鋼支撐與圍護連接節(jié)點的受力分析

鋼支撐與圍護連接節(jié)點的受力分析

近年來，鋼結構支撐體系在維護結構中得到了廣泛應用。對于支撐系統(tǒng)來說,其組成構件一方面需要保證符合設計要求,另一方面,各構件之間的節(jié)點連接情況也是保證整個系統(tǒng)支撐性能的重要環(huán)節(jié)。對于鋼結構支撐體系,其支撐構件與連接節(jié)點多采用拼裝式,而節(jié)點連接的設計與驗算,對整個系統(tǒng)起著重要的影響作用。目前,對于鋼支撐節(jié)點設計的研究相對較少,因此有必要對其進行研究分析,以滿足實際設計與施工的需要。1鋼筋混凝土支撐結構施工技術中的應用要求深基坑的支護體系由兩部分組成:一是圍護結構,二是基坑內的支撐系統(tǒng)。深基坑各類支撐系統(tǒng)既要輕巧,又需要足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性,這樣才能保證施工的安全性、經濟性和方便性,因此,支撐結構的設計是目前施工方案技術設計的一項重要內容。在深基坑的施工支護結構中,常用的支撐系統(tǒng)按其材料可以分為:鋼管支撐、型鋼支撐、鋼筋混凝土支撐、鋼和鋼筋混凝土的組合支撐等。這些支撐系統(tǒng)在實踐中都有各自的特點和不足之處:鋼支撐材料的消耗量小,可以施加預應力以合理地控制基坑變形。鋼支撐的架設、拆除速度較快,有利于縮短工期,但是鋼支撐系統(tǒng)的整體剛度較弱,由于要在兩個方向上施加預緊力,所以縱、橫桿之間的連接始終處于鉸接狀態(tài),形不成整體的剛接;鋼筋混凝土支撐結構整體剛度好、變形小、安全可靠,但其施工制做時間長于鋼支撐,且拆除工作比較繁重,材料的回收利用率低。鋼筋混凝土支撐因其現場澆筑的便利性和高可靠度,而在國內較廣泛地被采用,但就支撐結構的發(fā)展方向而言,更應推廣施工鋼支撐,同時提高支撐結構的施工水平。支撐結構體系由圍檁、支撐桿或支撐桁架、立柱、立柱樁等桿件組成。支撐結構的圍檁直接與圍檁護壁連接,圍檁護壁上的力,通過圍檁傳遞給支撐結構體系,因此圍檁的剛度對整個支撐結構的剛度影響很大,所以一般情況下,在設計中須注意圍檁桿件的加強。支撐桿是支撐結構中的主要受壓桿件,支撐桿相對于受荷面來說,有垂直于荷載面和傾斜于荷載面兩種。斜支撐桿應注意其和圍檁連接節(jié)點的力的平衡。支撐桿由于受自重和施工荷載的作用,是一種壓彎桿件,需在各受壓支撐桿件中增設三向束點構造以減短壓彎支撐桿件的計算長度,或將支撐桿設計成為支撐桁架,這將加強支撐桿件的剛度和穩(wěn)定性。支撐結構各桿件之間的連接,應按照傳力明確、剛度足夠、方便裝拆的原則進行設計。2地鐵車站工程中鋼支撐應用必要性目前常用的鋼支撐結構是鋼管支撐結構和型鋼支撐結構。這兩類支撐以其重量輕、剛度大、裝拆工作量小、可重復使用、材料消耗少的特點,而在國外被廣泛采用。但是我國建筑業(yè)的支撐桿件、附件配備還不夠充足,支撐節(jié)點間千斤頂和壓力計等預加軸力裝置及配件還不夠齊全,所以在基坑開挖工程中,除在地鐵車站長條形基坑中被廣泛采用外,在高層建筑地下大面積深基坑中較少使用。但對于已開始使用鋼支撐的高層建筑深大基坑項目,我們已從中取得有效控制變形的技術經驗。鋼支撐常用的材料有鋼管和型鋼兩種。鋼管多用φ609mm鋼管,有多種壁厚(10mm、12mm、14mm、16mm)可供選擇。型鋼支撐多用H型鋼,組合型鋼也可作為鋼支撐。其平面布置常用的有:對撐、角撐、邊桁架、邊框架、圓拱形撐等。一般情況下,對于平面形狀接近方形且尺寸不大的基坑,宜采用角撐;對于形狀接近方形但尺寸較大的基坑,宜采用環(huán)形、邊桁架支撐;對于長方形基坑,宜采用對撐或對撐加角撐。鋼結構的連接方法可分為焊縫連接、螺栓連接和鉚釘連接等。目前焊縫連接已取代鉚釘連接,成為鋼結構的主要連接方法,同時高強度螺栓在一些較大的安裝連接中也得到了較多的使用。