萬能桿件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探討

1、萬能桿件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探討劉曉初*楊壽忠，黃澤成，潘 波（重慶城建（控股）集團(tuán)有限責(zé)任公司，重慶400013）摘 要：介紹了萬能桿件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)萬能桿件設(shè)計(jì)方法的選擇及設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行了深入地探討，并針對(duì)萬能桿件結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)中存在的常見問題提出了改進(jìn)措施 指出只有深入理解萬能桿件結(jié)構(gòu)，了解萬能桿件結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，使用正確的 設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算中核，才能真正做好萬能桿件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵詞：萬能桿件；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：tu 731.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：b文章編號(hào)：1009-7767 （2010） 01-0115-04on design method of the structure with unive

2、rsal rod bodyliu xiaochu，yang shouzhong huang zecheng pan bo名稱截面/拼裝方式螺栓直徑/可形成的螺栓剪切面數(shù)容許承載力/mm倣數(shù)）mm（雙剪時(shí)，剪切面數(shù)為螺栓數(shù)的2倍tn1 (n2)1_ 120x120x101n12n13n14n1275-710«14>15-20>21'2819.5 14&1n31_ 90x90x102n33n34n327691234.3 68.7n41_ 75x75x82n43n44n422468 121615.2 51.6n51_ 75x75x8in5x2n5222 3466

3、.5 17.2表1 ynk-m萬能桿件主要參數(shù)萬能桿件是一種為建筑業(yè)服務(wù)了兒十年的工具 式構(gòu)件，它可以隨施工的需要任意組拼。因其具有使 用方便' 可周轉(zhuǎn)使用 '成木低'承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，故 仍在廣泛使用e社會(huì)在發(fā)展，安全管理也更嚴(yán)格。萬 能桿件臨時(shí)結(jié)構(gòu)，一般作為危險(xiǎn)性項(xiàng)h采取措施進(jìn)行 控制，不僅施工單位耍進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，監(jiān)理單位或業(yè) 主聘請(qǐng)的設(shè)計(jì)咨詢單位，也要對(duì)這類結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)' 分析'驗(yàn)算，有的業(yè)主單位英至要求直接由擁有設(shè)計(jì) 資質(zhì)的設(shè)計(jì)院來進(jìn)行設(shè)計(jì)。部分施工單位'設(shè)計(jì)院或科研院校的設(shè)計(jì)人員， 對(duì)萬能桿件了解不夠，僅憑桿件截面數(shù)值便輸入電腦 進(jìn)行計(jì)

4、算，對(duì)桿件如何連接'節(jié)點(diǎn)板樣式、螺栓的直徑 與數(shù)量'拼裝的要求與限制等完全不了解，對(duì)薄弱環(huán) 節(jié)不清楚，對(duì)容許承載能力判斷不準(zhǔn)確，使設(shè)計(jì)出來 的萬能桿件結(jié)構(gòu)往往脫離實(shí)際，甚至存在嚴(yán)重的設(shè)計(jì) 缺陷和安全隱患，筆者就萬能桿件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及如何進(jìn)行設(shè)計(jì)展 開討論，供同行參考。i萬能桿件結(jié)構(gòu)1. 1萬能桿件類型萬能桿件型號(hào)有很多種，如：北京桿件、甲型、m型 桿件（簡(jiǎn)稱m系列），其弦桿n1為120x120x10；蘇 式桿件、乙型、西乙型-n型（簡(jiǎn)稱n系列），其弦桿n1為 匚100x100x12臥不同類型萬能桿件結(jié)構(gòu)和拼裝形式基 本相同，部分綴板、螺栓直徑稍有差異，鋼材有q235、 q345（

5、l6mn）等不同材質(zhì)。近年來，部分新加工的萬能桿件，如采用北京桿 件系列時(shí)，沒有120x120x10的型鋼，其n1弦桿直 接采用 1_ 125x125x10（2 437 mn?加工，采用 q235 號(hào) 鋼，截面比原 1-120x120x10（2 33（） mm?）略大 5 %.從 承載能力上可以直接按北京桿件系列取用，在設(shè)計(jì)含 n1弦桿的支承節(jié)點(diǎn)時(shí)，還應(yīng)考慮與標(biāo)準(zhǔn)北京桿件系列 有一定的誤差。以北京桿件系列ynk-m桿件為例，其主耍桿件' 拼法、螺栓數(shù)量'抗剪面數(shù)量考慮螺栓單剪和雙剪）、 容許承載力如表1所示，不同的材質(zhì)'桿件系列'桿件截面、螺栓直徑與數(shù)量， 其承

