大型電廠框排架鋼結構體系典型連接的設計

牛 斌

(1.中冶上海寶冶鋼結構設計院，上海 200941;2.無錫金城幕墻裝飾工程有限公司，江蘇無錫 214123)

大型火力發電廠的主廠房按汽機房、除氧間、煤倉間、鍋爐房順列式布置，承重結構很多采用高強螺栓連接的支撐—框排架鋼結構。為抵抗地震作用，主廠房縱橫向均設置柱間垂直支撐以保證結構的整體穩定性?？v向為鉸接框架加支撐，水平荷載由柱間支撐承擔;橫向由剛接框架抵抗水平荷載，橫向柱間垂直支撐每軸均設置。圖1是采用國標設計的印度某電廠帶中心支撐的縱向框架節點，連接螺栓均為承壓型高強螺栓，其中支撐和節點板的連接是個典型的軸拉(壓)連接，本文不再述及，而針對該類型的節點板、端板螺栓群和焊縫計算的相關資料少有介紹，為便于設計這種復雜連接節點，對其作一討論，以供同行參考使用。

圖1 梁柱鉸接帶中心支撐典型節點

1 節點內力的分配

在計算模型中支撐和梁是沒有直接傳力關系的，如何利用分析成果，正確求出各組螺栓、焊縫的受力，是進行連接計算首先要解決的問題。建立有限元模型固然是個較好的辦法，但面對眾多的節點，這種計算方案顯然不是工程設計實際想要的，為此筆者提出了分算和合算兩種模式。

分算模式:支撐力通過A，B處的焊縫和螺栓群分別傳給梁柱，梁端力加上A處螺栓群傳來的力，再通過C處的焊縫和螺栓群最終傳給柱。各焊縫、螺栓按照剪拉(壓)模型進行設計計算。

合算模式:B和C處的焊縫及螺栓群作為一個整體考慮，在支撐和梁端力的共同作用下，按照拉(壓)彎剪的模型對其進行設計計算。此時，A處的焊縫及螺栓群所受的力仍然按照分算方案的取用。

上述兩種方案都涉及A，B處焊縫及螺栓群的內力求算，根據規范［1］有關板件的計算內容，做擴展性推導，首先求出A，B處焊縫及螺栓群與支撐方向一致的合力，注意到支撐與梁、柱軸線匯交于一點，分情況討論如下:

1)當支撐軸線穿過A，B之間，并與A，B處的焊縫和螺栓群區域無相交時，以支撐軸線分界，可以認為A，B處的焊縫和螺栓群各自分擔支撐內力的50%，即:

2)當支撐軸線跨過A處的部分焊縫和螺栓群，即支撐偏向梁側，則以支撐軸線分界，可以認為軸線兩側各分擔支撐內力的50%，如圖1所示。容易得到:

3)當支撐軸線跨過B處的部分焊縫和螺栓群，即支撐偏向柱側，以支撐軸線分界，參照第2)項，同理可得:

使用上述內力進行分解不難得到A，B處焊縫及螺栓群傳遞的軸力和剪力，對焊縫而言，通過規范［1］的相關公式就可進行檢驗。對螺栓而言，則需要區分受力情況是剪拉還是剪壓，剪壓工況時可只進行螺栓的受剪承載力計算，剪拉工況則須根據相關公式進行剪拉承載力計算。

在分算模式下，C處焊縫及螺栓群會承受來自螺栓群A的偏心荷載，加上梁端剪力，該處的螺栓及焊縫承受的內力性質為彎剪拉或彎剪壓，計算較為單一，不再贅述。

最后應取分算與合算的較大值作為實際采用的設計內力。

2 節點板的設計

當支撐為拉桿時，板件僅需進行強度計算，板的拉、剪撕裂線驗算，即板塊抗拉脫承載力驗算，包括板件的分塊驗算和整塊驗算，分塊撕裂線為1-2-3，4-5-6-7，8-9-10;整塊撕裂線為1-2-a-b-9-8。根據規范［1］，節點板在拉剪作用下的抗拉脫承載力設計值應滿足:

其中，ηi為拉剪折算系數;li為第i破壞段的長度，取板件中最危險的破壞線并扣除螺栓孔徑的凈長度。也可用有效寬度法驗算節點板的抗拉強度，有效計算寬度be，見圖1。

當支撐為壓桿時，需要保證板件的強度和穩定性。為簡化節點板的穩定性計算，一方面采取構造措施來保證板的穩定，板厚t不小于支撐的腹板厚，角鋼端部，節點板自由邊，否則應對自由邊設置加勁肋予以加強;另一方面節點板嵌固點保留一個小距離，可使節點板在大震時產生平面外屈曲，從而減輕對支撐的破壞，因而規范［2］規定抗震等級為一、二級時，支撐端部至節點板最近嵌固點在沿支撐桿件軸線方向的距離，不應小于節點板厚度的2倍，即c/t≥2。

