刚性连接和铰链连接
钢结构中梁柱连接通常采用柔性连接(也称铰接连接)、半刚性连接和刚性连接三种形式。工程实际中,如何判断一个节点是刚性连接、半刚性连接还是铰接连接,主要是看其转动刚度,刚性连接不应产生明显的连接角变形,即因连接角变形引起的结构抗力降低不应超过5%。
半刚性连接介于两者之间。
梁、柱半刚性连接可采用在梁端焊接端板并用高强螺栓连接,或采用上下角钢、高强螺栓与翼缘连接的方式实现。设计要求如下:
(1)端板连接端板连接节点处的力传递,可将梁端弯矩简化为一对力偶,拉力通过受拉翼缘传递,受拉螺栓对称布置于受拉翼缘上,压力可通过端板连接节点传递,板或柱翼缘承受压力并传递,可在压力区设置少量螺栓,与受拉螺栓共同传递剪力。
(2)上下角钢连接在上下角钢连接的节点中,受拉侧的连接角钢在弯矩作用下不仅使竖向腿变形,而且使水平腿也发生变形,因此角钢连接节点的刚度略低于端板节点。
连接的性能应通过以下三个指标来表征:弯曲刚度、旋转刚度和延展性(旋转能力)。
抗弯承载力是连接强度的主要项目,除抗剪强度外,还要求抗弯承载力。理论上,刚性连接承受弯矩和剪力的能力不应低于梁的承载力,即不低于梁的塑性。铰接弯矩和腹板全塑性剪切。地震区框架应有更高的要求,体现“强连接-弱构件”的原则。对于柔性连接,只要求抗剪。半刚性连接介于刚、柔性之间,连接必须具有一定的抗弯承载力。
连接的转动刚度用弯矩-转角曲线的斜率来表示,它不是一个常数,转动刚度既影响车架的变形,也影响车架的承载力,对变形的影响需要结合正常使用极限状态来分析,为此,应检查连接的初始刚度或在标准荷载作用下的割线刚度。理论上,刚性连接的刚度需要无限大,但实际应用中,只要达到一定的限度,就可以看作是刚性连接,问题是如何定量地做出定义。
转动能力是一个延性指标,塑性设计的框架要求塑性铰具有一定的转动能力,以便后续进行内力的重新分布。
1.刚性连接这种结构假定梁柱连接具有足够的刚性,梁与柱之间没有相对转动,连接能承受弯矩。这种结构假定结构在承受重力荷载时,主梁与柱之间只传递竖向剪力。连接可以不受约束地转动。
2、在传统的钢结构框架分析设计中,为了简化分析设计过程,将梁柱连接视为理想的铰接连接或完全刚性连接,认为连接的转角约束达到理想刚性连接的90%以上,可以看作刚性连接;在外力作用下,柱与梁轴线夹角的变化达到理想铰接连接的80%以上。理想铰接的假设是指梁与柱之间不存在弯矩,至于转动,铰接连接的梁与柱将各自独立地转动。
能抵抗弯矩的柱脚称为刚接柱脚,反之不能抵抗弯矩的柱脚称为铰接柱脚,刚接与铰接的区别在于能否传递弯矩,实际应用中,若锚栓在法兰外侧,则为刚接,一般不少于4个,若在法兰内侧,则为铰接,一般为2个或4个。
这两类柱脚的明显区别在于对侧向位移的控制。如果结构对侧向位移有严格的控制,则采用刚性柱脚。例如,如果有起重机载荷,起重机载荷是动态载荷,对侧向位移更敏感。而且,过大的侧向位移可能导致起重机卡在轨道上。在这种情况下,柱脚应设计为刚性连接。
“如果柱脚为铰接式,需加剪力键,锚栓不能承受剪力。”这个说法有点不严谨,应该是“如果柱脚为铰接式,一般需加剪力键。”由于钢结构铰接柱脚轴力较小,底板与基础混凝土之间的摩擦力很少能满足要求,所以大部分柱脚都需要加剪力键。
刚接与铰接连接的区别:
1、刚接节点可以传递弯矩和剪力,铰接节点只能传递剪力。
2、二者在构造上也有区别:若为刚接连接的H型钢,则上下翼缘及腹板都要有连接结构;若为铰接连接的H型钢,则只需腹板有连接结构。
一点意见!!
