大柱网钢结构厂房梁柱连接方案研究

大柱网钢结构厂房梁柱连接方案研究

窦炜

中色科技股份有限公司苏州分公司江苏苏州215026

摘要：随着生产工艺的发展，越来越多的工业钢结构厂房出现局部大柱网布置（在特定的位置抽柱），导致在钢结构屋盖结构的布置中，用以支撑中间屋架或屋面梁的钢托梁使用也更加普遍。而钢托梁与上柱柱头的连接节点处传力是否明确、合理并符合设计假定就成了急待研究的关键问题。本文笔者将结合具体的钢结构厂房结构设计实例，简要探讨该连接节点受力形态，并给出有效的连接方案，希望能对类似工程起到借鉴作用。

关键词：钢结构；单层厂房；设计分析；连接节点

1.引言

随着我国经济的发展，在工业生产中，为了满足市场需要，生产设备技术不断进步。这就要求钢结构厂房等基础建设也要与时俱进，在特定的位置抽柱形成局部大柱网布置。抽柱位置的钢结构屋盖结构布置通常采用钢托梁，以支撑中间屋架或屋面梁。为使厂房排架柱的平面外受力更合理，钢托梁一般两端铰接于排架柱柱头，而钢托梁与上柱柱头的连接节点就成为保证此处传力明确、合理并符合设计假定的关键。

2.工程分析

以某有色金属加工厂钢结构厂房为例，该厂房因局部抽柱设有工字型钢托梁。目前常见的钢托梁与钢柱上柱连接方式是：在钢托梁端部设置端板，此端板和厂房上柱相应位置腹板用高强螺栓直接连接，同时用钢板将托梁顶部与厂房柱焊牢（图1）。这种节点直接以高强螺栓传力，并将托梁和上柱用钢板焊死来抵抗其扭转。但实际上该节点已偏于半刚接，由托梁荷载引起的附加弯矩将不可避免的传到厂房柱的平面外（通常为弱轴）；另一方面，由于施工误差、高空作业等原因造成这种节点在实际安装过程中难度增大，高强螺栓的安装质量也不易保证。

由于厂房钢柱弱轴方向受弯性能弱，相关设计手册均建议此处应为铰接连接，即钢柱只承受钢托梁传来的竖向剪力，这样厂房结构受力更加合理。然而，由于施工误差等原因会照成屋架荷载产生偏心，导致钢托梁要承受较大扭矩，就需要在钢托梁支座处设置可靠的抗扭连接。

3.方案研究

为了实现钢托梁与钢柱连接节点能在较完美实现和厂房柱的铰接的同时使钢托梁能可靠抗扭，从而使该连接处受力更加合理。笔者通过对钢托梁受力特点的深入分析，提供了一种新型钢托梁与钢柱连接构造方案。具体技术措施为：钢托梁端部设端板，在钢柱腹板相应位置设置支托①，端板下端以突缘形式简支在支托上，并设拉板②及填板③与托梁下翼缘栓接；同时在端板中下部位置和钢柱腹板通过填板④以若干普通螺栓连接；此外，在钢托梁上翼缘端部设置纵向长圆孔，通过螺栓与一块带有同样长圆孔的连接板⑤连接，再将该连接板焊接于钢柱两个翼缘板内侧（钢柱翼缘内侧及腹板上预留可焊件⑥）。

