圓管結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中的節(jié)點(diǎn)選擇

摘 要：本文對(duì)圓管結(jié)構(gòu)的三個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行理論推導(dǎo)，得出在確保整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)件強(qiáng)度滿足前提條件下，選擇采用那種節(jié)點(diǎn)形式設(shè)計(jì)，才能既保證圓管結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性，又能充分發(fā)揮了其整體結(jié)構(gòu)的受力特性。

關(guān)鍵詞：圓管結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性；徑向變形

中圖分類號(hào)：TU392 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）10-0168-01

1 選題背景

從表1.1看出對(duì)于7米長(zhǎng)的軸心受壓柱，用鋼量相近的幾種不同截面，其極限承載力差別較大，圓管斷面作為受壓構(gòu)件是受力最理想的。在冶金、化工、電力等行業(yè)常常用到了圓管結(jié)構(gòu)，其節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)無(wú)依據(jù)可循，在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》無(wú)圓管柱與工字形梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的規(guī)定和計(jì)算方法的介紹。

2 圓管柱與工字形鋼梁連接三種節(jié)點(diǎn)的計(jì)算公式

連接節(jié)點(diǎn)處有彎矩和剪力，如圖2.1所示。剪力通過(guò)工字形梁的腹板與圓管壁的連接焊縫傳遞給圓管柱；彎矩（相當(dāng)于工字形梁上下翼緣處有一對(duì)大小相等，方向相反的力）會(huì)對(duì)管柱壁產(chǎn)生局部變形，即管徑發(fā)生變化，管柱截面變成橢圓形，如圖2.2所示。管柱徑向出現(xiàn)較大變形就會(huì)導(dǎo)致圓管柱的局部失穩(wěn)破壞，因此圓管結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)相當(dāng)重要。為了下列三種節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的理論推導(dǎo)，現(xiàn)做四種假設(shè)：（1）假定不計(jì)剪切變形，僅考慮徑向變形。連接節(jié)點(diǎn)處不僅有圓管徑向變形，而且有剪切變形，即梁上下翼緣處出現(xiàn)錯(cuò)位變形，因梁的腹板對(duì)其有抑制作用，在梁腹板不失穩(wěn)的前提條件下，一般剪切變形很小，可忽略不計(jì)。（2）假定管柱徑向變形為時(shí)，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)已破壞。（3）上下翼緣一對(duì)力偶簡(jiǎn)化為同一柱截面處有一對(duì)大小相等，方向相反的力作用在管壁上。（4）為了公式推導(dǎo)簡(jiǎn)便，連接處所用的鋼板厚度近似取與圓管柱壁厚相同，均為t。（實(shí)際工程中板厚取為0.8～1.2t）。

下列介紹三種節(jié)點(diǎn)形式的計(jì)算公式推導(dǎo)：

2.1直接對(duì)接焊接

圖2.3所示，截取30t長(zhǎng)一節(jié)管作為研究對(duì)象，計(jì)算出管徑變形值：

2.2 管柱加圓環(huán)板與梁翼緣焊接

如圖2.4所示，在圓管柱上加圓環(huán)加強(qiáng)板，通過(guò)圓環(huán)板再與梁翼緣焊接，該節(jié)點(diǎn)較常用。適用于管柱φ300～800與梁的連接。為了保證加強(qiáng)板的穩(wěn)定性，環(huán)板的寬度取13t，同上述方法截取30t長(zhǎng)一節(jié)管作為研究對(duì)象，計(jì)算出管徑變形值：

2.3 管柱加箱形環(huán)梁與梁翼緣焊接

如圖2.6所示，在圓管柱上加圓環(huán)箱形環(huán)梁，再與梁翼緣板連接。從上兩公式中可看到隨管徑增加，梁彎矩增加，上兩節(jié)點(diǎn)無(wú)法滿足要求。本節(jié)點(diǎn)適用大管徑柱與梁的連接。

在給定管徑和節(jié)點(diǎn)處的內(nèi)力，通過(guò)上述公式計(jì)算，可以推斷出采用那種節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

一般既定構(gòu)架，經(jīng)過(guò)整體計(jì)算，已確定了梁柱的斷面，通過(guò)以上述三個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)公式推導(dǎo)，可以得出結(jié)論：1.公式（1）可以看出節(jié)點(diǎn)一承受的彎矩較小，在計(jì)算中可以簡(jiǎn)化為鉸接點(diǎn)。2.給定，節(jié)點(diǎn)三承受能力是節(jié)點(diǎn)二的41.5倍，節(jié)點(diǎn)二是節(jié)點(diǎn)一251倍。（3）節(jié)點(diǎn)一（圖2.1）適用于立柱為圓管的管道支架和上下弦為圓管的空間桁架，結(jié)構(gòu)計(jì)算中把節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為鉸接，產(chǎn)生誤差較小；節(jié)點(diǎn)二（圖2.3）和節(jié)點(diǎn)三（圖2.6）適用于冶金工業(yè)受力較大的空間構(gòu)架（成功用于寶鋼集團(tuán)新疆八一鋼鐵有限公司新線材項(xiàng)目中）。

4 三個(gè)節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一公式的提出

在公式推導(dǎo)的理論假定中（1）徑向變形達(dá)，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)破壞，有待實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修正。（2）節(jié)點(diǎn)不計(jì)剪切變形，會(huì)引起公式推導(dǎo)的誤差。（3）截取管柱長(zhǎng)度按板每邊15t計(jì)算偏于保守?；谌c(diǎn)對(duì)公式進(jìn)一步歸結(jié)為：……（4）其中為選用何種節(jié)點(diǎn)系數(shù)；為剪切變形修正系數(shù)；為誤差修正系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]杜耀星.用加權(quán)余量法求圓環(huán)徑向位移的近似方程[J].工程力學(xué)增刊，1997.

[2]建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

作者簡(jiǎn)介：陳國(guó)軍（1980-），本科學(xué)歷，工程師，國(guó)家注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。