6、載能力不同，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要仔細(xì)區(qū)分、全面考慮。 1.2桿件、節(jié)點(diǎn)板'螺栓共同控制容許承載力萬能桿件結(jié)構(gòu)的容許承載能力不僅受桿件截面 控制，還要受拉壓狀態(tài)'螺栓數(shù)說、直徑、螺栓抗剪能 力'節(jié)點(diǎn)板抗擠壓能力等共同控制，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)，螺栓數(shù)量受到限制，則可能螺栓 成為控制容許承載能力的關(guān)鍵。有的時(shí)候，螺栓抗剪 能力滿足了要求，而節(jié)點(diǎn)板或桿件的螺栓孔壁擠壓又 不能滿足要求了，為了方便設(shè)計(jì)，萬能桿件結(jié)構(gòu)有1套基于容許應(yīng) 力法的完整的容許承載能力表格。萬能桿件結(jié)構(gòu)的容 許承載能力一定要根據(jù)桿件截面形式'受拉或受壓的 狀態(tài)、連接螺栓的直徑和數(shù)量進(jìn)行綜合分析，查表確 定容許承載

7、力，1.3構(gòu)造要求與萬能桿件結(jié)構(gòu)容許承載能力相匹配的，還有一 整套的構(gòu)造耍求。比如，連結(jié)角鋼n6、支承角鋼n7（封 頭角鋼）'綴板n19 n20等，n19、n20加強(qiáng)雙肢桿件 的受壓穩(wěn)定性說6加強(qiáng)弦桿與弦桿連接可靠，n7確保 弦桿端部節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性：還有很多綴板，這些綴板都 是必須按規(guī)定拼齊的，只有滿足構(gòu)造要求的萬能桿件 結(jié)構(gòu)，才能有與之相匹配的容許承載能力，1.4萬能桿件結(jié)構(gòu)存在的薄弱環(huán)節(jié)萬能桿件結(jié)構(gòu)存在一些薄弱環(huán)節(jié)（見圖1），主耍 表現(xiàn)在：1）柱梁轉(zhuǎn)換層節(jié)點(diǎn)。門式萬能桿件結(jié)構(gòu)，當(dāng)立柱和梁的受力都比較大 時(shí)，立柱豎向主桿件采用n1 （n2）弦桿，而梁的弦桿也 需采用n1 （n2）弦桿，

8、此時(shí)，就必須有1個(gè)豎向n1桿 件向水平n1桿件的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)萬能 桿件中是沒有的，必須新加工1塊節(jié)點(diǎn)板，水平向接 ni，豎向下方也能接n1，上方還要接n4這種板件 由于使用比較多，很多公司已經(jīng)作為標(biāo)準(zhǔn)化的板件進(jìn) 行設(shè)計(jì)，山于該板件與n29號(hào)板相像，比n29號(hào)板高 130 mm，所以一般稱為m29號(hào)板。由于m29號(hào)板多了 130 mm，其豎向和斜桿連接 方向節(jié)點(diǎn)板白由長(zhǎng)度加大，當(dāng)壓力較大時(shí)，節(jié)點(diǎn)板非 常容易失穩(wěn)，所以是常見的薄弱環(huán)節(jié)。2）頂層轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)。多數(shù)立柱受力較大，傳力集中，梁的跨度不大的 萬能桿件結(jié)構(gòu)，往往需要將立柱n1桿件直接延伸到 頂，而頂層為了方便設(shè)分配梁'模板體

9、系，一般又需耍 設(shè)計(jì)為n1的水平桿件，此時(shí)，頂部節(jié)點(diǎn)也要進(jìn)行新加 工，由于該節(jié)點(diǎn)板剛好為m29的下半部分，所以一般 稱之為m29-b該板件雖然能夠直接連接n1立柱，但 由于只能讓n1頂部8個(gè)螺栓受力，另外6個(gè)螺栓不 參與傳力，所以為螺栓抗剪控制。3jn1立柱或弦桿外側(cè)節(jié)點(diǎn)。n1與n1 （.n2）連結(jié)的節(jié)點(diǎn)外側(cè)有6顆螺栓，需要 增加填板方能安裝好如未安裝好這6顆螺栓，相應(yīng) 的容許承載能力則應(yīng)考慮這一影響，4）柱腳連接節(jié)點(diǎn)。一般的n1柱腳連接節(jié)點(diǎn)用n7封頭，用n6包裹， 再用新加工的柱腳連接板件與柱腳預(yù)埋鋼板焊接。在 只受壓力時(shí)，n7 -與柱腳連接板共同傳力，共有14個(gè)螺 栓受力；但受拉時(shí)，一般只

