馬衛(wèi)華

鋼結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力釋放構(gòu)造做法的研究★

馬衛(wèi)華

概括了鋼結(jié)構(gòu)解決常溫下溫度應(yīng)力問題的措施,提出了在廠房縱向中部設(shè)置溫度應(yīng)力釋放區(qū),利用可滑動(dòng)螺栓連接釋放溫度應(yīng)力的構(gòu)造做法,以有效減小溫度應(yīng)力影響,滿足鋼結(jié)構(gòu)連接的構(gòu)造要求。

鋼結(jié)構(gòu),溫度應(yīng)力,應(yīng)力釋放

0 引言

建筑物處于自然環(huán)境中受到各種溫度變化的影響,當(dāng)構(gòu)件內(nèi)部溫度變化所引起的膨脹或收縮受到約束時(shí)就要產(chǎn)生應(yīng)力,即溫度應(yīng)力。近年來,鋼結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)度和高度方面都在不斷的增加,其溫度應(yīng)力的影響也越來越明顯。通過恰當(dāng)?shù)臉?gòu)造做法來釋放溫度應(yīng)力,是解決問題的方法之一。

1 解決溫度應(yīng)力的措施

目前對(duì)一般鋼結(jié)構(gòu)處理溫度應(yīng)力的措施有四類：

1)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬都在規(guī)范設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)不考慮溫度效應(yīng);2)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)或?qū)捿^大時(shí),通過增設(shè)伸縮縫來防止溫度應(yīng)力的破壞;3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),加乘一個(gè)安全系數(shù)來減小溫度應(yīng)力所占荷載的比例;4)采用長(zhǎng)圓孔結(jié)構(gòu)來釋放溫度應(yīng)力。

大多數(shù)工程采用伸縮縫來釋放溫度應(yīng)力,但設(shè)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(shù)的方法則主要是其大小不好確定,系數(shù)太大勢(shì)必加大主要構(gòu)件的尺寸,增加建筑成本,系數(shù)太小則起不到很好的效果。

各國(guó)關(guān)于溫度作用取值的規(guī)定各不相同,且有的國(guó)家沒有明確規(guī)定,我國(guó)規(guī)范[1]針對(duì)不同類型的結(jié)構(gòu)也只是規(guī)定了設(shè)置伸縮縫的間距要求。對(duì)于一些較特殊的結(jié)構(gòu)形式,溫度作用的取值還處于探索階段。

2009年喬京生[2]等結(jié)合唐山某擬建超長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)廠房,用ANSYS軟件進(jìn)行了該廠房結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)的數(shù)值模擬分析,并對(duì)采用溫度應(yīng)力釋放區(qū)的設(shè)計(jì)方案和設(shè)置溫度伸縮縫的方案進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果顯示采用溫度應(yīng)力釋放區(qū)能有效降低溫度應(yīng)力的影響。

2 溫度應(yīng)力釋放構(gòu)造作法

2.1 基本思路

由于溫度應(yīng)力的客觀存在,尤其在較長(zhǎng)的溫度區(qū)段中溫度應(yīng)力的聚集效應(yīng)可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)的損壞,除了設(shè)置溫度伸縮縫的做法外,也可以在廠房中設(shè)置溫度應(yīng)力釋放區(qū),其基本思路是利用可滑動(dòng)螺栓連接釋放溫度應(yīng)力,進(jìn)而減小溫度應(yīng)力影響。

2.2 構(gòu)造作法

首先在廠房縱向中部選取一榀適當(dāng)?shù)膭偧?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(gòu)件與該榀剛架的連接節(jié)點(diǎn)都做成可滑動(dòng)的節(jié)點(diǎn),同時(shí)將該剛架上的屋面板、墻面板也處理成可以伸縮的構(gòu)造,整個(gè)廠房結(jié)構(gòu)在工作時(shí)可通過這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的滑動(dòng)伸縮來釋放溫度應(yīng)力。與該榀剛架相連的縱向構(gòu)件主要有檁條墻梁、吊車梁等構(gòu)件,這些構(gòu)件與剛架的連接節(jié)點(diǎn)采用了長(zhǎng)圓孔的做法,如圖 1所示。

由于屋面、墻面圍護(hù)板均為彩色壓型鋼板,自身變形能力強(qiáng),吊車梁系統(tǒng)已考慮縱向伸縮,采用在構(gòu)件上開長(zhǎng)圓孔的做法可以滿足節(jié)點(diǎn)有足夠的滑動(dòng)能力[4]。

