鋼支撐與圍護(hù)連接節(jié)點(diǎn)的受力分析

鋼支撐與圍護(hù)連接節(jié)點(diǎn)的受力分析

近年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)支撐體系在維護(hù)結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于支撐系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其組成構(gòu)件一方面需要保證符合設(shè)計(jì)要求,另一方面,各構(gòu)件之間的節(jié)點(diǎn)連接情況也是保證整個(gè)系統(tǒng)支撐性能的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)支撐體系,其支撐構(gòu)件與連接節(jié)點(diǎn)多采用拼裝式,而節(jié)點(diǎn)連接的設(shè)計(jì)與驗(yàn)算,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著重要的影響作用。目前,對(duì)于鋼支撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較少,因此有必要對(duì)其進(jìn)行研究分析,以滿足實(shí)際設(shè)計(jì)與施工的需要。1鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)施工技術(shù)中的應(yīng)用要求深基坑的支護(hù)體系由兩部分組成:一是圍護(hù)結(jié)構(gòu),二是基坑內(nèi)的支撐系統(tǒng)。深基坑各類支撐系統(tǒng)既要輕巧,又需要足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,這樣才能保證施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性和方便性,因此,支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是目前施工方案技術(shù)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在深基坑的施工支護(hù)結(jié)構(gòu)中,常用的支撐系統(tǒng)按其材料可以分為:鋼管支撐、型鋼支撐、鋼筋混凝土支撐、鋼和鋼筋混凝土的組合支撐等。這些支撐系統(tǒng)在實(shí)踐中都有各自的特點(diǎn)和不足之處:鋼支撐材料的消耗量小,可以施加預(yù)應(yīng)力以合理地控制基坑變形。鋼支撐的架設(shè)、拆除速度較快,有利于縮短工期,但是鋼支撐系統(tǒng)的整體剛度較弱,由于要在兩個(gè)方向上施加預(yù)緊力,所以縱、橫桿之間的連接始終處于鉸接狀態(tài),形不成整體的剛接;鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)整體剛度好、變形小、安全可靠,但其施工制做時(shí)間長(zhǎng)于鋼支撐,且拆除工作比較繁重,材料的回收利用率低。鋼筋混凝土支撐因其現(xiàn)場(chǎng)澆筑的便利性和高可靠度,而在國(guó)內(nèi)較廣泛地被采用,但就支撐結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向而言,更應(yīng)推廣施工鋼支撐,同時(shí)提高支撐結(jié)構(gòu)的施工水平。支撐結(jié)構(gòu)體系由圍檁、支撐桿或支撐桁架、立柱、立柱樁等桿件組成。支撐結(jié)構(gòu)的圍檁直接與圍檁護(hù)壁連接,圍檁護(hù)壁上的力,通過(guò)圍檁傳遞給支撐結(jié)構(gòu)體系,因此圍檁的剛度對(duì)整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的剛度影響很大,所以一般情況下,在設(shè)計(jì)中須注意圍檁桿件的加強(qiáng)。支撐桿是支撐結(jié)構(gòu)中的主要受壓桿件,支撐桿相對(duì)于受荷面來(lái)說(shuō),有垂直于荷載面和傾斜于荷載面兩種。斜支撐桿應(yīng)注意其和圍檁連接節(jié)點(diǎn)的力的平衡。