鋼結構溫度應力釋放構造做法的研究★

馬衛華

鋼結構溫度應力釋放構造做法的研究★

馬衛華

概括了鋼結構解決常溫下溫度應力問題的措施,提出了在廠房縱向中部設置溫度應力釋放區,利用可滑動螺栓連接釋放溫度應力的構造做法,以有效減小溫度應力影響,滿足鋼結構連接的構造要求。

鋼結構,溫度應力,應力釋放

0 引言

建筑物處于自然環境中受到各種溫度變化的影響,當構件內部溫度變化所引起的膨脹或收縮受到約束時就要產生應力,即溫度應力。近年來,鋼結構在長度和高度方面都在不斷的增加,其溫度應力的影響也越來越明顯。通過恰當的構造做法來釋放溫度應力,是解決問題的方法之一。

1 解決溫度應力的措施

目前對一般鋼結構處理溫度應力的措施有四類：

1)結構的長、寬都在規范設定的范圍內時不考慮溫度效應;2)結構的長或寬較大時,通過增設伸縮縫來防止溫度應力的破壞;3)結構設計時,加乘一個安全系數來減小溫度應力所占荷載的比例;4)采用長圓孔結構來釋放溫度應力。

大多數工程采用伸縮縫來釋放溫度應力,但設置伸縮縫給建筑的防水、保溫帶來不利影響,而加乘安全系數的方法則主要是其大小不好確定,系數太大勢必加大主要構件的尺寸,增加建筑成本,系數太小則起不到很好的效果。

各國關于溫度作用取值的規定各不相同,且有的國家沒有明確規定,我國規范[1]針對不同類型的結構也只是規定了設置伸縮縫的間距要求。對于一些較特殊的結構形式,溫度作用的取值還處于探索階段。

2009年喬京生[2]等結合唐山某擬建超長鋼結構廠房,用ANSYS軟件進行了該廠房結構的溫度應力場及位移場的數值模擬分析,并對采用溫度應力釋放區的設計方案和設置溫度伸縮縫的方案進行了對比分析,結果顯示采用溫度應力釋放區能有效降低溫度應力的影響。

2 溫度應力釋放構造作法

2.1 基本思路

由于溫度應力的客觀存在,尤其在較長的溫度區段中溫度應力的聚集效應可能會造成結構的損壞,除了設置溫度伸縮縫的做法外,也可以在廠房中設置溫度應力釋放區,其基本思路是利用可滑動螺栓連接釋放溫度應力,進而減小溫度應力影響。

2.2 構造作法

首先在廠房縱向中部選取一榀適當的剛架,通過這榀剛架將廠房分為兩部分,然后將任一部分上的所有縱向構件與該榀剛架的連接節點都做成可滑動的節點,同時將該剛架上的屋面板、墻面板也處理成可以伸縮的構造,整個廠房結構在工作時可通過這些節點構造的滑動伸縮來釋放溫度應力。與該榀剛架相連的縱向構件主要有檁條墻梁、吊車梁等構件,這些構件與剛架的連接節點采用了長圓孔的做法,如圖 1所示。

由于屋面、墻面圍護板均為彩色壓型鋼板,自身變形能力強,吊車梁系統已考慮縱向伸縮,采用在構件上開長圓孔的做法可以滿足節點有足夠的滑動能力[4]。

設置長圓孔結構的孔長度,就要根據施工工藝和被長圓孔結構分為兩部分的縱向構件受溫后位移變化大小來確定,也就是設置伸縮縫時縫的寬度為長圓孔孔長度的最大值。

2.3 計算方法

為了模擬長圓孔結構的功能,在最值溫度下把帶長圓孔結構的縱向構件的彈性模量進行修改,這樣桿件成為彈性桿,桿兩端伸長量或縮短量就相當于長圓孔內螺栓的移動值。當設置長圓孔的長度為兩倍伸縮縫的寬度時,可知無論廠房在升溫最大還是降溫最大,帶長圓孔結構的縱向構件的應力大小接近零;當設置長圓孔的長度為零時,相當于不采取溫度應力釋放措施,廠房各構件的應力最大;當選擇以上兩種長度的中間值時,主要考慮結構的整體穩定性及各構件的內力的安全儲備。

長圓孔內的螺栓采用高強度摩擦型螺栓,強度等級為 8.8級,螺栓大小為M 20,Q235鋼干凈軋制摩擦面的抗滑移系數為 0.3,根據計算公式[3]的單個螺栓的摩擦力為：

聯系桿允許應力：Δσ=26.36MPa;允許變形：Δl=1.5mm。

其中,nf為傳力摩擦面數;μ為摩擦面的抗滑移系數;p為一個高強度螺栓的預拉力。

單個螺栓的摩擦力 67.5 kN,基本等于帶長圓孔結構的系桿最大軸力值 68.1 kN,此時兩端部剛架縱向位移值均為 0.012m。

考慮結構升溫或降溫 10℃時,長圓孔中螺栓不移動的情況,此時帶長圓孔結構的系桿最大軸力為 145.4 kN,位置為邊跨處的聯系桿,其他帶長圓孔結構的系桿的軸力基本在80 kN左右,螺栓大小為M 30,單個螺栓的摩擦力為：

聯系桿允許應力：Δσ=59.05MPa;允許變形：Δl=2.24mm。

此時帶長圓孔結構的聯系桿的應力值為 123MPa。

考慮到螺栓在小幅度溫度變化下滑動的不能太頻繁,所以采用螺栓大小為M 30。考慮日溫度變化情況,采用結構溫度變化幅值為 10℃作為螺栓滑動的臨界溫度是合適的。

螺栓在安裝時初始溫度下,長圓孔中的螺栓位于孔的中心位置,采用 M30的螺栓,溫度升高 10℃時,螺栓所受力達到臨界滑移狀態,當溫度在此基礎上再升高,螺栓會滑動到一點 A,在從孔中心滑動到A的過程中,螺栓所受力的大小總維持在 151 kN左右,受力超過 151 kN,螺栓就會滑動,因此縱向構件的應力得到減小。

3 結語

通過上述分析,采用長圓孔的高強螺栓連接,能有效減小溫度應力影響,也能滿足鋼結構連接的構造要求。本文著重提出此種減小溫度應力的構造作法,螺栓等級、直徑、栓孔長等參數尚應由具體情況計算確定。

[1]GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].

[2]喬京生,郭學方,李曉芝.超長鋼結構體系的溫度應力場及位移場數值模擬分析[J].唐山學院學報,2009(12)：11-14.

[3]魏明鐘.鋼結構[M].武漢：武漢理工大學出版社,2005：62-64.

[4]陳 鵬.輕鋼廠房的結構設計[J].山西建筑,2008,34(21)：61-62.

Research about the com ponents practice of temperature stress releasing of steel structure

MA W ei-hua

The paper talks aboutmeasures to solve temperature stress of steel structure at room temperature.Themeasures include：setting region of temperature stress releasing at them idd le of long direction of plant,using slidebolt join the components practice of temperature stress releasing and so on,so as to reduce the in fluence of the temperature stress effectively andmeet the demand of the com ponents requirements of steel structure's connection.

steel structure,temperature stress,stress release

TU391

A

1009-6825(2011)09-0031-02

2010-12-05 ★：唐山市科技技術研究與發展指導計劃項目(項目編號：09110232c)

馬衛華(1978-),男,講師,唐山學院土木工程系,河北 唐山 063000