格構(gòu)柱的設(shè)計(jì)與分析

關(guān)鍵詞：格構(gòu)柱 設(shè)計(jì) 雙槽鋼 綴板 

　　格構(gòu)柱屬于壓彎構(gòu)件，多用于廠房框架柱和獨(dú)立柱，優(yōu)點(diǎn)在于很好的節(jié)約材料；截面一般為型鋼或鋼板設(shè)計(jì)成雙軸對(duì)稱或單軸對(duì)稱的截面。格構(gòu)體系構(gòu)件由肢件和綴材組成。格構(gòu)柱可能是主要的應(yīng)用形式，有綴條柱和綴板柱。格構(gòu)柱的主要思想是：將材料面積向距離慣性軸遠(yuǎn)的地方布置，能保證相同軸向抗力條件下增強(qiáng)構(gòu)件抗彎性能，并且節(jié)省材料。格構(gòu)式受壓構(gòu)件分肢通常采用槽鋼和工字鋼，構(gòu)件截面具有對(duì)稱軸。當(dāng)構(gòu)件軸心受壓?jiǎn)适д�體穩(wěn)定時(shí)，不大可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)屈曲和彎扭屈曲，往往發(fā)生繞截面主軸的彎曲屈曲。因此計(jì)算格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定時(shí)，只需計(jì)算繞截面實(shí)軸和虛軸抵抗彎曲屈曲的能力。格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件繞實(shí)軸的彎曲屈曲情況與實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件沒有區(qū)別，因此其整體穩(wěn)定計(jì)算也相同，可按b類截面進(jìn)行計(jì)算。 

　　格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的分肢既是組成整體截面的一部分，在綴件節(jié)點(diǎn)之間又是一個(gè)單獨(dú)的實(shí)腹式受壓構(gòu)件。所以，對(duì)格構(gòu)式構(gòu)件除需作為整體計(jì)算其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定外，還應(yīng)計(jì)算各分肢的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定，且應(yīng)保證各分肢失穩(wěn)不先于格構(gòu)式構(gòu)件整體失穩(wěn)。 

　　格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的分肢承受壓力，應(yīng)進(jìn)行板件的局部穩(wěn)定計(jì)算。分肢常采用軋制型鋼，其翼緣和腹板一般都能滿足局部穩(wěn)定要求。 

　　當(dāng)綴件采用綴條時(shí)，格構(gòu)式構(gòu)件的每個(gè)綴件面如同綴條與構(gòu)件分肢組成的平行弦桁架體系，綴條可看作桁架的腹桿，其內(nèi)力可按鉸接桁架進(jìn)行分析。 

　　為了提高格構(gòu)式構(gòu)件的抗扭剛度，保證運(yùn)輸和安裝過程中截面幾何形狀不變，以及傳遞必要的內(nèi)力，在受有較大水平力處和每個(gè)運(yùn)送單元的兩端，應(yīng)設(shè)置橫隔，構(gòu)件較長(zhǎng)時(shí)還應(yīng)設(shè)置中間橫隔。橫隔的間距不得大于構(gòu)件截面較大寬度的9倍或8 m。 

　　1 格構(gòu)柱的設(shè)計(jì)步驟 

　　（1）格構(gòu)柱的設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：①選擇截面形式，確定鋼號(hào)。②估算截面尺寸，估算計(jì)算長(zhǎng)度，計(jì)算內(nèi)力。③驗(yàn)算強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定性、分肢穩(wěn)定性、綴材計(jì)算。 

　　（2）強(qiáng)度計(jì)算：繞虛軸（x軸）彎曲不考慮塑性發(fā)展 

　　。 

　　（3）剛度驗(yàn)算：繞虛軸（x軸）換算長(zhǎng)細(xì)比λ0x<[λ]。 

　　（4）整體穩(wěn)定性包括平面內(nèi)的穩(wěn)定性和平面外的穩(wěn)定性。 

　�、購澗乩@虛軸（x軸）作用①平面內(nèi)穩(wěn)定性 

　　格構(gòu)柱中部是空心的，發(fā)展塑性變形潛力不大，γx=1.0 用換算長(zhǎng)細(xì)比λ0x 計(jì)算φx，NEX ，為較大受壓分肢的軸線或腹板外邊緣到x軸的距離，取其較大者。 

　　槽鋼翼緣肢尖向內(nèi)（a）y0：從x軸到較大壓力柱肢腹板邊緣距離。槽鋼翼緣肢尖向外（b）y0：從x軸到較大壓力柱肢軸線距離（考慮部分發(fā)展塑性）。 

　　②彎矩繞虛軸作用的壓彎構(gòu)件，在彎矩作用平面外的整體穩(wěn)定性一般由單肢的穩(wěn)定計(jì)算得到保證，不必再驗(yàn)算整個(gè)構(gòu)件在平面外整體穩(wěn)定性。 

