l形钢管混凝土柱加强环式节点的传力机理和设计方法探讨.pdf

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编号:20181110221219718206    类型:共享资源    大小:201.27KB    格式:PDF    上传时间:2019-02-16
  
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形钢管混凝土柱 加强环式 机理和 节点的 钢管混凝土柱 节点的设计方法 混凝土环 混凝土 钢管与 钢管混凝土柱与 与钢管混凝土柱 形的环 传力机理 加强环式节点的 钢管混凝土 加强环节点 节点设计 节点的设计
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L形钢管混凝土柱加强环式节点的传力机理和设计方法探讨 许昱 (广州市公共安全技术研究所’ 摘要:L形钢管混凝土结构由于各种优点在工程中得到了广泛的应用,但 相比成熟的柱身理论,节点的研究珲论并不多。本文综合已有相关研究成果, 总结分析其受力机理和设计方法,并提出了一些改善节点性能的构造要求。 关键词:L形钢管混凝土柱节点加强环受力机理设计方法构 造要求 0引言 L形钢管混凝土柱有着对建筑平面适应性强、成型条件好、连接 方便等优点,其应用前景广阔…,特别是在多层地下室逆作法施工中 的应用效果极佳12],应用带约束拉杆的L形钢管混凝土柱作为逆作 法施工的竖向支撑构件,其后还可作为剪力墙的暗柱永久使用,可减 少支撑数量、缩短工期,其经济效益显著。因此,异型钢管混凝土柱正 日益收到工程界的重视,高层建筑、重型结构等领域对异型钢管混凝 土柱的研究提出了越来越紧迫的要求。从国内外已有的参考文献来 看,L形钢管混凝土柱一般采用加强环式节点,但迄今为止,还没有 一套较为完善和公认的截面设计方法。本文从工程实用设计的角度 出发,综合分析该型节点的受力机理,分析节点刚度和承载力的各种 影响因素,改进节点实用设计方法和构造要求,以供设计参考。 1受力机理 加强环式节点一般用于钢梁与钢管混凝土柱的连接接头,其受 力机理相当明确,梁端弯矩形成的拉压力由上下加强环板承担,并向 钢管柱传递。受拉加强环是节点承担弯矩的关键,如果拉力直接作用 在钢管壁上,钢管壁将处于平面外的受力状态,而钢管壁的厚度有 限,其面外刚度较差,所以将产生较大的局部变形,导致钢管壁向外 鼓起,甚至撕裂。设置了水平受拉加强环后,拉环在拉力的作用下处 于平面内受力状态,钢板在平面内具有很大的刚度,从而减小了钢管 壁的局部变形。在工作时,钢管柱由于环板的约束获得了加强,同时 钢管壁将以拉环翼缘的形式参与拉环的工作,使拉环也得到了加强。 对于受压加强环,由于核心混凝土具有很强的约束作用,钢管壁 在压力的作用下将不会产生较大的局部变形,所以如压力不很大时, 可不设加强环,把翼缘直接焊接在钢管上即可。当梁端有正号和负号 弯矩作用时,此加强环不能省,必须设置上下加强环。 梁端剪力通过牛腿腹板的垂直焊缝传递给钢管柱,再通过钢管 0 图1垂直剪力的传递 与混凝土之间的粘结作用,逐渐 地传入核心混凝土。通常假设粘 结力沿450的a-a线以下为均 匀分布(见图1),如到焊缝下端 传入混凝土的总剪力小于核心混 凝土承担的剪力,则焊缝下端 B—B截面处的钢管将会超载,需 往下再经过一定距离,截面应力 才趋于均匀分布。因此,B—B截 面处钢管应力大,属于危险截面。 但试验pi证明,由于钢管发展塑性 变形后,截面不会发生破坏,故不 需验算B一8危险截面的强度。当 B点处设置了加强环后,危险截面下移,更不需验算强度。 2设计方法 L形柱节点外加强环板的截面设计, 应根据与钢梁翼缘等强的原则确定141。其 环板厚度f,不应小于梁翼缘的厚度;环板 的自由外伸宽度6。是根据最薄弱部位与 梁轴成450,且不考虑钢管的作用,由等 强静力平衡条件得出的。示意图见图2。 如图所示,由静力平衡条件有:胜y=艺弘=o.7Ⅳ (1) 而Ⅳ=0 0■,P=b,t,五由此有:6, 159 / \ 北:j、一L一,审s。“l l、。 吖? f{,? 2 围2拉板的内力平衡 D.7所 (2) 式中:6,一钢梁翼缘宽度; 扛一钢梁翼缘厚度; ■一钢材的强度设计值。 