)件風(fēng)荷所引起的橫向剪力進(jìn)行設(shè)計(jì)。填板厚度1/50焊縫或緊固件間最短距離，填板的長(zhǎng)細(xì)比不小于180。沿主軸線的末端填板的寬度不少于分肢間中心線距離，中間填板的寬度不少于此間距的一半，且任何一個(gè)填板寬度不少于較窄分肢間寬度的2倍。2.3 歐洲規(guī)范eurocode 3方法在歐洲規(guī)范erocode 3的part 1-1 ge

6、neral structure rules 6.4.4 條實(shí)腹式組合構(gòu)件中，規(guī)定如下：圖1 星形填板組合角鋼構(gòu)件figure 1 star-battened angle members（1）如圖1所示，通過(guò)星形填板連接的組合角鋼一般通過(guò)在兩個(gè)互相垂直的面上成對(duì)布置的填板連接；當(dāng)滿足填板的最大間距在以內(nèi)時(shí)，可以將這些組合構(gòu)件視為整體構(gòu)件來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度校核，此時(shí)忽略剪切剛度的影響（）。（2）填板要傳遞的剪力可通過(guò)以下規(guī)定來(lái)確定：角鋼肢、填板和其連接應(yīng)按組合構(gòu)件端部和跨中的實(shí)際彎矩、剪力和軸力來(lái)校核，如圖2所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取角鋼肢中最大軸力與最大剪力對(duì)應(yīng)。 上式中：組合構(gòu)件的臨界荷載；組合構(gòu)件壓力設(shè)計(jì)

7、值；考慮二階影響后組合構(gòu)件跨中最大彎矩設(shè)計(jì)值；不考慮二階影響組合構(gòu)件跨中最大彎矩設(shè)計(jì)值；角鋼肢間的中心距離；單肢角鋼的截面面積；初偏心，為構(gòu)件長(zhǎng)度；組合構(gòu)件有效二階截面慣性矩；連接板的剪切剛度。2.4 三種方法比較比較三種規(guī)范中對(duì)雙角鋼十字組合構(gòu)件的計(jì)算規(guī)定比較見(jiàn)下表1：表1 不同鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范比較table 1 comparison among different steel structure design codes規(guī)范名稱關(guān)于填板的規(guī)定關(guān)于剪力的規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范gb50017-2003 未明確填板形式。填板間的距離滿足：受壓構(gòu)件，不應(yīng)超過(guò)40，受拉構(gòu)件，不應(yīng)超過(guò)80時(shí)，可按實(shí)腹式構(gòu)件

8、進(jìn)行計(jì)算。構(gòu)件上全長(zhǎng)按英國(guó)規(guī)范bs8100-3:1999 需采用十字填板。當(dāng)采用間斷連接時(shí)，應(yīng)按來(lái)修正組合構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比，來(lái)考慮由于剪力引起的變形影響。橫向剪力不小于組合角鋼所能承受的最大軸向荷載的2.5%。填板應(yīng)根據(jù)該剪力在填板面上的分量，再加上其它由于自重和組合構(gòu)件風(fēng)荷所引起的橫向剪力進(jìn)行設(shè)計(jì)。歐洲規(guī)范eurocode 3 需采用十字填板。當(dāng)十字填板的最大間距在以內(nèi)時(shí)，可視為整體構(gòu)件來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度校核。 角鋼肢、填板和其連接應(yīng)按組合構(gòu)件端部和跨中的實(shí)際彎矩、剪力和軸力來(lái)校核3、填板設(shè)計(jì)方法建議3.1 填板和螺栓承受的剪力對(duì)于圖3所示的雙角鋼十字組合，兩角鋼在繞虛軸軸彎曲時(shí)，一側(cè)角鋼在彎矩作用下受

9、壓，一側(cè)受拉（不考慮軸向壓力的作用）。彎矩在相鄰橫截面上引起的應(yīng)力不相等，故左右兩角鋼有發(fā)生縱向錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì)，因此連接螺栓承受剪力。如果螺栓沿構(gòu)件長(zhǎng)度等間距s設(shè)置，則每個(gè)連接面的螺栓承受的剪力為1-1截面和2-2截面上壓力（或拉力）之差，即。（1）彎矩計(jì)算軸心受壓構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)，構(gòu)件將發(fā)生彎曲。設(shè)構(gòu)件彎曲后為如圖3（e）所示的正弦半波曲線， 則： (1)。按邊緣屈服準(zhǔn)則： (2)令 、 代入式4-2，可得： （3）將和式4-3代入式4-1，得： （4）式中：穩(wěn)定系數(shù)，由規(guī)范b類截面的表查得；構(gòu)件橫截面邊緣離中和軸的最大距離；截面的回轉(zhuǎn)半徑。（2）剪力計(jì)算根據(jù)材料力學(xué)公式，可知距支座為的截面上距中和軸

