王 卓

(德希尼布天辰化學工程(天津)有限公司上海分公司，上海 200031)

0 引言

隨著建筑工藝的不斷革新和建筑理念的日益轉變，鋼結構建筑在21世紀的民用和工業(yè)領域中得到廣泛應用。鋼結構連接方案和節(jié)點構造是鋼結構設計中的重要環(huán)節(jié)，在鋼結構安裝連接和需要經常拆裝的結構中螺栓連接應用十分普遍，其中高強螺栓更是以其連接緊密、受力良好、耐疲勞、可拆換、安裝簡單、比普通螺栓變形小的特點而使用廣泛。

端板連接主要用于鋼梁與鋼柱的翼緣的剛性連接，端板通過高強度螺栓與鋼柱的翼緣連接，端板與鋼梁端部通過焊縫連接。端板連接不適用于鋼梁與鋼柱的腹板連接。由于我國的鋼結構節(jié)點設計中沒有關于端板連接的設計說明，所以我國在應用這種連接時主要用于次要結構的設計。如使用荷載較小的管廊結構、小型設備支架、用于現場變更的懸臂結構等。本文首先介紹美國鋼結構手冊對端板連接的實驗原理、計算方法。最后通過工程實例介紹端板連接在實際工程中的應用及端板連接和焊接剛性連接在經濟和施工工藝方面的比較。

1 實驗原理和計算方法

實驗簡圖見圖1。主要研究在逐漸加載作用下螺栓的內力。在實驗的開始階段，每個螺栓的受力相同。隨著荷載的增加，在受拉翼緣上下附近的螺栓(第3行和第4行)受到的拉力從30 kips增加到48 kips。而靠近中性軸(第2行)附近的螺栓拉力并沒有明顯的變化，靠近受壓翼緣附近(第1行)的螺栓的拉力從28 kips降到了16 kips。

圖1 端板連接在荷載作用下螺栓的內力曲線圖

以上螺栓拉力的不同主要與兩方面因素有關。第一是端板的剛度。第二是在螺栓沒有發(fā)生破壞的情況下端板是否發(fā)生屈服。如果端板的剛度足夠大，在受力的初始階段，螺栓的線性應變與螺栓到受壓翼緣的距離成正比。由于應力梯度的存在，螺栓受到的拉力存在差異，但是隨著螺栓塑性變形的發(fā)展，這種差異將減小。如果螺栓有足夠大的塑性變形，在受拉翼緣附近的螺栓將達到相同承載能力極限值。但是如果端板的剛度小，在拉力作用下，端板將發(fā)展屈曲，螺栓將不會發(fā)生前面提到的線性應變。這樣在靠近受拉翼緣附近的端板與鋼柱的翼緣之間產生撬力。

實驗結果表明:靠近受拉翼緣附近的螺栓承受主要的拉力。柔性端板節(jié)點在受拉區(qū)將產生撬力。如果在受拉區(qū)端板不產生撬力，螺栓將產生線性應變，靠近受壓翼緣附近的螺栓也可以承擔一部分的彎矩。節(jié)點的極限承載力等于受拉螺栓的拉力與螺栓中心到受壓翼緣的距離的乘積。

節(jié)點設計時的原則是:

1)節(jié)點應有足夠的強度，包括螺栓的數量、尺寸，端板的厚度;

2)節(jié)點應有足夠大的抗彎能力;

3)節(jié)點的剛度應該足夠大，保證在使用荷載作用下不發(fā)生永久變形。

根據以上實驗結果及計算機有限元模擬，美國的鋼結構手冊(第八版)給出的計算方法如下(計算簡圖見圖2)。

圖2 端板連接計算簡圖

基本假設:彎矩由翼緣傳遞，剪力由腹板傳遞。

1)翼緣承擔所有彎矩，計算出翼緣所受的拉力。

2)由翼緣拉力確定螺栓的數目和大小。不考慮撬力對節(jié)點的影響。

3)計算螺栓力臂的有效長度Pe:

4)計算端板在螺栓處的彎矩Mt。

5)計算修正的彎矩Md:

其中，

6)計算端板的厚度。

7)計算端板的有效最大寬度。

8)驗算端板的剪應力。

2 標準圖計算要點

與混凝土結構設計不同，在鋼結構設計中節(jié)點設計是鋼結構設計的重要環(huán)節(jié)。本人在做拜耳的項目時，項目使用了大量的H型鋼作為鋼結構主次梁，型鋼的型號包括HW，HM，HN，型鋼的截面高度尺寸為100 mm～500 mm。鋼梁與鋼柱連接節(jié)點的形式有端板連接(END PLATE MOMENT CONNECTION)、等強度焊接(MOMENT WELDING CONNECTION)、高強螺栓單剪連接(SINGLE SHEAR BOLT CONNECTION)、高強螺栓雙剪連接(DOUBLE SHEAR BOLT CONNECTION)。對于端板連接形式，為了提高工作效率，用EXCEL表格計算每一種H型鋼在滿足構造要求的前提下的端板連接，主要計算以下幾個方面:

