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专栏上线|17钢标疑难浅析(8)

GB50017—2017《钢结构设计标准》(简称17钢标)已于2018年7月1日正式实施。对比前一版的GB50017—2003《钢结构设计规范》,17钢标在内容上进行了大量的修订和增补,特别是增加了诸如钢结构设计直接分析法和钢结构抗震性能化设计等新内容。为使大家在应用17钢标进行设计时能够正确理解条文和条文说明,钢结构公众号(id:steel_construction)在2019年特设专栏刊登《钢结构》编委、17钢标主编王立军大师的系列讲座“17钢标疑难浅析”。

有别于通常对标准的讲解材料和专题报告,本系列讲座的问题直接来源于17钢标的条文及条文说明,通过构想作者与读者共同学习17钢标的场景,发掘出读者在应用17钢标进行设计时即使反复研习了条文和条文说明仍有理不清的那个问题,从标准编制者的角度为读者理清问题的概念、逻辑和关联,打通从标准条文、条文说明到设计应用之间的最后一道屏障。

该系列讲座将每月推送一期,每期刊登三个问题,从第二期开始,我们将刊登读者对前期问题的讨论及作者对讨论的回复,同时也将在钢结构期刊上刊出(本期内容见2019年8月的《钢结构》期刊),欢迎大家关注和留言,就当期内容热情讨论,我们会整理汇总给作者。留言方式见文末。

22 销轴连接

(第11章第6节)

22.1 材料

销轴采用建筑钢材时,如Q345、Q390、Q420、Q460 等,强度设计值、采用第4章给出的设计强度值; 采用其他类型的机械钢材时,如45 号钢、35CrM0、40Cr等,应按4. 1. 5 条的要求确定设计强度指标,此时,抗力分项系数一般在1.1~1.2之间。

22. 2 计算

22. 2. 1 耳板

按受力机理,耳板有四种破坏模式(图1)。

a—耳板净截面受拉; b—耳板端部劈开; c—耳板端部受剪;

d—耳板面外失稳。

图1销轴连接中耳板4种承载力极限状态

1) 净截面受拉。

轴向受拉构件,强度计算按17 钢标第7. 1. 1 条进行,即分别进行毛截面的屈服计算和净截面的断裂计算。

毛截面屈服:

净截面断裂:

式(2) 推导如下:

式(3) 中考虑抗力强度的抗力分项系数γuR的离散性较大,因此取屈服强度的抗力分项系数γ的1. 25 倍采用,屈服强度抗力分项系数γ取1. 111。

式(3) 可写成:

当屈强比时,式( 4) 变为:

从式(1) 和式(5) 可见,此时式(5) 起控制作用。

对于Q420 及以下钢材,屈强比,强度计算由式(1) 和式(4) 控制。对于Q460 及以上钢材,屈强比,强度计算由式(4) 控制。

对于耳板( 图2、图3) 的净截面受拉强度计算,17 钢标采用以下公式:

图2 销轴连接耳板

图3 销轴连接耳板受剪面示意

上述公式基本与欧标EN 1993-l-8∶2005 的公式相同,以净截面受拉为前提,采用屈服强度设计值进行计算。可以看出,总体上说,式(6) 比式(4)偏严。

2) 端部劈开。

式( 9) 引自欧标EN 1993-1-8∶2005。

3) 端部受剪。

式中: Z为耳板端部抗剪截面宽度,注意到耳板端部弧形与销轴孔为同心圆,利用三角形关系可以得到式(11) 。

标准同时对耳板的构造要求做出规定。对于耳板两侧宽厚比b/t,要求不宜大于4,以避免耳板面外失稳。

对于端部边距的的规定,来自美标AISC 360-05,意图是以此保证不发生端部劈开破坏。

式 (8) 是指有效宽度be不能超过实际的宽度b。此处不能理解为b要大于2t+16。因此,虽然耳板端部弧形与销轴孔为同心圆,也可以通过控制b使其不在同心圆上。

22. 2. 2 销轴

1) 承压强度。

式中:为销轴连接中耳板的承压强度设计值。

2) 抗剪强度。

式中:为销轴抗剪强度设计值; nv为受剪面数目。

3) 抗弯强度。

式中:为销轴抗拉强度设计值; te为两边耳板厚度; tm为中间耳板厚度; M为销轴计算截面弯矩设计值。

23 加劲钢板剪力墙

( 第9章)