10、有8顆螺栓受力，設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)注意此項(xiàng)影響，5）n4桿件作弦桿，柱豪轉(zhuǎn)豪足板$130.版件b失®僅8協(xié)曼力11ii1.5萬能桿件結(jié)構(gòu)的總體缺陷1）非彈性變形大由丁螺栓與螺栓孔之間有1 mm萬能桿件結(jié)構(gòu)總體來說，還存在一些固有缺陷，間隙，萬能桿件結(jié)構(gòu)非彈性變形大，特別是梁式體系，主要包括：跨中非彈性變形可能達(dá)到10 cm以上"n4與n4桿件連接，由于節(jié)點(diǎn)板中間空當(dāng)較大，板 件容易失穩(wěn)，一般情況下，均不采用n4桿件作為承壓 弦桿。2）多次周轉(zhuǎn)使用難免存在桿件銹蝕'變形等問題， 設(shè)計(jì)時(shí)和材料進(jìn)場(chǎng)安裝時(shí)均應(yīng)考慮這一因素，3）桿件中間不能承受荷載，對(duì)較大荷載需要設(shè)多 層分配梁，

11、以便將荷載分散到萬能桿件節(jié)點(diǎn)上，有時(shí) 分配梁過多，分配梁可能會(huì)承受較大的扭轉(zhuǎn)荷載。2設(shè)計(jì)方法選擇2. 1容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)由于萬能桿件結(jié)構(gòu)現(xiàn)在只有基于容許應(yīng)力法形 成的i套容許承載力表格，所以最簡(jiǎn)單的計(jì)算方法仍 是采用容許應(yīng)力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即根據(jù)荷載計(jì)算出 不同桿件的最大受力，再根據(jù)相對(duì)應(yīng)的萬能桿件容許 受力表格進(jìn)行桿件、板件、螺栓配置和設(shè)計(jì)。具體步驟包括：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)算，初步確定結(jié)構(gòu) 形式t建立計(jì)算模型（輸入計(jì)算機(jī)）荷載計(jì)算結(jié)構(gòu) 受力計(jì)算t對(duì)照容許承載力表格，配置桿件 '螺栓一 驗(yàn)算擠壓強(qiáng)度等局部受力指標(biāo)t當(dāng)結(jié)構(gòu)受力超出最 大標(biāo)準(zhǔn)配辻承載能力時(shí)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型調(diào)整或進(jìn)行局 部加強(qiáng)'

12、比如加大節(jié)點(diǎn)板、多鉆螺栓孔噺加工構(gòu)件等 2.2極限應(yīng)力法計(jì)算根據(jù)gb 50017-2003 （鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范）叭現(xiàn)場(chǎng)的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般姜求采用極限應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)，但個(gè)別 設(shè)計(jì)院，還習(xí)慣性地采用極限應(yīng)力法設(shè)計(jì)萬能桿件結(jié) 構(gòu)，由于沒有相對(duì)應(yīng)的基于極限應(yīng)力法的萬能桿件結(jié) 構(gòu)受力表格，所以采用極限應(yīng)力法設(shè)計(jì)力能桿件結(jié)構(gòu) 是非常麻煩的，如要準(zhǔn)確計(jì)算整個(gè)力能桿件結(jié)構(gòu)，就需 要對(duì)桿件、節(jié)點(diǎn)板'螺栓等一起進(jìn)行極限應(yīng)力分析。要 真正建立包括節(jié)點(diǎn)板'螺栓在內(nèi)的整體模型兒乎是不可 能的。萬能桿件的節(jié)點(diǎn)形式多種多樣，逐一分析需要 花費(fèi)較多的時(shí)間，簡(jiǎn)單地將萬能桿件數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，將節(jié)點(diǎn)作為 固接或錢接，選

