薛 丹

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 概述

焊接工字鋼已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)框架中,但是以焊接工字鋼作為桁架桿件的設(shè)計(jì)實(shí)例并不多見,且現(xiàn)行規(guī)范對其節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)構(gòu)造及計(jì)算也無明確的規(guī)定。北京動車段檢修庫及邊跨工程結(jié)合自身特點(diǎn)選用了腹板平放的 H型焊接工字鋼作為鋼桁架的弦桿及腹桿。本研究擬對 H型焊接工字鋼屋架在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題提出看法,并提供范例,供今后同類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。

新建北京動車段檢修庫及邊跨工程總建筑面積為82810m2,整個(gè)工程包含了 2個(gè)獨(dú)立的檢修庫和 1個(gè)預(yù)留庫。屋架跨度最大為 48m,柱距為 9m。與以往檢修庫不同的是,此次工藝設(shè)計(jì)的檢修平臺,采用了懸掛吊平臺的方式,平臺通過吊桿作用于鋼桁架下弦,使得地面作業(yè)空間增大。但是,由于平臺自身荷載較大,且部分屋架下尚有吊車荷載,因此采取了不同于以往的屋架形式,結(jié)合自身具有大跨度且重懸掛的特點(diǎn),選用了平面外回轉(zhuǎn)半徑較大的腹板平放 H型焊接工字鋼作為鋼桁架弦桿及腹桿,并且第一次采用了節(jié)點(diǎn)板對接焊形式,使得整個(gè)屋架外觀整齊大方,承載力得到了很大提高。

新建北京動車段檢修庫及邊跨剖面如圖1所示。

圖1 檢修庫及邊跨剖面(單位:m)

2 H型鋼平面鋼桁架選型

傳統(tǒng)屋架一般采用雙角鋼拼接的 T型截面,適用于 18～36m跨度,其主要缺點(diǎn)是側(cè)向剛度小,受壓上弦構(gòu)件平面外穩(wěn)定性較差,往往需要設(shè)置支撐以使其穩(wěn)定達(dá)到要求。而對于本工程跨度大,承重高的特點(diǎn),顯然傳統(tǒng)屋架不能滿足其要求,因此對傳統(tǒng)屋架進(jìn)行部分改進(jìn)。由雙角鋼 T型到 H型鋼的演變過程如圖2所示。

從圖2(a)到圖2(d),桁(屋)架上弦平面外剛度依次增大,因此倒放 H型鋼截面較傳統(tǒng)雙角鋼截面更適合于大跨度建筑物的需要。而且,由于平面外剛度增加,從而達(dá)到減少水平支撐的目的。

圖2 由雙角鋼T型到H型鋼的演變過程

3 H型鋼平面桁架計(jì)算原理

H型鋼平面鋼桁架的二維計(jì)算采用的是 PKPM系列的STS模塊進(jìn)行計(jì)算。鋼桁架上下弦采用焊接工字鋼 H300×250×12×14,腹桿工字鋼高度采用同弦桿高度,保證外觀平整光滑。

48m及 44m鋼桁架計(jì)算簡圖如圖3、圖4所示。

圖4 44m鋼桁架計(jì)算簡圖(單位:mm)

根據(jù)計(jì)算分析,大跨度鋼桁架截面選擇主要是由變形控制,故鋼材采用 Q345較 Q235更為合理。本工程考慮桁架下弦承受懸掛平臺及吊車等動荷載,因此需滿足撓度允許值為[Vt]=1/500,[Vq]=1/600。

本工程由于下弦吊掛荷載種類較多,因此在劃分節(jié)間時(shí)綜合考慮了各上序?qū)I(yè)需要,主要以吊掛平臺荷載為主,將荷載較大的吊掛平臺荷載作用于下弦節(jié)點(diǎn)上,吊車荷載及接觸網(wǎng)等荷載如不在節(jié)點(diǎn)處,均按節(jié)間荷載處理。

H型鋼平面鋼桁架的三維計(jì)算采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析,采用空間鋼結(jié)構(gòu)軟件 3D3S進(jìn)行校核。通過軟件對鋼桁架下吊掛設(shè)備及檢修平臺在地震作用下的動力特性及連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析。

4 H型鋼平面鋼桁架節(jié)點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題

傳統(tǒng)雙角鋼屋架節(jié)點(diǎn)板位于雙拼角鋼之間,而上下弦為分離式雙角鋼或者槽鋼,則需要在分開的短肢兩側(cè)分別焊接兩塊節(jié)點(diǎn)板,每一塊節(jié)點(diǎn)板分別連接各自對稱的角鋼腹桿。

本次設(shè)計(jì)與以往不同,由于腹桿改用 H型鋼,在弦桿兩層貼焊兩塊節(jié)點(diǎn)板顯得過于浪費(fèi),因此本工程節(jié)點(diǎn)板并非貼焊在桿件外側(cè),而是與弦桿及腹桿的翼緣直接對接焊接,使得整個(gè)外表面平整光滑,美觀經(jīng)濟(jì)。