10、距離為的任一點(diǎn)處正應(yīng)力為：。當(dāng)繞軸彎曲時(shí)，可得：同理， ） （5）將式4-4代入式4-5，可得： （6）取，已知，令，則。對(duì)圖3（e）所示的正弦半波曲線，當(dāng)、點(diǎn)均在曲線的同一上升段或下降段時(shí)，將取得最大值。根據(jù)規(guī)范要求，受壓構(gòu)件兩側(cè)向支撐間的填板數(shù)量不得少于兩個(gè)?？梢?jiàn)，當(dāng)時(shí)，有最大值，代入式4-6進(jìn)行分析，得： （4-7）式中， 為組合截面繞軸的慣性矩，為單角鋼繞軸的慣性矩。此處未按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范gb50017-2003中規(guī)定的構(gòu)件剪力值來(lái)推導(dǎo)填板中的剪力。因?yàn)殇撘?guī)中剪力為圖3（e）中的正弦半波曲線中豎向荷載p的沿軸線的最大法向分力，實(shí)際只有組合構(gòu)件兩端才有該最大剪力，其余部位均小于該值。鑒于

11、在關(guān)于組合構(gòu)件填板受力有限元分析結(jié)果及相關(guān)試驗(yàn)中測(cè)（算）得的填板中應(yīng)力較小，因此本文根據(jù)精確法來(lái)推導(dǎo)填板中的實(shí)際剪力。3.2螺栓計(jì)算（這里僅考慮剪切計(jì)算） 由于剪力通過(guò)填板及其連接螺栓來(lái)傳遞，在填板上引起剪力和彎矩（反彎點(diǎn)在填板中心處，見(jiàn)圖3（c）中軸），因此，對(duì)于填板上的所有連接螺栓來(lái)說(shuō)，既要直接承擔(dān)中性層位置的剪力，也要承擔(dān)由此中性層到螺栓群形心的距離所產(chǎn)生的扭矩，為螺栓群中心到填板中心的距離。若每個(gè)角鋼肢上的連接螺栓個(gè)數(shù)為n（十字填板為2n），則離螺栓形心最遠(yuǎn)一個(gè)螺栓所承受的剪力分為以下幾項(xiàng)：（1）剪力在每個(gè)螺栓上產(chǎn)生的剪應(yīng)力為，；（2）若以螺栓群中心為原點(diǎn)，在填板所在平面內(nèi)，沿與角鋼軸

12、線垂直的方向?yàn)檩S，順角鋼軸線為軸，所形成的局部坐標(biāo)系內(nèi)，距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的螺栓在軸方向所受剪力為，；（3）在（2）所述的坐標(biāo)系內(nèi)，距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的螺栓在軸方向所受剪力為，；對(duì)（1）、（2）和（3）所得的剪力求和，即可得到離螺栓形心最遠(yuǎn)一個(gè)螺栓所承受的全部剪力值， 且，。式中，為螺栓直徑，為螺栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。3.3 填板計(jì)算填板主要承受中性層的剪力彎曲和剪切作用，按如下公式計(jì)算：（1）填板所受彎曲正應(yīng)力為：，為填板斷面的慣性矩，為距填板形心較遠(yuǎn)的高度。（2）填板所受剪應(yīng)力為：，為填板的半個(gè)斷面對(duì)形心的面積矩?？紤]到填板支承在兩角鋼上，支座處的角鋼會(huì)分擔(dān)部分該處填板所承擔(dān)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，故、的計(jì)算都未考慮螺栓孔的影響。參考文獻(xiàn)：1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范gb500172003；2、架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定dl/t 51542002；3、lattice towers and mastsbs 8100-3:1999；4、英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范 bs5950；5、erocode 3part 1-1 general structure rules ，part 7-1 towers, masts and chi