3基坑節(jié)點形式鋼支撐在使用過程中,對于不同的圍護和基坑形式所采用的節(jié)點形式是不同的。以下對工程中常使用的一些接頭形式進行介紹,對其強度驗算和受力變形機理做一定研究。3.1型鋼安裝桿件承載力的計算方法計算中采用的鋼管為φ609mm、t=16mm的Q235圓形鋼管,H型鋼采用400mm×400mm×20mm規(guī)格,節(jié)點接頭連接采用角焊縫。其截面形狀與尺寸如圖1所示。由鋼結構設計規(guī)范,通過計算可以得到Q235圓形鋼管極限承載力和計算長度變化曲線,如圖2所示。圖3為400mm×400mm×20mmH型鋼極限承載力和計算長度關系曲線。通過對圖2、圖3的比較可以得出,鋼支撐桿件極限承載力,是隨著長度的增加而減小的。圖4為鋼支撐與地墻連接節(jié)點。我們在地墻與活絡頭連接處預埋鋼板,并將活絡頭或鋼管直接焊接在預埋鋼板上,在接頭處我們主要對焊縫進行驗算。圖5為鋼管斜支撐同地下連續(xù)墻節(jié)點。鋼管撐通過H型鋼焊接在地墻預埋鋼板上。3.2圍有限元分析鋼管支撐之間的連接形式如圖6所示,兩鋼管通過螺栓和中間法蘭進行連接,螺栓其固定作用,桿件軸向受壓。圖7為施加預應力鋼管支撐接頭,主要通過中間活絡頭中千斤頂對支撐施加預應力。圖中圍護結構采用圍護樁,支撐處加設鋼圍檁,圍檁由兩根平行H型鋼焊接而成,圍檁放置在在鋼牛腿上,鋼支撐的另一端則直接支撐在鋼圍檁上。根據上述兩種連接方式,本文運用ansys有限元計算軟件,對實際接頭進行簡化模擬計算。假設鋼管支撐軸向壓力為2000kN,計算模型如圖8所示。計算中對有活絡頭的一端,荷載采用面荷載,而沒有活絡頭的一端荷載平均加載到圓環(huán)形的所有節(jié)點上。計算結果如圖9、圖10所示。有活絡頭一端,最大變形值為4.435mm,出現在圍檁受壓區(qū)邊緣處。計算結果中最大應力出現在圍檁受壓區(qū)腹板處,大小為624N/mm2,遠遠超出鋼板的設計強度。該處很有可能會發(fā)生塑性變形,導致支撐體系的失效,因此實際使用中應引起足夠重視,對應力集中部位要進行有效的加強措施,在受壓區(qū)應加設加勁肋,即在平行型鋼腹板處加設一定量鋼板。圍檁采用加勁肋后模型如圖11所示,其變形和應力分布如圖12、圖13所示。通過計算可知,最大變形值為1.61mm,最大應力值為60.4N/mm2。比較后可以發(fā)現,通過加勁肋后鋼圍檁受壓處最大應力明顯減少,可以證明鋼圍檁設置加勁肋能有效提高圍檁的整體剛度,確保施工的安全可靠。3.3預埋鋼板應力分析圖14為鋼支撐斜撐支座。圖中角根據斜撐角度確定,采用厚的20mm鋼板制作,板與板之間滿焊,焊縫高度為10mm。對于該斜撐支座,我們通過ansys有限元數值計算軟件進行了模擬計算,焊縫處固接,與鋼管支撐接觸面采用環(huán)形均布荷載代替鋼管軸向壓力。計算過程中,取軸向壓力大小為2000kN,加載后支座變形和屈服應力如圖15、16所示:節(jié)點的最大變形值為1mm,出現在與鋼管支撐接觸面中心兩側。計算結果中,最大應力出現在與鋼管撐接觸面的上方和周圍,其大小為362N/mm2。由于在鋼板與預埋鋼板焊接處同樣存在著較大的應力,所以在實際使用中,也應引起足夠的重視,對應力集中部位應進行有效的加強措施。而支座的其余部分則變形較小,其應力值與最大應力相差了一個數量級左右。4鋼支撐節(jié)點的變形控制基坑設計與施工過程中(尤其是深大基坑),必須對支撐系統(tǒng)的各節(jié)點(特別是多支撐交匯的關鍵節(jié)點構造細節(jié))作深入分析和謹慎處理,以避免“一點失穩(wěn),全盤皆垮”的災害性事故。通過對基坑工程中常用的圍護結構、鋼管和型鋼支撐不同節(jié)點形式的分析,結合不同形式的節(jié)點受力變形數值計算模擬,以及對節(jié)點薄弱部位進行加強后的強度驗算,證明了鋼支撐同圍護之間的節(jié)點加強的必要性,使鋼支撐節(jié)點設計有了定量的依據。我們針對影響節(jié)點的受力變形因素,總結出了