　�、鄯种�穩(wěn)定性計(jì)算 

　　按軸心壓桿計(jì)算繞自身兩個(gè)主軸的穩(wěn)定性分肢在平面內(nèi)的計(jì)算長(zhǎng)度取相鄰綴條節(jié)間的距離，平面外計(jì)算長(zhǎng)度取整個(gè)構(gòu)件側(cè)向支撐點(diǎn)距離：繞1-1軸：計(jì)算長(zhǎng)度L01=綴條節(jié)間距離，繞y-y軸：計(jì)算長(zhǎng)度 L0y=側(cè)向支撐間距， 彎矩繞實(shí)軸（y軸）作用：①平面內(nèi)穩(wěn)定性計(jì)算與實(shí)腹式相同 

　　②平面外穩(wěn)定性計(jì)算與實(shí)腹式相同，用換算長(zhǎng)細(xì)比λ0x計(jì)算φx，取φb=1 

　�、芫Y條計(jì)算 

　　按照《鋼規(guī)》5.1.6條柱的剪力：，每個(gè)綴材平面內(nèi)的剪力：。綴條時(shí)，綴條強(qiáng)度需滿足：，長(zhǎng)細(xì)比。 

　　綴板時(shí)一般受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，但因剪力彎矩較小可按構(gòu)造設(shè)計(jì)。綴板構(gòu)造設(shè)計(jì)要點(diǎn)：同一截面處綴板（或采用型鋼的橫桿）線剛度之和不得小于柱肢線剛度的6倍。如果柱截面接近正方形，且x和y方向的長(zhǎng)細(xì)比又接近相等時(shí)，可取b1≥2a/3，t≥a/40且≥6 mm，b1-綴板寬度，a-肢件間距離（形心軸至形心軸），t-綴板厚度。綴板用角焊縫與柱肢連接，搭接長(zhǎng)度20～30 cm。應(yīng)設(shè)置橫隔，間距不大于8 m且不大于桿件較大寬度的9倍，每個(gè)運(yùn)送單元不少于2個(gè)。 

　　2 實(shí)例計(jì)算 

　　某工程一綴板式雙肢槽鋼格構(gòu)式柱，柱高6 m，兩端鉸接，柱頂軸力設(shè)計(jì)值1450 kN，采用Q235B鋼材，屈服強(qiáng)度f=215 N/m2， 

　　抗剪強(qiáng)度fv=125 N/mm2，彈性模量E=2.06e5 N/mm2。 

　　2.1 按實(shí)軸（y軸）的穩(wěn)定條件確定分肢截面尺寸 

　　假定，按Q345鋼b類截面從附表4.2查得φ=0.863。所需截面面積和回轉(zhuǎn)半徑分別為：，初選 

　　2[18b，截面形式如圖所示。實(shí)際A=2×29.3=58.6cm2，iy=6.84cm，i1=1.95cm，Z0=1.84cm，I1=111cm4。驗(yàn)算繞實(shí)軸穩(wěn)定：，滿足。查表得φ=0.841（b類截面）。，滿足。 

　　2.2 按繞虛軸（x軸）的穩(wěn)定條件確定分肢間距 

　　取λ1=22，基本滿足λ1<0.5λmax=0.5×43.86=21.93且不大于40的分肢穩(wěn)定要求。按等穩(wěn)定原則λox=λy，得： 

　　取h=32cm 

　　兩槽鋼翼緣間凈距=320-2×70=180 mm>100 mm，滿足構(gòu)造要求。 

　　驗(yàn)算虛軸穩(wěn)定：綴板凈距 

　　，取43 cm。 

　　查表得φ=0.826（b類截面）。 

　　λmax=47.43，λ1=22.05<0.5λmax=23.72和40，滿足規(guī)范規(guī)定。所以無須驗(yàn)算分肢剛度、強(qiáng)度和整體穩(wěn)定；分肢采用型鋼，也不必驗(yàn)算其局部穩(wěn)定。至此可以認(rèn)為所選截面滿意。 

　　2.3 綴板設(shè)計(jì) 

　　初選綴板尺寸：縱向高度hb>2c/3，=2×28.32/3=18.88 cm，厚度t b>c/40=28.32/40=0.71，取h b x t b=200×8。 

　　相鄰綴板凈距l(xiāng)01=43cm，相鄰綴板中心距L1=L01+hb=43+20=63cm

　　柱的剪力V=26313N，每個(gè)綴板面剪力V1=13157 N 

　　彎矩Mb1=V1L1/2=13157×63/2=414446 N*cm 

　　剪力 Vb1= V1L1/c=13157×63/28.32=29269 N 

　　滿足綴板的要求。 

　　2.4 綴板焊縫計(jì)算： 

　　采用三面周圍角焊縫。計(jì)算時(shí)可偏于安全的僅考慮端部縱向焊縫，按構(gòu)造要求取焊縫尺寸hf=6 mm，lw=200 mm。則Ar=0.7×0.6×20=8.4cm2， 

　　Wr=1/6×0.7×0.6×202=28cm3在彎矩Mb1和剪力Vb1共同作用下焊縫的應(yīng)力為： 

　　參考文獻(xiàn) 

　　[1] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京，科學(xué)出版社，1987：91-95. 

　　[2] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）及條文說明[M].北京，中國計(jì)劃出版社，2009.