由此确定环板的自由外伸宽度6,≥O.7b,o环板与柱相连,当采用 完全焊透的坡口对接焊缝连接时,可视焊缝与母材等强而不必进行 焊缝的强度计算;当采用双面角焊缝连接时,应按与柱相连的梁翼缘 截面面积的等强度条件来确定,此时可近视地按下列公式计算角焊 缝的焊脚尺寸颤旧归盍‰ ‘3) 式中:6,、吁一钢梁翼缘宽度和厚度i D一柱的截面宽度: 五一钢材的强度设计值: .∥一角焊缝的抗拉强度设计值。 图3 L形枝加强环板示意图 3钢管壁抗剪设计 上下加强环间的竖直钢板,是将梁端的剪力传给管壁之用。当系 钢梁时,竖直钢板应占满上下翼缘板之间;当采用钢筋混凝土梁时, 竖直钢板宣离开上加强环一段距离;对现浇混凝土,竖直钢板的宽度 视钢筋混凝土梁中抗剪钢筋搭接焊接的需要而定。由竖直钢板经焊 缝传给管壁的剪应力,按下式验算131: T=≮卜Jg五篡面劬 (4) 式中:矿。一梁端的最大剪力: h,、t,一梁端腹板或牛腿腹板的高度和厚度; ’ l一钢管壁的厚度; 九,一角焊缝的焊脚尺寸i 尺一钢管内半径,即核心混凝土的外半径; £一钢管壁钢材的抗剪强度设计值。 式中的D.6y~是考虑部分剪力经粘结力逐步传给核心混凝±,18赢万是考虑剪力分布的不均匀系数。 牛腿或钢梁腹板与钢管壁的角焊缝按下式验算: 7,2)蒿开嘞 (5) 式中:坼一角焊缝焊脚尺寸: 艺Z。~角焊缝计算总长度,每根焊缝的实际长度减去10mmi ‘,一角焊缝的抗剪强度设计值。 4构造要求 为满足L形柱节点的设计要求,避免节点区的提前破坏,真正 达到“强柱弱梁,节点最强”的标准,需满足下面一系列的构造要求, 改善节点区环板的设置。 4.1为避免产生严重的应力集中现象,加强环板应沿柱身全截 面布置,环板的设计参照上述设计方法。另外远离梁端翼缘处的加强 环板宽度6,应满足b≥11抱b.161。 万方数据 关于公路桥头跳车问题探讨 康二刚 (承德交通勘察设计院有限公司) 摘要:公路桥头跳车原因分析及防治措施 关键词:公路桥头跳车探讨 O引言 随着近几年经济发展,国家加大对基础设施建设力度,我市公路 建设取得了突飞猛进成绩,投入营运的高等级公路越来越多,截止到 2004年底我市二级以上公路已达972公里。但从使用情况上看,出 现了桥头跳车这个较为普遍问题,尤其在一些软土地基地方更为严 重,给养护部门带来了很大困难。如承围公路围场庙宫水库两座高架 桥,101线平泉至许杖子段连续两座拱桥,桥头跳车现象严重,高差 达5—8cm,影响了行车舒适与安全。因此,探讨桥头跳车问题,对此 进行综合分析,对我市养护部门、施工管理部门及设计部门有较现实 的意义。 1桥头跳车原因分析 1.1地基沉陷 土质不良,由此产生沉陷是桥头跳车的主要原因。桥涵通常位于 沟壑地方,地下水位较高,桥墩台地带多有软土,此类土天然含水量 大于液限,天然孑L隙比大,常含有机质,压缩性高,抗剪强度低,一旦 受到扰动,天然结构易受破坏,强度便显著降低,桥头路基填筑高度 较大,产生基底应力相对较大,在车辆荷载作用下,更容易引起地基 沉陷,且变形稳定历时往往持续数年乃至数十年。就是在一些稳定地 基,在外荷作用下,也无可避免出现这个问题。 1.2压缩沉降 台后填料一般为渗透性材料,存在着多孔隙,加上施工时受施 工作业方面影响,压实机具不能过分靠近接触台背,不能将填料颗 粒间孔隙完全消除,在车辆荷载和自身重力作用下,填料迅速压缩, 孔隙率降低,便在短时间内产生压缩沉降,造成跳车。在工程实践 中,就是施工时工序符合要求,压实度达到要求,但台后填土较高, 随着时间推移,也会产生不可避免沉降。有时台后填土荷载对基底 产生附加压力,严重时会使桥台向后倾斜,发生不均匀下沉,危及行 车安全。 1.3措施不当 当前一些施工队盲目追求高速度,没有严格按施工规程作业,台 背填土速度过快,对地基造成扰动和破坏,没有充分时间固结,对台 背挡土墙等构造物挤压力大,施工时没有严格按分层填筑、分层碾 压、分层检测方法施工。用料没有把好质量关,排水措施没有做好,压 实度没有达到要求。这些人为因素使高填土引道不稳定,工后沉降 大,且不均匀,是造成跳车现象主要原因之一。 1.4结构突变 桥台与台背路面在结构上存在着差异,桥台由于巨大建筑作用, 加上基础处理较好,一般认为沉降已经完成,可视为刚性体系。