支撐桿由于受自重和施工荷載的作用,是一種壓彎桿件,需在各受壓支撐桿件中增設(shè)三向束點(diǎn)構(gòu)造以減短壓彎支撐桿件的計(jì)算長(zhǎng)度,或?qū)⒅螚U設(shè)計(jì)成為支撐桁架,這將加強(qiáng)支撐桿件的剛度和穩(wěn)定性。支撐結(jié)構(gòu)各桿件之間的連接,應(yīng)按照傳力明確、剛度足夠、方便裝拆的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。2地鐵車站工程中鋼支撐應(yīng)用必要性目前常用的鋼支撐結(jié)構(gòu)是鋼管支撐結(jié)構(gòu)和型鋼支撐結(jié)構(gòu)。這兩類支撐以其重量輕、剛度大、裝拆工作量小、可重復(fù)使用、材料消耗少的特點(diǎn),而在國(guó)外被廣泛采用。但是我國(guó)建筑業(yè)的支撐桿件、附件配備還不夠充足,支撐節(jié)點(diǎn)間千斤頂和壓力計(jì)等預(yù)加軸力裝置及配件還不夠齊全,所以在基坑開(kāi)挖工程中,除在地鐵車站長(zhǎng)條形基坑中被廣泛采用外,在高層建筑地下大面積深基坑中較少使用。但對(duì)于已開(kāi)始使用鋼支撐的高層建筑深大基坑項(xiàng)目,我們已從中取得有效控制變形的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。鋼支撐常用的材料有鋼管和型鋼兩種。鋼管多用φ609mm鋼管,有多種壁厚(10mm、12mm、14mm、16mm)可供選擇。型鋼支撐多用H型鋼,組合型鋼也可作為鋼支撐。其平面布置常用的有:對(duì)撐、角撐、邊桁架、邊框架、圓拱形撐等。一般情況下,對(duì)于平面形狀接近方形且尺寸不大的基坑,宜采用角撐;對(duì)于形狀接近方形但尺寸較大的基坑,宜采用環(huán)形、邊桁架支撐;對(duì)于長(zhǎng)方形基坑,宜采用對(duì)撐或?qū)渭咏菗巍ｄ摻Y(jié)構(gòu)的連接方法可分為焊縫連接、螺栓連接和鉚釘連接等。目前焊縫連接已取代鉚釘連接,成為鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方法,同時(shí)高強(qiáng)度螺栓在一些較大的安裝連接中也得到了較多的使用。3基坑節(jié)點(diǎn)形式鋼支撐在使用過(guò)程中,對(duì)于不同的圍護(hù)和基坑形式所采用的節(jié)點(diǎn)形式是不同的。以下對(duì)工程中常使用的一些接頭形式進(jìn)行介紹,對(duì)其強(qiáng)度驗(yàn)算和受力變形機(jī)理做一定研究。3.1型鋼安裝桿件承載力的計(jì)算方法計(jì)算中采用的鋼管為φ609mm、t=16mm的Q235圓形鋼管,H型鋼采用400mm×400mm×20mm規(guī)格,節(jié)點(diǎn)接頭連接采用角焊縫。其截面形狀與尺寸如圖1所示。由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,通過(guò)計(jì)算可以得到Q235圓形鋼管極限承載力和計(jì)算長(zhǎng)度變化曲線,如圖2所示。圖3為400mm×400mm×20mmH型鋼極限承載力和計(jì)算長(zhǎng)度關(guān)系曲線。通過(guò)對(duì)圖2、圖3的比較可以得出,鋼支撐桿件極限承載力,是隨著長(zhǎng)度的增加而減小的。圖4為鋼支撐與地墻連接節(jié)點(diǎn)。我們?cè)诘貕εc活絡(luò)頭連接處預(yù)埋鋼板,并將活絡(luò)頭或鋼管直接焊接在預(yù)埋鋼板上,在接頭處我們主要對(duì)焊縫進(jìn)行驗(yàn)算。圖5為鋼管斜支撐同地下連續(xù)墻節(jié)點(diǎn)。鋼管撐通過(guò)H型鋼焊接在地墻預(yù)埋鋼板上。3.2圍有限元分析鋼管支撐之間的連接形式如圖6所示,兩鋼管通過(guò)螺栓和中間法蘭進(jìn)行連接,螺栓其固定作用,桿件軸向受壓。圖7為施加預(yù)應(yīng)力鋼管支撐接頭,主要通過(guò)中間活絡(luò)頭中千斤頂對(duì)支撐施加預(yù)應(yīng)力。圖中圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁,支撐處加設(shè)鋼圍檁,圍檁由兩根平行H型鋼焊接而成,圍檁放置在在鋼牛腿上,鋼支撐的另一端則直接支撐在鋼圍檁上。根據(jù)上述兩種連接方式,本文運(yùn)用ansys有限元計(jì)算軟件,對(duì)實(shí)際接頭進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬計(jì)算。