钢支撑与围护连接节点的受力分析

钢支撑与围护连接节点的受力分析

近年来，钢结构支撑体系在维护结构中得到了广泛应用。对于支撑系统来说,其组成构件一方面需要保证符合设计要求,另一方面,各构件之间的节点连接情况也是保证整个系统支撑性能的重要环节。对于钢结构支撑体系,其支撑构件与连接节点多采用拼装式,而节点连接的设计与验算,对整个系统起着重要的影响作用。目前,对于钢支撑节点设计的研究相对较少,因此有必要对其进行研究分析,以满足实际设计与施工的需要。1钢筋混凝土支撑结构施工技术中的应用要求深基坑的支护体系由两部分组成:一是围护结构,二是基坑内的支撑系统。深基坑各类支撑系统既要轻巧,又需要足够的强度、刚度和稳定性,这样才能保证施工的安全性、经济性和方便性,因此,支撑结构的设计是目前施工方案技术设计的一项重要内容。在深基坑的施工支护结构中,常用的支撑系统按其材料可以分为:钢管支撑、型钢支撑、钢筋混凝土支撑、钢和钢筋混凝土的组合支撑等。这些支撑系统在实践中都有各自的特点和不足之处:钢支撑材料的消耗量小,可以施加预应力以合理地控制基坑变形。钢支撑的架设、拆除速度较快,有利于缩短工期,但是钢支撑系统的整体刚度较弱,由于要在两个方向上施加预紧力,所以纵、横杆之间的连接始终处于铰接状态,形不成整体的刚接;钢筋混凝土支撑结构整体刚度好、变形小、安全可靠,但其施工制做时间长于钢支撑,且拆除工作比较繁重,材料的回收利用率低。钢筋混凝土支撑因其现场浇筑的便利性和高可靠度,而在国内较广泛地被采用,但就支撑结构的发展方向而言,更应推广施工钢支撑,同时提高支撑结构的施工水平。支撑结构体系由围檩、支撑杆或支撑桁架、立柱、立柱桩等杆件组成。支撑结构的围檩直接与围檩护壁连接,围檩护壁上的力,通过围檩传递给支撑结构体系,因此围檩的刚度对整个支撑结构的刚度影响很大,所以一般情况下,在设计中须注意围檩杆件的加强。支撑杆是支撑结构中的主要受压杆件,支撑杆相对于受荷面来说,有垂直于荷载面和倾斜于荷载面两种。斜支撑杆应注意其和围檩连接节点的力的平衡。支撑杆由于受自重和施工荷载的作用,是一种压弯杆件,需在各受压支撑杆件中增设三向束点构造以减短压弯支撑杆件的计算长度,或将支撑杆设计成为支撑桁架,这将加强支撑杆件的刚度和稳定性。支撑结构各杆件之间的连接,应按照传力明确、刚度足够、方便装拆的原则进行设计。2地铁车站工程中钢支撑应用必要性目前常用的钢支撑结构是钢管支撑结构和型钢支撑结构。这两类支撑以其重量轻、刚度大、装拆工作量小、可重复使用、材料消耗少的特点,而在国外被广泛采用。但是我国建筑业的支撑杆件、附件配备还不够充足,支撑节点间千斤顶和压力计等预加轴力装置及配件还不够齐全,所以在基坑开挖工程中,除在地铁车站长条形基坑中被广泛采用外,在高层建筑地下大面积深基坑中较少使用。但对于已开始使用钢支撑的高层建筑深大基坑项目,我们已从中取得有效控制变形的技术经验。钢支撑常用的材料有钢管和型钢两种。钢管多用φ609mm钢管,有多种壁厚(10mm、12mm、14mm、16mm)可供选择。型钢支撑多用H型钢,组合型钢也可作为钢支撑。其平面布置常用的有:对撑、角撑、边桁架、边框架、圆拱形撑等。一般情况下,对于平面形状接近方形且尺寸不大的基坑,宜采用角撑;对于形状接近方形但尺寸较大的基坑,宜采用环形、边桁架支撑;对于长方形基坑,宜采用对撑或对撑加角撑。钢结构的连接方法可分为焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接等。目前焊缝连接已取代铆钉连接,成为钢结构的主要连接方法,同时高强度螺栓在一些较大的安装连接中也得到了较多的使用。