弦桿為分離式雙角鋼、槽鋼及 H型鋼桁架剖面見圖5。

圖5 弦桿為分離式雙角鋼、槽鋼及H型鋼桁架剖面

由于弦桿 H型鋼與腹桿 H型鋼采用翼緣對接焊,而腹桿的腹板與節(jié)點(diǎn)板采用角焊縫,因此,焊縫計(jì)算原理如下。

計(jì)算翼緣等強(qiáng)對接焊縫公式

N=2×t×b×f

式中 N——對接焊縫處軸心拉力或壓力;

t——翼緣厚度 ;

b——翼緣寬度;

f——鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

計(jì)算腹板角焊縫公式

Lw=N÷(4×0.7×hf×ffw)

式中 Lw——角焊縫計(jì)算長度;

hf——角焊縫高度;

ffw——角焊縫的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。鋼屋架的桿件所有對接焊縫要求焊縫等級為一級。

原設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)如圖6所示,考慮將腹桿的腹板延長,與節(jié)點(diǎn)板之間采用角焊縫。但是在施工下弦腹桿節(jié)點(diǎn)過程中卻遇到了問題。

圖6 節(jié)點(diǎn)拼接示意

由于鋼桁架斜腹板夾角偏小,使得在節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi),兩腹板最近距離只有不到 50mm,而連接長度偏長,導(dǎo)致部分角焊縫將無法施焊。經(jīng)過和施工單位共同討論后,原設(shè)計(jì)修改為如圖7所示:節(jié)點(diǎn)區(qū)中間豎腹桿腹板伸至與之連接的弦桿處,腹板與上下節(jié)點(diǎn)板均采用角焊縫連接;將兩邊斜腹桿腹板在節(jié)點(diǎn)區(qū)的連接長度縮短,其與上下節(jié)點(diǎn)板的連接采用 T形對接加角焊縫的組合焊縫連接形式,該組合焊縫與腹板承載力等強(qiáng)。此處 T形對接焊采用部分熔透焊,承擔(dān)總軸力的70%,單面角焊縫承擔(dān)總軸力的 30%,連接長度 L2按角焊縫連接確定,同時(shí)需滿足節(jié)點(diǎn)板的局部穩(wěn)定。

圖7 修改后的下弦節(jié)點(diǎn)拼接示意(單位:mm)

在原有設(shè)計(jì)中,節(jié)點(diǎn)板與弦桿交接處均為尖角(見圖6中節(jié)點(diǎn)板),而該節(jié)點(diǎn)板與弦桿連接均為等強(qiáng)對接焊,連接板均需打坡口才能與弦桿對焊。因此,這將導(dǎo)致連接板尖角處打坡口后此處尖角被切掉。經(jīng)過和施工單位進(jìn)一步討論之后,將節(jié)點(diǎn)板尖角處改成有15mm左右的鈍角就可以解決這一問題,見圖8。

圖8 節(jié)點(diǎn)板坡口處理(單位:mm)

5 天窗架設(shè)計(jì)

本工程天窗要求采用弧形陽光板,且天窗跨度比較大,因此計(jì)算模型按照門式剛架進(jìn)行計(jì)算(圖9),梁柱截面均采用 HW250×250。

傳統(tǒng)的天窗架柱腳一般采用螺栓連接,當(dāng)側(cè)柱底板寬度大于或者等于屋架上弦寬度時(shí),可改為垂直于屋架上弦焊接。

圖9 11m天窗架立面(單位:mm)

原設(shè)計(jì) H型鋼天窗架柱腳也為螺栓連接,而且由于上弦寬度比較大(寬度 B=300mm),因此采用圖10剖面所示設(shè)置,在上下翼緣之間焊制節(jié)點(diǎn)板 1,與天窗架側(cè)柱柱腳底板螺栓連接。但是在實(shí)際施工時(shí)發(fā)現(xiàn),由于腹板平放 H型鋼,寬度足夠,但是豎向深度 h=120mm比較淺,無法將螺栓放入定位,因此將此節(jié)點(diǎn)修改為側(cè)柱與上弦節(jié)點(diǎn)板直接焊接。

圖10 屋架上弦與天窗架側(cè)柱連接處(單位:mm)

6 結(jié)論

(1)H型鋼平面鋼桁架整體性較傳統(tǒng)屋架更好,比較適于懸掛吊平臺及屋架下電動單梁吊車荷載。但是由于規(guī)范沒有相關(guān)部分可以遵循,因此在設(shè)計(jì)及施工上,更需要經(jīng)驗(yàn)的積累。

(2)與 H型鋼平面鋼桁架相關(guān)的其他構(gòu)件設(shè)計(jì),多數(shù)可以參照現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),但是同時(shí)卻要結(jié)合H型鋼自身特點(diǎn)加以改進(jìn),注意設(shè)計(jì)與施工相結(jié)合。

(3)吊掛設(shè)備、檢修平臺對結(jié)構(gòu)的動力特性有較大影響,因此對今后大跨度懸掛吊荷載鋼桁架應(yīng)專門研究其動力特性。

[1] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊編輯委員會.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊?第 3版[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[2] 李星榮.鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊?第 2版[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[3] 建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造資料集編委會.建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造資料集?第 2版[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[4] GB50017— 2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.