13、取相應(yīng)的荷載組合計(jì)算，烈后將計(jì)算 應(yīng)力與極限應(yīng)力相比較，進(jìn)行萬能桿件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這 種方法忽視了節(jié)點(diǎn)板和螺栓在不同受力狀態(tài)下的極 限應(yīng)力，是不全面的：在采用極限應(yīng)力法設(shè)計(jì)萬能桿件結(jié)構(gòu)時(shí)，可以先 將桿件的極限承載能力'相對(duì)應(yīng)于不同節(jié)點(diǎn)拼裝方式的 節(jié)點(diǎn)板極限承載能力、螺栓的極限承載能力等指標(biāo)用 軸力的形式，形成相應(yīng)的極限承載能力表格，然后再建 立力學(xué)模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，最后查表，確定相應(yīng)的桿 件、節(jié)點(diǎn)拼裝方法如果標(biāo)準(zhǔn)萬能桿件配世不能滿足受 力需耍時(shí)，再?zèng)Q定是否需耍局部加強(qiáng)或新制桿件、板件。形成萬能桿件不同桿件形式及節(jié)點(diǎn)連接的極限 承載力表格是一件較為煩瑣的事情，所以施工單位大多不采用極限應(yīng)力

14、法進(jìn)行萬能桿件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，3 萬能桿件設(shè)計(jì)步驟目前施工單位仍多采用容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)萬能桿 件結(jié)構(gòu)，基本方法和流程與極限應(yīng)力法和同，由于有 1套成熟的表格，所以設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)便，鑒于目前的實(shí) 際情況，將萬能桿件結(jié)構(gòu)作為施工臨時(shí)設(shè)施，仍由施 工單位按容許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)，相關(guān)單位也按容許應(yīng) 力法進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核'審査，是安全'簡(jiǎn)便'實(shí)際可行的，容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)萬能桿件結(jié)構(gòu)步驟如下：1）分析結(jié) 構(gòu)功能，選擇合理的萬能桿件結(jié)構(gòu)形式，可根據(jù)萬 能桿件結(jié)構(gòu)的功能要求'設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或已 有的實(shí)例選擇結(jié)構(gòu)形式，在大致確保了總體結(jié)構(gòu)形式 后，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，一般通過手算，便可以很快 確定大致結(jié)構(gòu)

15、參數(shù)，比如跨度 '桁高 '立柱位置等內(nèi)容。2）建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型或簡(jiǎn)化模型，有了萬能桿件結(jié)構(gòu)的初步形式，就可以進(jìn)行力學(xué) 模型的轉(zhuǎn)化和建立，在不影響受力控制情況下，可以 偏安全地簡(jiǎn)化模型，簡(jiǎn)化模型的原則是簡(jiǎn)化后的荷載 和受力要"包得住.，即比詳細(xì)分析要略大。合理的簡(jiǎn) 化模型可以加快設(shè)計(jì)速度，但是要求設(shè)計(jì)人員要有豐 富的經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果一般也不夠細(xì)致、偏于保守、浪費(fèi) 較大也有可能因簡(jiǎn)化不當(dāng)，忽略了 一些重要因索，對(duì) 結(jié)構(gòu)安全形成較大影響，例如：對(duì)于分2次澆筑的混凝土梁荷載，簡(jiǎn)化計(jì) 算時(shí)，常常將2次荷載全部考慮由支架承受。這種簡(jiǎn) 化方式，對(duì)支架來講，是偏安全的，但有一定的浪費(fèi)

16、如果要詳細(xì)分析，則第2次混凝土荷載應(yīng)由第1次已 澆混凝土和支架一起承受，且已澆筑混凝土的強(qiáng)度、彈 模分析 '混凝土梁與支架的剛度分配等問題，其精確 計(jì)算較為復(fù)雜。將實(shí)際結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成力學(xué)模型，應(yīng)根據(jù)技術(shù)能力和 施工需耍，進(jìn)行全面考慮。由于現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速 發(fā)展，仿真模擬技術(shù)越來越強(qiáng)，對(duì)重要結(jié)構(gòu)應(yīng)力求建 立仿真的空間模型®，要盡量與實(shí)際情況和吻合，這樣 更能清楚地發(fā)現(xiàn)各種細(xì)節(jié)問題，使設(shè)計(jì)更為合理，引荷載計(jì)算5結(jié)構(gòu)模型建立完成后，可以根據(jù)模型的粘細(xì)程序， 將結(jié)構(gòu)的各種荷載分解到結(jié)構(gòu)上。一般建模將模板下 的分配梁全部考慮進(jìn)去，使分解荷載更為準(zhǔn)確，不同 的模型其荷載的分解程度不一樣，但