設(shè)置長(zhǎng)圓孔結(jié)構(gòu)的孔長(zhǎng)度,就要根據(jù)施工工藝和被長(zhǎng)圓孔結(jié)構(gòu)分為兩部分的縱向構(gòu)件受溫后位移變化大小來確定,也就是設(shè)置伸縮縫時(shí)縫的寬度為長(zhǎng)圓孔孔長(zhǎng)度的最大值。

2.3 計(jì)算方法

為了模擬長(zhǎng)圓孔結(jié)構(gòu)的功能,在最值溫度下把帶長(zhǎng)圓孔結(jié)構(gòu)的縱向構(gòu)件的彈性模量進(jìn)行修改,這樣桿件成為彈性桿,桿兩端伸長(zhǎng)量或縮短量就相當(dāng)于長(zhǎng)圓孔內(nèi)螺栓的移動(dòng)值。當(dāng)設(shè)置長(zhǎng)圓孔的長(zhǎng)度為兩倍伸縮縫的寬度時(shí),可知無論廠房在升溫最大還是降溫最大,帶長(zhǎng)圓孔結(jié)構(gòu)的縱向構(gòu)件的應(yīng)力大小接近零;當(dāng)設(shè)置長(zhǎng)圓孔的長(zhǎng)度為零時(shí),相當(dāng)于不采取溫度應(yīng)力釋放措施,廠房各構(gòu)件的應(yīng)力最大;當(dāng)選擇以上兩種長(zhǎng)度的中間值時(shí),主要考慮結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及各構(gòu)件的內(nèi)力的安全儲(chǔ)備。

長(zhǎng)圓孔內(nèi)的螺栓采用高強(qiáng)度摩擦型螺栓,強(qiáng)度等級(jí)為 8.8級(jí),螺栓大小為M 20,Q235鋼干凈軋制摩擦面的抗滑移系數(shù)為 0.3,根據(jù)計(jì)算公式[3]的單個(gè)螺栓的摩擦力為：

聯(lián)系桿允許應(yīng)力：Δσ=26.36MPa;允許變形：Δl=1.5mm。

其中,nf為傳力摩擦面數(shù);μ為摩擦面的抗滑移系數(shù);p為一個(gè)高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力。

單個(gè)螺栓的摩擦力 67.5 kN,基本等于帶長(zhǎng)圓孔結(jié)構(gòu)的系桿最大軸力值 68.1 kN,此時(shí)兩端部剛架縱向位移值均為 0.012m。

考慮結(jié)構(gòu)升溫或降溫 10℃時(shí),長(zhǎng)圓孔中螺栓不移動(dòng)的情況,此時(shí)帶長(zhǎng)圓孔結(jié)構(gòu)的系桿最大軸力為 145.4 kN,位置為邊跨處的聯(lián)系桿,其他帶長(zhǎng)圓孔結(jié)構(gòu)的系桿的軸力基本在80 kN左右,螺栓大小為M 30,單個(gè)螺栓的摩擦力為：

聯(lián)系桿允許應(yīng)力：Δσ=59.05MPa;允許變形：Δl=2.24mm。

此時(shí)帶長(zhǎng)圓孔結(jié)構(gòu)的聯(lián)系桿的應(yīng)力值為 123MPa。

考慮到螺栓在小幅度溫度變化下滑動(dòng)的不能太頻繁,所以采用螺栓大小為M 30?？紤]日溫度變化情況,采用結(jié)構(gòu)溫度變化幅值為 10℃作為螺栓滑動(dòng)的臨界溫度是合適的。

螺栓在安裝時(shí)初始溫度下,長(zhǎng)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(shí),螺栓所受力達(dá)到臨界滑移狀態(tài),當(dāng)溫度在此基礎(chǔ)上再升高,螺栓會(huì)滑動(dòng)到一點(diǎn) A,在從孔中心滑動(dòng)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(huì)滑動(dòng),因此縱向構(gòu)件的應(yīng)力得到減小。

3 結(jié)語

通過上述分析,采用長(zhǎng)圓孔的高強(qiáng)螺栓連接,能有效減小溫度應(yīng)力影響,也能滿足鋼結(jié)構(gòu)連接的構(gòu)造要求。本文著重提出此種減小溫度應(yīng)力的構(gòu)造作法,螺栓等級(jí)、直徑、栓孔長(zhǎng)等參數(shù)尚應(yīng)由具體情況計(jì)算確定。

[1]GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]喬京生,郭學(xué)方,李曉芝.超長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)體系的溫度應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)數(shù)值模擬分析[J].唐山學(xué)院學(xué)報(bào),2009(12)：11-14.

[3]魏明鐘.鋼結(jié)構(gòu)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2005：62-64.

[4]陳 鵬.輕鋼廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[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(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：09110232c)

馬衛(wèi)華(1978-),男,講師,唐山學(xué)院土木工程系,河北 唐山 063000