第9.2.3 条式( 9.2.3-1) 、( 9.2.3-2) 给出了设置纵横加劲肋的钢板剪力墙经济性区隔宽厚比。

第9.2.4 条给出了不考虑钢板剪力墙整体失稳的纵横加劲肋的设置要求。

第9.2.5 条为钢板墙局部稳定性(区隔稳定性) 计算要求。

式( 9.2.5-7) 、( 9.2.5-8) 中的弯曲正应力和剪应力应为工况组合应力。式( 9.2.5-9) 中的竖向重力荷载应力为恒载加活载组合应力。

虽然不希望钢板墙承受竖向应力,但因构造的原因,钢板墙与周边框架是连成一体的,它仍要产生竖向应力。考虑到钢板墙承受竖向力的能力差,式( 9.5.2-9) 给出了一个折减系数0.35。考虑到竖向加劲肋等有利因素,这个系数可取0.5。

参见15高钢规式(B.2.7) 可知,这个钢板墙的竖向重力荷载应力为整体计算分配到的应力。

在加劲钢板墙实际应用中,要注意以下几点:

1) 上述稳定性计算的控制工况通常为地震组合工况。

2) 式(9. 2. 5-8) 计算中,多遇地震下抗剪强度设计值应考虑抗震调整系数0. 8,并应扣除钢板墙对周边框架提供侧向稳定所需的抗剪能力部分。这个值可按15高钢规式( 7. 3. 2-10) 考虑,比如结构的屈曲因子是13. 2,这个值应为3/13. 2 = 0. 23,即抗剪强度设计值只能考虑0. 77 的比例用于做钢板墙承载力计算。

3) 钢板墙通常是后装,即施工到一定楼层高度再安装钢板墙。因此上述计算公式要考虑施工模拟。

4) 对比15 高钢规式( B.2. 5) 第三项采用σG,可知式( 9. 2. 5-10) 第三项采用σσ为地震工况组合内力概念更准确一些。

5) 考虑到钢板墙受力后竖向刚度会降低并向周边框架卸载,计算钢板墙内力时可考虑竖向刚度的折减,折减系数可取0. 5 左右。这个折减系数会降低弯曲压应力和竖向压应力,但对剪应力几乎无影响。

24 钢管混凝土柱

( 第15.2.3 条、第15.3.3 条)

第15. 2. 3 条: 矩形钢管混凝土柱应考虑角部对混凝土约束作用的减弱,当长边尺寸大于1 m 时,应采取构造措施增强矩形钢管对混凝土的约束作用和减小混凝土收缩的影响。

相比圆钢管,矩形钢管对混凝土的约束作用较弱,因此对于矩形钢管混凝土柱,一般规定当边长大于1. 0 m 时,应考虑混凝土收缩的影响。目前工程中的常用措施包括柱子内壁焊接栓钉、纵向加劲肋等。

第 15. 3. 3 条: 圆形钢管混凝土柱应采取有效措施保证钢管对混凝土的环箍作用; 当直径大于2 m时,应采取有效措施减小混凝土收缩的影响。

圆钢管混凝土的环箍系数与含钢率有直接的关系,是决定构件延性、承载力及经济性的重要指标。钢管混凝土柱的环箍系数过小,对钢管内混凝土的约束作用不大; 若环箍系数过大,则钢管壁可能较厚不经济。当钢管直径过大时,管内混凝土收缩会造成钢管与混凝土脱开,影响钢管和混凝土的共同受力,而且管内过大的素混凝土对整个构件的受力性能也产生了不利影响,因此一般规定,当直径大于2 m 时,圆钢管混凝土构件需要采取有效措施以减少混凝土收缩的影响,目前工程中常用的方法包括管内设置钢筋笼、钢管内壁设置栓钉等。

疑难浅析问题讨论

问题: 角焊缝连接的抗拉、抗压和抗剪强度设计值为何相同?

答: 角焊缝在各个方向受力本质是一样的,都相当于剪切破坏,所以其抗拉、抗压和抗剪强度设计值相同。

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来源:王立军. GB 50017-2017《钢结构设计标准》疑难浅析(8)[J]. 钢结构,2019,34(8):105-107.

DOI:10.13206/j.gjg201908021

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该篇文章刊载于《钢结构》2019年第8期,如需购买请点击以下链接:

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作者: ganggouren

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