3 端板連接的計算

節點板A，B處的端板為懸臂型，化為等效梁來計算彎矩，從而確定需要的厚度。若從彈性工作階段出發，板的彎矩為Me=aNt，Nt為螺栓的設計拉力，須使 Nt≤Ntb，Ntb為螺栓的抗拉強度設計值。按彈性抵抗矩計算，需要板厚為:

若從塑性工作階段出發，充分利用板的塑性，則需計入撬力［3］。按承載能力的極限計算時，板的彎矩為Mp=Tua/2，按塑性抵抗矩計算，需要板厚為:

此時由平衡條件，螺栓的撬力Q=Tua/(2c)，則螺栓的拉力為 Pu=Tu/2+Q=Tu(a+c)/(2c)，須使 Pu≤Ntb。

撬力的計算見圖2。

圖2 撬力的計算

通過以上分析可知，彈性條件下的端板變形很小，螺栓計算可忽略撬力的影響;而塑性條件下雖然可以充分利用板的強度，但不能忽視撬力對螺栓的附加作用。由于各種情況下螺栓都不允許超過抗拉強度設計值，合理的順序應是螺栓布置首先滿足強度要求，然后再由螺栓達到抗拉設計強度時所確定的板的彎矩，按照彈性階段的公式計算端板厚度。

C處梁柱鉸接連接的端板，如果近翼緣內側不配置螺栓，應采用無加勁肋端板的相應公式［4］，即:

其中，S為螺栓間距。

如果近翼緣內側配置螺栓，則還應按兩邊支承類端板的相應公式［4］計算該處的端板，不再詳述。

另外，端板尚應滿足一定的構造要求，各自厚度不應小于節點板和梁腹板的1.5倍，并不小于a/8。

4 連接的抗震設計

為體現鋼材動靜強度和抗震設計與非抗震設計可靠指標的不同，鋼材、螺栓及焊縫的各種強度設計值需除以承載力抗震調整系數，其計算強度和穩定系數分別取0.75和0.8，同時本著強節點的設計原則，對地震組合內力作用下的彈性設計，要求連接的承載力設計值不應小于相連構件的承載力設計值。

地震作用下結構的彈塑性變形直接依賴于結構實際的屈服強度，對節點極限承載能力驗算時，要求連接的極限承載力設計值不應小于相連構件的屈服承載力設計值，后者需采取鋼結構抗震設計的連接系數進行修正。考慮框架梁一般為彎矩控制，剪力控制的情況很少，其設計剪力應采用與梁屈服彎矩相對應的剪力:

特別地，如果梁截面受剪力控制，參照抗震規范［2］對于偏心支撐消能梁段采用腹板全截面屈服時的剪力計算公式，當梁內無軸力或Nb≤0.15Af時，梁端剪力Vbu可保守取全塑時腹板抗剪強度，即腹板受拉承載設計值的倍。

當梁內有軸力或Nb＞0.15Af時，根據材料力學第四強度理論的公式:

我們不難推出:

應使節點極限抗剪承載力不小于以上梁的極限抗剪承載力的最小值，即:

5 需要注意的問題

該典型節點實際是個半剛性節點，但由于節點設計在結構分析之后，故而在分析模型中難以準確模擬，一般梁柱都是按鉸接處理，故梁端只有剪力，在無樓層處或許還有軸力存在。為了解決這一問題，建議對A，B處的螺栓和焊縫留有適當的余量，可增加20%的螺栓數量和20%的焊縫高度來解決這個誤差，如圖1所示，把焊縫和螺栓向外延伸布置。中心支撐在框架梁、柱界面上分配的內力大小是受實際螺栓群布置影響的，為減輕支撐力對梁端的不利影響，實際進行螺栓布置時，應盡量多在柱上布置。對連接的極限承載力進行計算時，螺栓和焊縫的承載力應取極限值，并且高強度螺栓應按承壓型螺栓考慮。

6 結語

通過分算與合算兩種模式，可以正確和高效的求解支撐內力在節點處的分配，解決了批量節點計算的首要前提;支撐—框排架結構體系復雜，質量和剛度分布既不規則也不均勻，要采取構造措施保障節點區的穩定性和強度，按規范作必要的擴展性推導，全面的驗算連接的彈性承載能力和極限承載力，避免連接區成為設計過程的薄弱環節。

［1］GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［3］陳紹蕃.鋼結構設計原理［M］.第3版.北京：科學出版社，2005.

［4］李星榮.鋼結構連接節點設計手冊［M］.第2版.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［5］丁蕓孫，劉羅靜.鋼結構設計誤區與釋義百問百答［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［6］郭 兵，顧 強.多層鋼框架中梁柱端板連接的強度和剛度［J］.建筑結構學報，2004，25(2)：27-31.