钢结构温度应力释放构造做法的研究★

马卫华

钢结构温度应力释放构造做法的研究★

马卫华

概括了钢结构解决常温下温度应力问题的措施,提出了在厂房纵向中部设置温度应力释放区,利用可滑动螺栓连接释放温度应力的构造做法,以有效减小温度应力影响,满足钢结构连接的构造要求。

钢结构,温度应力,应力释放

0 引言

建筑物处于自然环境中受到各种温度变化的影响,当构件内部温度变化所引起的膨胀或收缩受到约束时就要产生应力,即温度应力。近年来,钢结构在长度和高度方面都在不断的增加,其温度应力的影响也越来越明显。通过恰当的构造做法来释放温度应力,是解决问题的方法之一。

1 解决温度应力的措施

目前对一般钢结构处理温度应力的措施有四类：

1)结构的长、宽都在规范设定的范围内时不考虑温度效应;2)结构的长或宽较大时,通过增设伸缩缝来防止温度应力的破坏;3)结构设计时,加乘一个安全系数来减小温度应力所占荷载的比例;4)采用长圆孔结构来释放温度应力。

大多数工程采用伸缩缝来释放温度应力,但设置伸缩缝给建筑的防水、保温带来不利影响,而加乘安全系数的方法则主要是其大小不好确定,系数太大势必加大主要构件的尺寸,增加建筑成本,系数太小则起不到很好的效果。

各国关于温度作用取值的规定各不相同,且有的国家没有明确规定,我国规范[1]针对不同类型的结构也只是规定了设置伸缩缝的间距要求。对于一些较特殊的结构形式,温度作用的取值还处于探索阶段。

2009年乔京生[2]等结合唐山某拟建超长钢结构厂房,用ANSYS软件进行了该厂房结构的温度应力场及位移场的数值模拟分析,并对采用温度应力释放区的设计方案和设置温度伸缩缝的方案进行了对比分析,结果显示采用温度应力释放区能有效降低温度应力的影响。

2 温度应力释放构造作法

2.1 基本思路

由于温度应力的客观存在,尤其在较长的温度区段中温度应力的聚集效应可能会造成结构的损坏,除了设置温度伸缩缝的做法外,也可以在厂房中设置温度应力释放区,其基本思路是利用可滑动螺栓连接释放温度应力,进而减小温度应力影响。

2.2 构造作法

首先在厂房纵向中部选取一榀适当的刚架,通过这榀刚架将厂房分为两部分,然后将任一部分上的所有纵向构件与该榀刚架的连接节点都做成可滑动的节点,同时将该刚架上的屋面板、墙面板也处理成可以伸缩的构造,整个厂房结构在工作时可通过这些节点构造的滑动伸缩来释放温度应力。与该榀刚架相连的纵向构件主要有檩条墙梁、吊车梁等构件,这些构件与刚架的连接节点采用了长圆孔的做法,如图 1所示。

由于屋面、墙面围护板均为彩色压型钢板,自身变形能力强,吊车梁系统已考虑纵向伸缩,采用在构件上开长圆孔的做法可以满足节点有足够的滑动能力[4]。

设置长圆孔结构的孔长度,就要根据施工工艺和被长圆孔结构分为两部分的纵向构件受温后位移变化大小来确定,也就是设置伸缩缝时缝的宽度为长圆孔孔长度的最大值。

2.3 计算方法

为了模拟长圆孔结构的功能,在最值温度下把带长圆孔结构的纵向构件的弹性模量进行修改,这样杆件成为弹性杆,杆两端伸长量或缩短量就相当于长圆孔内螺栓的移动值。当设置长圆孔的长度为两倍伸缩缝的宽度时,可知无论厂房在升温最大还是降温最大,带长圆孔结构的纵向构件的应力大小接近零;当设置长圆孔的长度为零时,相当于不采取温度应力释放措施,厂房各构件的应力最大;当选择以上两种长度的中间值时,主要考虑结构的整体稳定性及各构件的内力的安全储备。

长圆孔内的螺栓采用高强度摩擦型螺栓,强度等级为 8.8级,螺栓大小为M 20,Q235钢干净轧制摩擦面的抗滑移系数为 0.3,根据计算公式[3]的单个螺栓的摩擦力为：

联系杆允许应力：Δσ=26.36MPa;允许变形：Δl=1.5mm。

其中,nf为传力摩擦面数;μ为摩擦面的抗滑移系数;p为一个高强度螺栓的预拉力。

单个螺栓的摩擦力 67.5 kN,基本等于带长圆孔结构的系杆最大轴力值 68.1 kN,此时两端部刚架纵向位移值均为 0.012m。

考虑结构升温或降温 10℃时,长圆孔中螺栓不移动的情况,此时带长圆孔结构的系杆最大轴力为 145.4 kN,位置为边跨处的联系杆,其他带长圆孔结构的系杆的轴力基本在80 kN左右,螺栓大小为M 30,单个螺栓的摩擦力为：

联系杆允许应力：Δσ=59.05MPa;允许变形：Δl=2.24mm。

此时带长圆孔结构的联系杆的应力值为 123MPa。

考虑到螺栓在小幅度温度变化下滑动的不能太频繁,所以采用螺栓大小为M 30。考虑日温度变化情况,采用结构温度变化幅值为 10℃作为螺栓滑动的临界温度是合适的。

螺栓在安装时初始温度下,长圆孔中的螺栓位于孔的中心位置,采用 M30的螺栓,温度升高 10℃时,螺栓所受力达到临界滑移状态,当温度在此基础上再升高,螺栓会滑动到一点 A,在从孔中心滑动到A的过程中,螺栓所受力的大小总维持在 151 kN左右,受力超过 151 kN,螺栓就会滑动,因此纵向构件的应力得到减小。

3 结语

通过上述分析,采用长圆孔的高强螺栓连接,能有效减小温度应力影响,也能满足钢结构连接的构造要求。本文着重提出此种减小温度应力的构造作法,螺栓等级、直径、栓孔长等参数尚应由具体情况计算确定。

[1]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

[2]乔京生,郭学方,李晓芝.超长钢结构体系的温度应力场及位移场数值模拟分析[J].唐山学院学报,2009(12)：11-14.

[3]魏明钟.钢结构[M].武汉：武汉理工大学出版社,2005：62-64.

[4]陈 鹏.轻钢厂房的结构设计[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 ★：唐山市科技技术研究与发展指导计划项目(项目编号：09110232c)

马卫华(1978-),男,讲师,唐山学院土木工程系,河北 唐山 063000