格構(gòu)柱的設(shè)計與分析

摘 要：格構(gòu)柱設(shè)計時應(yīng)考慮強度、剛度、綴板抗剪、整體穩(wěn)定和分肢穩(wěn)定，通過迭代計算初步確定構(gòu)件截面。通過某工程雙槽鋼格構(gòu)柱的計算發(fā)現(xiàn)分肢穩(wěn)定是格構(gòu)式構(gòu)件設(shè)計的關(guān)鍵，合理設(shè)計綴板的間距可以達到經(jīng)濟安全的目的。

關(guān)鍵詞：格構(gòu)柱 設(shè)計 雙槽鋼 綴板

中圖分類號：TU392 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-00-02

格構(gòu)柱屬于壓彎構(gòu)件，多用于廠房框架柱和獨立柱，優(yōu)點在于很好的節(jié)約材料；截面一般為型鋼或鋼板設(shè)計成雙軸對稱或單軸對稱的截面。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的地方布置，能保證相同軸向抗力條件下增強構(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)件截面具有對稱軸。當構(gòu)件軸心受壓喪失整體穩(wěn)定時，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。因此計算格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定時，只需計算繞截面實軸和虛軸抵抗彎曲屈曲的能力。格構(gòu)式軸心受壓構(gòu)件繞實軸的彎曲屈曲情況與實腹式軸心受壓構(gòu)件沒有區(qū)別，因此其整體穩(wěn)定計算也相同，可按b類截面進行計算。

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)點之間又是一個單獨的實腹式受壓構(gòu)件。所以，對格構(gòu)式構(gòu)件除需作為整體計算其強度、剛度和穩(wěn)定外，還應(yīng)計算各分肢的強度、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)進行板件的局部穩(wěn)定計算。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。

當綴件采用綴條時，格構(gòu)式構(gòu)件的每個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)力可按鉸接桁架進行分析。

為了提高格構(gòu)式構(gòu)件的抗扭剛度，保證運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運送單元的兩端，應(yīng)設(shè)置橫隔，構(gòu)件較長時還應(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)計步驟

（1）格構(gòu)柱的設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：①選擇截面形式，確定鋼號。②估算截面尺寸，估算計算長度，計算內(nèi)力。③驗算強度、剛度、整體穩(wěn)定性、分肢穩(wěn)定性、綴材計算。

（2）強度計算：繞虛軸（x軸）彎曲不考慮塑性發(fā)展

。

（3）剛度驗算：繞虛軸（x軸）換算長細比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。

①彎矩繞虛軸（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 用換算長細比λ0x 計算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)定計算得到保證，不必再驗算整個構(gòu)件在平面外整體穩(wěn)定性。

③分肢穩(wěn)定性計算

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

②平面外穩(wěn)定性計算與實腹式相同，用換算長細比λ0x計算φx，取φb=1

④綴條計算

按照《鋼規(guī)》5.1.6條柱的剪力：，每個綴材平面內(nèi)的剪力：。綴條時，綴條強度需滿足：，長細比。

綴板時一般受彎構(gòu)件設(shè)計，但因剪力彎矩較小可按構(gòu)造設(shè)計。綴板構(gòu)造設(shè)計要點：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方向的長細比又接近相等時，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，每個運送單元不少于2個。

2 實例計算

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)計值1450 kN，采用Q235B鋼材，屈服強度f=215 N/m2，

抗剪強度fv=125 N/mm2，彈性模量E=2.06e5 N/mm2。

2.1 按實軸（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。實際A=2×29.3=58.6cm2，iy=6.84cm，i1=1.95cm，Z0=1.84cm，I1=111cm4。驗算繞實軸穩(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。所以無須驗算分肢剛度、強度和整體穩(wěn)定；分肢采用型鋼，也不必驗算其局部穩(wěn)定。至此可以認為所選截面滿意。

2.3 綴板設(shè)計

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，綴板線剛度之和與分肢線剛度比值：

，滿足綴板的剛度要求。

柱的剪力V=26313N，每個綴板面剪力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 綴板焊縫計算：

采用三面周圍角焊縫。計算時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

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

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