4.受力分析

1、竖向荷载：

前述的钢托梁下部支托的各板件厚度、截面强度和焊缝强度可按照如下构造要求及公式计算：

1）支托板件（图1所示①、②号板件）的厚度不应小于钢托梁的下翼缘厚度，且不宜小于10mm。

2）连接板（图1所示③号板件）的厚度不宜小于12mm。

3）连接螺栓（图1所示④号构件）一般采用两个M20~M24普通螺栓。

4）根据钢托梁端部的竖向荷载P（kN）以及其作用点偏心距e（mm）计算支托截面的正应力：

（1-1）

式中——对x轴的截面模量；

——钢材的抗弯强度设计值。

5）由钢托梁端部的剪力V（kN）计算支托截面的剪应力：

（1-2）

式中S——计算剪应力处以上截面对中和轴的面积矩；

——支托腹板厚度；

I——截面惯性矩；

——钢材的抗剪强度设计值。

6）根据计算所得正应力和剪应力验算支托截面折算应力：

（1-3）

式中符号意义同前。

7）支托与钢柱腹板一般采用双面角焊缝连接（图2（b）），焊缝强度可按下式计算：

（1-4）

（1-5）

（1-6）

式中——腹板连接焊缝的截面面积；

——焊缝的截面抵抗矩；

I——截面惯性矩；

——角焊缝的抗拉、抗剪和抗压强度设计值。

2、水平荷载：

前述的钢托梁端部通过端板及螺栓与钢柱腹板进行连接，该处各构件尺寸及连接强度可按照如下构造要求及计算公式确定：

1）钢托梁端板（图1所示⑤号板件）为支座处主要传力构件，其厚度不宜小于20mm；其宽度可按下式确定，且不宜小于220mm。

（1-7）

式中——钢托梁下翼缘宽度。

2）钢托梁端板与钢柱间填板（图1所示⑥号板件）不宜小于10mm。

3）连接钢托梁端板与钢柱腹板的螺栓，应选普通螺栓，且应尽量布置于钢托梁端部靠下侧的部位（图3），以免其限制钢托梁端部的转动，导致节点刚度增大。普通螺栓相关计算如下：

（1-8）

（1-9）

式中N——钢托梁端部水平荷载（KN）；

n——传递所受水平荷载的螺栓数；

——一个普通螺栓的抗拉承载力设计值；

——普通螺栓在螺纹处的有效直径；

——普通螺栓抗拉强度设计值。

3、扭矩

前述的钢柱翼缘设置带长圆孔的连接板，并通过螺栓与钢托梁上翼缘连接，该处各构件尺寸及连接强度可按照如下构造要求及计算公式确定：

1）钢柱翼缘内侧及腹板上预留可焊件（图1所示⑦号板件）厚度可取10mm。

2）连接螺栓（图1所示⑧号构件）一般采用两个M20普通螺栓。

3）带长圆孔的连接板（图1所示⑨号板件）为支座处起抗扭作用的构造构件，其厚度不宜小于12mm。施工时应待钢托梁安装就位后现场放样，并通过螺栓连接到钢托梁上翼缘对应位置，然后再与上述可焊件焊接，焊脚高度可按构造要求确定。该连接板长圆孔的尺寸可按下列公式近似计算（图4）：

（1-10）

式中——长圆孔边到螺栓边的距离；

L——钢托梁跨度；

——假设钢托梁跨中挠度与由挠度引起的端部竖向位移相等，则当钢托梁挠度达到限值时，==0.01。

4）由于钢托梁的挠度曲线可知，上式关于钢托梁端位移的假定偏保守。因此，可以按构造取=（d为连接螺栓直径）。

5.效果说明

采用如上所述的技术方案，可产生如下积极效果：

1、钢托梁以突缘形式支撑在钢柱预设的支托上，最大程度的符合简支这一设计假定。托梁传来的竖向及水平力大部均由此处传给钢柱，处理更加明确，受力更为合理。

2、托梁端板与柱腹板通过设置填板栓接，一方面大大增加钢托梁的面外稳定性——上述螺栓布置于钢托梁端部靠下侧的部位，也避免了其限制钢托梁端部转动而导致的节点刚度增大；另一方面使安装托梁时更易准确定位（同时可起到安装螺栓的作用），同时由于增加了填板，也为弥补施工误差等提供更大的灵活性。

3、通过设置托梁上翼缘纵向长圆孔和钢柱连接，一方面有效的限制了钢托梁面外扭转；另一方面给托梁（作为梁式构件难以避免）的挠曲变形提供了可控的自由度，从而进一步释放由于构件变位引起的ΔP效应，使托梁和钢柱之间荷载效应的相互叠加更小，受力更为明晰，整个体系的安全性也大为增加。

4、相对高强螺栓，普通螺栓的安装要求低，同时有支托的存在，也能有效降低施工安装难度。

6.结语

大柱距钢结构厂房不断涌现，使得该类型结构设计产生更多新课题。因此，当在进行此类结构设计时，不仅需要确保结构方案满足使用要求，同时还应特别注意对关键节点处受力形态进行仔细分析，以求整个钢结构厂房结构受力更加合理。文章通过结合某有色金属加工厂房的结构设计实例，系统地分析了钢托梁与钢柱上柱连接节点的受力情况，并提出一种具备可靠抗扭效果的连接方案，为同类型工程提供参考。

参考文献：

1、GB50017-2017，钢结构设计标准[S].

2、钢结构设计手册（第三版）[M].