1)鋼梁的抗彎、抗剪承載力計算。

根據GB 50017-2004鋼結構設計規(guī)范條款4.1.1和4.2.2計算出鋼梁最大可以承擔的彎矩和剪力。

2)螺栓的抗彎、抗剪承載力計算。

根據GB 50017-2004鋼結構設計規(guī)范條款7.2.2和前面提到的美國的鋼結構手冊(第八版)計算出螺栓組最大可以承擔的彎矩和剪力。

需要注意的是，對于螺栓的構造要求如螺栓中心間的距離、螺栓中心距邊緣的距離、螺栓中心距翼緣的距離要滿足國標的要求。

3)焊縫的抗彎、抗剪承載力計算。

假定所有的剪力由腹板處雙面角焊縫承擔，所有的彎矩由翼緣處的對接焊縫和腹板處的雙面角焊縫共同承擔。計算出焊縫可以承擔的最大剪力和彎矩。

4)取上面三個步驟計算出的抗彎、抗剪承載力的最小值作為抗彎、抗剪承載力設計值，用來計算端板的厚度、驗算鋼柱的翼緣、腹板的強度、計算鋼柱加勁肋的厚度。

其中，端板的厚度可以用如下公式計算:

對于鋼柱的翼緣和腹板的強度驗算、鋼柱加勁肋的厚度計算與采用鋼梁和鋼柱的焊接節(jié)點的計算相同，可以見《鋼結構連接節(jié)點設計手冊》(第2版)的公式。

從計算的結果來看:

1)鋼梁的抗彎、抗剪承載力要分別大于螺栓和焊縫的抗彎、抗剪承載力。

2)對于抗彎承載力，當梁的截面高度不大于200 mm時，梁的抗彎承載力由焊縫的抗彎承載力來確定，當梁的截面高度大于200 mm時，梁的抗彎承載力由螺栓的抗彎承載力來確定。

3)對于抗剪承載力，當梁的截面高度不大于300 mm時，梁的抗剪承載力由焊縫的抗剪承載力來確定，當梁的截面高度大于300 mm時，梁的抗剪承載力由螺栓的抗剪承載力來確定。這樣就可以對每一種截面形式作出詳細的節(jié)點圖，例如對于HW200，HM250，HW250梁設計的端板節(jié)點見圖3。

圖3 標準圖

需要說明的是，對于每一種截面形式，可以計算出起控制作用的抗彎、抗剪承載力與鋼梁的抗彎、抗剪承載力的比值。在選擇標準圖進行設計時，當這個比值大于PKPM計算出來的鋼梁的強度比率就可以采用標準圖中的節(jié)點詳圖，這樣就簡化了設計。例如對于HW200的截面，起控制作用的抗彎、抗剪承載力與鋼梁的抗彎、抗剪承載力的比值分別為0.93和0.97，當PKPM計算鋼梁的承載力比值小于上面的值，就可以按照標準節(jié)點圖進行設計。

3 工程造價和施工工藝比較

在上海拜耳項目中，在主體鋼結構完成及設備就位以后，后期仍然有相當多的支架變更。這些管道支架與主體鋼結構的連接形式的不同，產生的費用和施工的復雜程度也相差很大，如果能夠合理選用支撐方式，節(jié)省的費用也非?？捎^。

例如:前提條件:主體鋼結構鋼柱型號為XH800B，管道支架支撐梁截面為HM450，挑梁長度為1.45 m。梁端與框架柱的連接方式可選:端板連接或者焊接連接。

通過對上述連接方式進行對比分析，端板連接造價達到6 473元，高于焊接連接的5 897元，高出9.7%。這是由于螺栓和端部厚板的使用增加了費用。但是端板連接的優(yōu)點是施工簡便。端板連接用磁力鉆在鋼柱翼緣上鉆孔，而焊接連接需要在鋼柱上進行焊接，操作復雜，焊接的質量難以保證，且對鋼柱產生應力損傷。工程設計師可以根據現場的具體情況選擇連接的節(jié)點形式。

［1］GB 50017-2004，鋼結構設計規(guī)范［S］.

［2］鋼結構連接節(jié)點設計手冊［Z］.(第2版).

［3］多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件(墻元模型)SATWE用戶手冊及技術條件［Z］.

［4］Guide to design criteria for bolted and riveted joints(second edition)［Z］.

［5］AISC 360-05 Specification for structural steel buildings［Z］.