钢桁架H型截面上弦杆设计

2015-12-25薛宝恒

建筑设计管理 2015年3期

关键词：翼缘板压杆板件

薛宝恒

（甘肃工业职业技术学院，甘肃天水 741025）

钢桁架H型截面上弦杆设计

薛宝恒

（甘肃工业职业技术学院，甘肃天水 741025）

H型截面在我国钢桁架工程中应用十分普遍，适用于对内力和长度不很大的压杆。本文以某建筑工程设计的钢桁架的上弦杆为例，进行截面设计，通过分析验算，结果表明该钢桁架的上弦杆的初选截面尺寸、整体稳定性验算、局部稳定性验算以及刚度验算，均满足要求。

截面设计；轴心受压构件；稳定性验算；刚度验算

0 引言

轴向受力构件是钢结构的基本构件，钢结构的轴向受力构件广泛应用于桁架和屋架的弦杆和腹杆、各种塔架、平台支架的柱子，以及各种钢结构中的支撑杆等。轴向受力构件可用钢板和型钢组成各种截面形式，主桁架杆件截面分为用于次要杆件或内力较小的轻型桁架杆件和当荷载较大，主桁架采用重型桁架时，杆件截面较大时采用的双壁式截面。在选择构件截面形式时，不但要考虑满足强度和刚度的要求，还要使构件便于连接。此外，对构件还要考虑到便于施工以及今后的油漆、养护和检修。本文以某建筑工程钢桁架的上弦杆截面设计为例，介绍截面设计的步骤[1-3]。

1 工程概况

某建筑工程设计一钢桁架的上弦杆，根据设计要求，上弦杆承受的轴向压力为4 170 kN，杆长8 m。由于本杆件对内力和长度不太长，所以在设计时选用由两块翼缘板和一块腹板组成的H型截面。这种截面构造简单，便于采用自动焊，校正焊接变形较容易，采用螺栓连接时施工也较方便，在我国钢桁架工程中应用较广泛。从构件的总体稳定性和刚度以及杆件局部稳定性要求出发，设计采用Q345钢，假定容许最大长细比的值为100，桁架的横向连接系间距等于桁架节间长度。

2 上弦杆设计步骤

轴心受压杆件截面设计是根据构件的自由长度、轴向压力、钢材牌号的情况，确定构件的截面形式和尺寸。对压杆的承载能力起控制作用的，在大多数情况下是构件的整体稳定性，只有在设计长度很大而内力很小的压杆时是由刚度控制，局部稳定性问题通常不需要详细计算。在选取截面时注意满足板件宽厚比的构造要求即可，所以在设计时可首先根据整体稳定性的要求来选择截面的形式和尺寸，然后验算其局部稳定性和刚度。根据工程特点，该上弦杆的设计步骤如下[1-4]几个方面。

2.1 确定型式

根据整个结构物的要求，选定构件的截面形式，按照构件的重要性，假定的容许最大长细比值为100。根据假定的容许最大长细比值由规范中的表格轴心受压钢构件的纵向弯曲系数确定φ1，再用压杆稳定性公式计算所需的毛截面面积Am（式1）；利用假定的容许最大长细比λ和设计的杆件自由长度值，计算所需的截面回转半径i（式2）；按照选定的截面形式和计算的截面回转半径，拟定截面的高度h和宽度b。

根据上述可确定弦杆截面面积为295.7 cm2，截面的高度h为55.4 cm，宽度为30.9 cm，由初步计算出的截面面积和截面的轮廓尺寸长度和宽度，并考虑局部稳定和构件要求初选截面尺寸。由于假定的容许最大长细比λ值不一定恰当，完全按照所需要的弦杆截面面积、长度和宽度配置的截面可能会使板件厚度过大或过小；可通过适当调整长度和宽度，长度和宽度宜取10 mm的倍数，翼缘板厚度和腹板厚度宜取2 mm倍数。一般腹板厚度应比翼缘板小，所选用的型钢和钢板的尺寸要符合现有的产品规格。对于本工程设计的H型截面受压构件，为了保证受力较大的两块翼缘板的整体作用，腹板的厚度不宜过薄。根据翼缘板与腹板临界压力相等的条件所做的规定，在焊接的H型构件中，当翼缘板厚度≥24 mm时，腹板厚度≥翼缘板厚度的0.5倍；当翼缘板厚度< 24 mm时，腹板厚度≥翼缘板厚度的0.6倍。另外，为了防止钢板锈蚀，腹板厚度≥6 mm。综合以上分析，从已知的所需的截面积和两块翼缘板的截面积，可以确定腹板的宽度为32 m（式3）。可初步选定翼板：2-54 cm×2.4 cm，腹板1-32 cm×1.2 cm，实际截面积为297.6 cm2，实际面积接近所需要的截面积。

2.2 整体稳定性验算

根据设计图分析，整体稳定性的验算的结果为189.7 MPa（式4），小于容许值200 MPa，所选的尺寸符合总体稳定性要求。

2.3 局部稳定性验算

钢压杆通常由若干较薄的钢板和型钢组成。在轴心压力作用下，由可能在压杆丧失整体稳定性之前，压杆某一薄而宽的板件在压力达到一定值时，不能继续保持平面状态的平衡而发生局部翘曲，压杆板件的局部失稳会降低压杆的承载能力，导致压杆提前破坏。为了保证实腹式轴心受压构件的局部稳定，才用限制其板件的宽厚比的办法来实现，确定板件宽厚比限制值所采用的原则是使构件整体屈曲，即局部屈曲临界应力不低于整体屈曲临界应力。为了在设计中使用方便，针对H型截面构件，进行局部稳定实验，确定了受压构件中各类板件的容许高宽比。通过验算轴心受压的局部稳定性（式5）公式，确定了工程的翼板局部稳定性验算结果为11，未超过容许值12，腹板的局部稳定性验算结果为32.5，未超过容许值45，可最终确定翼板和腹板的局部稳定性均满足要求[2-4]。

式中：b、t——板件的宽度和厚度；

2.4 刚度验算

压杆除同受拉构件一样，会因一些意外的外力作用而发生弯曲变形，如由于自重而发生扰曲、在荷载作用下发生震颤、在运输及安装过程中发生弯曲。除必须有足够的刚度以外，对压杆来说，弯曲变形的影响远较拉杆的影响力大。由于弯曲变形，会使压杆的临界力减小，使构件过早的失去稳定性，因此面对压杆的刚度要求应较拉杆更高些，压杆的长细比应不超过容许最大长细比。通过计算分析可确定工程中的最大长细比为55，小于假定的容许最大长细比100，所以刚度满足要求。