3基坑节点形式钢支撑在使用过程中,对于不同的围护和基坑形式所采用的节点形式是不同的。以下对工程中常使用的一些接头形式进行介绍,对其强度验算和受力变形机理做一定研究。3.1型钢安装杆件承载力的计算方法计算中采用的钢管为φ609mm、t=16mm的Q235圆形钢管,H型钢采用400mm×400mm×20mm规格,节点接头连接采用角焊缝。其截面形状与尺寸如图1所示。由钢结构设计规范,通过计算可以得到Q235圆形钢管极限承载力和计算长度变化曲线,如图2所示。图3为400mm×400mm×20mmH型钢极限承载力和计算长度关系曲线。通过对图2、图3的比较可以得出,钢支撑杆件极限承载力,是随着长度的增加而减小的。图4为钢支撑与地墙连接节点。我们在地墙与活络头连接处预埋钢板,并将活络头或钢管直接焊接在预埋钢板上,在接头处我们主要对焊缝进行验算。图5为钢管斜支撑同地下连续墙节点。钢管撑通过H型钢焊接在地墙预埋钢板上。3.2围有限元分析钢管支撑之间的连接形式如图6所示,两钢管通过螺栓和中间法兰进行连接,螺栓其固定作用,杆件轴向受压。图7为施加预应力钢管支撑接头,主要通过中间活络头中千斤顶对支撑施加预应力。图中围护结构采用围护桩,支撑处加设钢围檩,围檩由两根平行H型钢焊接而成,围檩放置在在钢牛腿上,钢支撑的另一端则直接支撑在钢围檩上。根据上述两种连接方式,本文运用ansys有限元计算软件,对实际接头进行简化模拟计算。假设钢管支撑轴向压力为2000kN,计算模型如图8所示。计算中对有活络头的一端,荷载采用面荷载,而没有活络头的一端荷载平均加载到圆环形的所有节点上。计算结果如图9、图10所示。有活络头一端,最大变形值为4.435mm,出现在围檩受压区边缘处。计算结果中最大应力出现在围檩受压区腹板处,大小为624N/mm2,远远超出钢板的设计强度。该处很有可能会发生塑性变形,导致支撑体系的失效,因此实际使用中应引起足够重视,对应力集中部位要进行有效的加强措施,在受压区应加设加劲肋,即在平行型钢腹板处加设一定量钢板。围檩采用加劲肋后模型如图11所示,其变形和应力分布如图12、图13所示。通过计算可知,最大变形值为1.61mm,最大应力值为60.4N/mm2。比较后可以发现,通过加劲肋后钢围檩受压处最大应力明显减少,可以证明钢围檩设置加劲肋能有效提高围檩的整体刚度,确保施工的安全可靠。3.3预埋钢板应力分析图14为钢支撑斜撑支座。图中角根据斜撑角度确定,采用厚的20mm钢板制作,板与板之间满焊,焊缝高度为10mm。对于该斜撑支座,我们通过ansys有限元数值计算软件进行了模拟计算,焊缝处固接,与钢管支撑接触面采用环形均布荷载代替钢管轴向压力。计算过程中,取轴向压力大小为2000kN,加载后支座变形和屈服应力如图15、16所示:节点的最大变形值为1mm,出现在与钢管支撑接触面中心两侧。计算结果中,最大应力出现在与钢管撑接触面的上方和周围,其大小为362N/mm2。由于在钢板与预埋钢板焊接处同样存在着较大的应力,所以在实际使用中,也应引起足够的重视,对应力集中部位应进行有效的加强措施。而支座的其余部分则变形较小,其应力值与最大应力相差了一个数量级左右。4钢支撑节点的变形控制基坑设计与施工过程中(尤其是深大基坑),必须对支撑系统的各节点(特别是多支撑交汇的关键节点构造细节)作深入分析和谨慎处理,以避免“一点失稳,全盘皆垮”的灾害性事故。通过对基坑工程中常用的围护结构、钢管和型钢支撑不同节点形式的分析,结合不同形式的节点受力变形数值计算模拟,以及对节点薄弱部位进行加强后的强度验算,证明了钢支撑同围护之间的节点加强的必要性,使钢支撑节点设计有了定量的依据。我们针对影响节点的受力变形因素,总结出了