17、總的要求是必須 全面考慮各種實(shí)際存在的荷載，包插一些對(duì)有重大結(jié) 構(gòu)影響的偶然荷載。荷載分解計(jì)算完成后，將荷載輸 入到結(jié)構(gòu)模世上，再根據(jù)規(guī)范要求，進(jìn)行荷載組合和最不利狀態(tài)的分析，4）結(jié)果分析與調(diào)試，模型建立、荷載確定后，可以進(jìn)行運(yùn)行結(jié)果分析 運(yùn)行結(jié)果分析主要從支座反力、內(nèi)力（應(yīng)力、撓度、穩(wěn) 定性等兒方面入手，支座反力的分析非常重要，從支座反力可以查看 出結(jié)構(gòu)模型總體是否與實(shí)際相吻合，邊界條件是否設(shè) 置合理，實(shí)際支座條件是否能達(dá)到理論要求，根據(jù)支 座反力，可以對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行調(diào)整，重新計(jì)算， 也可以要求結(jié)構(gòu)按模型要求進(jìn)行邊界條件的處理，撓度分析能直觀地檢查模型建立過程中是否存 在較大的錯(cuò)漏,部

18、分節(jié)點(diǎn)撓度異常，如相差12個(gè)數(shù) 量級(jí)以上，則應(yīng)該回頭檢查模型建立是否有誤，然后 對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，內(nèi)力（應(yīng)力分析，可以逐次對(duì)不同桿件類型進(jìn)行 分析，一般包括n1 （n2）、n3、n4、n5等4種類型。查找 每i種桿件的最大內(nèi)力值和多數(shù)桿件的內(nèi)力值，根據(jù) 內(nèi)力在標(biāo)準(zhǔn)配置條件下進(jìn)行選擇，當(dāng)內(nèi)力超過最大的 標(biāo)準(zhǔn)配置時(shí)，如超出4n1、4n3'4n4和2n5的配置時(shí)， 應(yīng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。斜桿2n5通過更換節(jié)點(diǎn)板或新加 工節(jié)點(diǎn)板，可以由n3代替，直至換成4n3,而n 1、n3、 n4桿件則可將桿件變換為型鋼，并對(duì)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)板和 螺栓進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。計(jì)算模型反復(fù)修改，使最終力能桿件結(jié)構(gòu)的撓度、 內(nèi)力

19、9;穩(wěn)定計(jì)算均滿足規(guī)范或萬能桿件的承載能力耍 求后，還應(yīng)對(duì)薄弱節(jié)點(diǎn)、孔壁擠壓等細(xì)節(jié)進(jìn)行校核，最 后，根據(jù)計(jì)算分析 '校核結(jié)果，進(jìn)行萬能桿件結(jié)構(gòu)的詳 細(xì)設(shè)計(jì)和出圖，4萬能桿件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見的問題在萬能桿件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屮，經(jīng)常出現(xiàn)一些誤區(qū)，存在 些問題，1）與n18連接的n5桿件變?yōu)閚3桿件，n5與n18板件連接時(shí)，一般作為起穩(wěn)定作用的 桿件，節(jié)點(diǎn)處僅有2個(gè)螺栓，最多設(shè)置為2n5-2個(gè)螺 栓雙剪、2個(gè)孔壁承壓、螺栓與孔壁受力均比較小，有 的設(shè)計(jì)人將n5加強(qiáng)至2n3,不但需要大竝的新制板件, 而且由于n18所處節(jié)點(diǎn)的位蜀，不能承受較大的軸向 力，在較大壓力作用下，板件易發(fā)生失穩(wěn)，所以并未達(dá) 到加強(qiáng)

20、的效果，2）將2n5加強(qiáng)至4n5,n5桿件沒有3n5、4n5的拼法，拼成4n5，板件必 須新制-部分板件可與n5或n3相連如n11、n14等， 通過更換成能與n3連接的板件，就可以加強(qiáng)2n5 （2n5 與n18之外的板件連接）至4n3,承載能力大大提高，3）忽視螺栓抗剪或抗擠壓強(qiáng)度的限制，部分桿件其螺栓的抗剪和擠壓強(qiáng)度小于桿件強(qiáng) 度，設(shè)計(jì)者若忽視這一點(diǎn)，就可能使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在安全 隱患，如果設(shè)計(jì)人員不淸楚某個(gè)節(jié)點(diǎn)的板件形式'螺栓 限制數(shù)量等，也就無法詳細(xì)計(jì)算螺栓抗剪或擠壓強(qiáng)度，4）未對(duì)薄弱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的受力分析和穩(wěn)定性 分析。薄弱節(jié)點(diǎn)應(yīng)特別注意穩(wěn)定性要求，如m29號(hào)板，易 出現(xiàn)變形 '失穩(wěn)-在構(gòu)造處理上，耍求加齊綴板的同時(shí)- 最好在該處橫向拼齊4n1+4n6