假設(shè)鋼管支撐軸向壓力為2000kN,計(jì)算模型如圖8所示。計(jì)算中對(duì)有活絡(luò)頭的一端,荷載采用面荷載,而沒(méi)有活絡(luò)頭的一端荷載平均加載到圓環(huán)形的所有節(jié)點(diǎn)上。計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。有活絡(luò)頭一端,最大變形值為4.435mm,出現(xiàn)在圍檁受壓區(qū)邊緣處。計(jì)算結(jié)果中最大應(yīng)力出現(xiàn)在圍檁受壓區(qū)腹板處,大小為624N/mm2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出鋼板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。該處很有可能會(huì)發(fā)生塑性變形,導(dǎo)致支撐體系的失效,因此實(shí)際使用中應(yīng)引起足夠重視,對(duì)應(yīng)力集中部位要進(jìn)行有效的加強(qiáng)措施,在受壓區(qū)應(yīng)加設(shè)加勁肋,即在平行型鋼腹板處加設(shè)一定量鋼板。圍檁采用加勁肋后模型如圖11所示,其變形和應(yīng)力分布如圖12、圖13所示。通過(guò)計(jì)算可知,最大變形值為1.61mm,最大應(yīng)力值為60.4N/mm2。比較后可以發(fā)現(xiàn),通過(guò)加勁肋后鋼圍檁受壓處最大應(yīng)力明顯減少,可以證明鋼圍檁設(shè)置加勁肋能有效提高圍檁的整體剛度,確保施工的安全可靠。3.3預(yù)埋鋼板應(yīng)力分析圖14為鋼支撐斜撐支座。圖中角根據(jù)斜撐角度確定,采用厚的20mm鋼板制作,板與板之間滿焊,焊縫高度為10mm。對(duì)于該斜撐支座,我們通過(guò)ansys有限元數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算,焊縫處固接,與鋼管支撐接觸面采用環(huán)形均布荷載代替鋼管軸向壓力。計(jì)算過(guò)程中,取軸向壓力大小為2000kN,加載后支座變形和屈服應(yīng)力如圖15、16所示:節(jié)點(diǎn)的最大變形值為1mm,出現(xiàn)在與鋼管支撐接觸面中心兩側(cè)。計(jì)算結(jié)果中,最大應(yīng)力出現(xiàn)在與鋼管撐接觸面的上方和周圍,其大小為362N/mm2。由于在鋼板與預(yù)埋鋼板焊接處同樣存在著較大的應(yīng)力,所以在實(shí)際使用中,也應(yīng)引起足夠的重視,對(duì)應(yīng)力集中部位應(yīng)進(jìn)行有效的加強(qiáng)措施。而支座的其余部分則變形較小,其應(yīng)力值與最大應(yīng)力相差了一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。4鋼支撐節(jié)點(diǎn)的變形控制基坑設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中(尤其是深大基坑),必須對(duì)支撐系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)(特別是多支撐交匯的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié))作深入分析和謹(jǐn)慎處理,以避免“一點(diǎn)失穩(wěn),全盤(pán)皆垮”的災(zāi)害性事故。通過(guò)對(duì)基坑工程中常用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、鋼管和型鋼支撐不同節(jié)點(diǎn)形式的分析,結(jié)合不同形式的節(jié)點(diǎn)受力變形數(shù)值計(jì)算模擬,以及對(duì)節(jié)點(diǎn)薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)后的強(qiáng)度驗(yàn)算,證明了鋼支撐同圍護(hù)之間的節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)的必要性,使鋼支撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有了定量的依據(jù)。我們針對(duì)影響節(jié)點(diǎn)的受力變形因素,總結(jié)出了