而与 之连接的路面结构多为柔性或半刚性路面体系,在车辆荷载作用下, 路面的垫层、基层及面层密实度迅速增加,结构层压缩,相对于桥台 而言,产生较大向下位移,相对沉降就不可避免出现,造成跳车,进而 使路面结构遭到破坏,跳车现象越发严重。 1.5设计不周 一般来讲,通过外业的详细调查,对于大中桥位的地质情况都会 予充分考虑,采取相应的工程措施,如设置桥头搭板、台背换填,涉及 路基填方时,地基承载力不够的情况下采用基底换填或填前夯实等。 应该引起注意的是,由于受工作量及地形等多方面因素影响,目前小 桥涵的地质情况设计时并未加以认真考虑,使得基底承载力不够的 小桥涵在设计上存在隐患。 2桥头跳车病害防治措施探讨 2.1处理好台后地基 处理好台后软弱地基是控制桥头跳车重要措施。对软弱地基处 理,现在国内有换填法、超载预压、塑料排水板、粉喷桩复合地基等常 用方法。就相关材料及统计资料情况看,水泥粉喷桩复合地基加固软 土效果明显,施工工期短,但费用高:超载预压一般可利用施工荷载 作为软基预压荷载,但施工工期较长,剩余沉降量也大;塑料排水板 法加固效果好,工期较短,施工简单,经验较为成熟,是目前处理软基 较为常用方法。根据施工时实际情况,加以应用,使地基承载能力满 足设计要求。受造价约束,一般情况可设置过渡性路面,加强养护补 强措施,待沉降后再改铺原设计路面,常用过渡性路面有预制水泥砼 块、沥青过渡层等,都是解决好桥头跳车有效办法。 2.2对接头处路面进行处理 桥台到路基结构是不同体系,因此,如何消除和减少结构突变影 响,使两个对接性质不同体系在抗垂直形变上能平顺过渡,是主要考 虑方面。对连接沥青路面,则在桥台处增设增变厚式水泥混凝土埋板 (桥头搭板),对连接水泥混凝上路面,则将连接处路面板改为变厚 式。我们还应注意,混凝土路面同桥梁相接处,最好是设置钢筋混凝 土搭板。搭板一端放在桥台上,并加设防滑锚固钢筋和在搭板上预留 灌浆孔。合理地使体系逐渐过渡,避免出现结构突变点,尽量避免由 于沥青路面难以碾压密实而沉陷和出现拥包。 2.3严格控制施工 合理安排好施工计划,施工时符合规定,是有效减少桥头跳车关 键,应遵循“早开工,工期长一点”原则进行,控制好填料质量,尽量采 用轻型材料,渗水性好填料。控制好每层填筑厚度,碾压遍数,并对每 层填筑质量实施检测,特别是控制好压实度。台背处填土应尽量与桥 台砌筑协调进行,尽量使这些不易碾压地方密实度达到要求,台背后 最好按一坡度设置泄水盲沟,沟底用粘上夯实,以利排水。这样,才能 更好减少病害。 3结语 对桥头跳车问题讨论,大家都有很见解,我个人认为设计部门、 施工部门和养护部门尽力协调,针对不同原因,提出方案,合理缩小 造价和缩短施工期,才能有效地避免桥头跳车病害产生,有效地改善 行车条件,促进我市公路建设上一台阶,带动承德经济发展。 参考文献: 【1】公路施工手册《桥涵.人民交通出版社.1985. 【2】方福森《路面工程.人民交通出版社.1990. (上接第159页) 4.2角焊缝相对于对接焊缝来说,其应力集中现象严重,静力强 度和疲劳强度都较低用。故对于加强环板与梁翼缘之间应采用对接 焊缝平接连接。 4.3避免梁翼缘与加强环板的直角连接,其连接角度e一300 旧,以防止连接处产生严重的应力集中现象。 5结论 本文总结分析了L形钢管混凝土柱加强环式节点的受力机理 和设计方法,提出一些改善节点受力性能的构造要求,为目后L形 乃至异型钢管混凝土柱在工程中的进一步应用研究的进一步研究奠 定了基础。 参考文献: 【1 I韩林海.钢管混凝土结构北京:科学出版社2000. 【2】陈星,叶群英,罗赤宇,陈宗弼.广州新中国大厦基础及地下部分结构设 计【A】.第十五届全国高层建筑结构学术交流会论文集lC】.1 999年4月. 13】钟善桐.钢管混凝土结构(第三版).北京:清华大学出版社.2003. f4】支U大海,杨翠如.高楼钢结构设计一E京.中目建筑工业出版社.2003. 【5】李和华.钢结构连接节点设计手册.北京.中国建筑工业出版社.1992. f6]J.A.Packer,J.E.Henderson.空心管结构连接设计指南,曹俊杰译.北 京:科学出版社,1997 【7】梁启智,王仕统,林道勤..钢结构..广州.华南理工大学出版社.2001. 160 万方数据
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