柱底座所受力分为:
(a)铰接柱脚 (b)刚性柱脚
混凝土结构柱底座均为刚接,即轴向力N、水平剪力V、弯矩M同时存在,因此基础尺寸相对较大。
轻钢结构中柱脚常见的连接形式有刚接和铰接两种,其受力有所不同。
1. 对于铰接柱脚,只有轴向力N和水平力
2、对于刚性柱脚,除轴向力N和水平力V外,还存在一定的弯矩M。
3、刚性柱脚的基础比铰接柱脚的基础要大。
另请注意:
对于刚性柱底座节点设计:
1.在有桥式起重机的工业厂房中使用时,柱底座应设计为
刚性。
2.刚性柱基础应注意以下问题:
基层施工单位应具备一定的技术水平
应提供剪切构件
*关于刚接和铰接的问题,理论上刚接和铰接是指节点是否可以转动,全刚接就是完全不能转动,铰接就是可以自由转动,全刚接就是说这个节点除了能承受剪切轴力和弯矩之外,节点还具有足够的刚度,节点在弯矩作用下的变形很小,理论上是没有完全刚接的,只要有作用就会有变形,实际工程中,达到一定的刚度之后,在工程中我们认为是刚接,如果能承受弯矩但是变形较大,我们就认为是半刚接,是弹性固定的。
铰好理解,可以自由转动,但不能承受弯矩,所以只能抵抗剪力和轴向力。对于具体的构件,比如工字形构件,翼缘主要承受弯曲,腹板主要承受剪切。这里讨论的同志有的没学过力学,我就简单解释一下。对于弯矩,离质心轴线越远,弯矩贡献越大,所以翼缘离质心最远,弯矩贡献最大。质心处剪应力最大,所以腹板主要承受剪切。一般来说,对于节点,比如端板连接,如果翼缘外侧布置有螺栓,端板厚度满足要求,就是刚接连接。铰接节点螺栓布置在靠近质心轴线的位置。
滑动安装方式
滑移安装方法一般可分为结构滑移法和支撑滑移法两种,下面分别介绍两种方法的施工特点。
结构滑移法
结构滑移法:其基本思想是在具备组装条件的场地将结构整体(或局部)组装好,再利用滑移系统将结构整体移动到设计位置。场地及组装机械设备可集中在相对固定的场地,与现场安装法相比,可减少临时支撑及操作平台措施用量,节省现场处理和管理费用。考虑到结构难以直接在设计位置施工,例如场地外周边施工面积有限,跨度无法满足提升设备正常移动等,此法基本构成要素只是“整体提升法”中的地面组装及反力,支撑及整体提升更换均为“横向移动”,因此与提升法本质上相同。
同时,采用此种方法至少应注意几个关键点:结构支撑有利于滑移轨道的铺设,滑移路线越长,效率越高;滑移单元应为几何不变系统,具有足够的刚度和稳定性,尽量减少滑移时的阻力。采用多点牵引实现滑移时,为避免结构在滑移过程中发生扭转,必须控制牵引的同步性,若难以保证,应充分计算和评估牵引不同步对滑移单元的影响,必要时可对滑移单元进行临时加固。在滑移单元最终固定前,结构在运动方向和与其正交的方向上都有“易滑移”的倾向。由于支撑条件与设计不同,为防止发生设计以外(即滑移平面以外)的变形,需采取防止“滑移”的措施,如在两侧支撑附近设置自平衡刚性杆或柔性索等。
此外,构造滑移法还包括逐帧滑移和累积滑移两种不同的过程。
一张一张地
单框推拉:将一块或几块推拉单元从一端移到设计位置,各推拉单元在高空连接,直接组成整体结构。
累计滑移
累积滑动:滑动单元在滑轨上只滑动一段距离(暂时不滑动到设计位置),连接下一个单元后再滑动一段距离,重复此过程,每次累积一个单元,直至所有单元都连接完毕,再推到设计位置。
一般来说,在大跨度、空间钢结构的安装方法中钢结构刚接和铰接图示,当无法设置临时支撑或使用安装吊车的条件不佳,即在建筑现场直接施工存在问题时,可以采用结构滑移法作为解决方法之一。
支撑滑动方式
支撑滑移法:支撑滑移法是在结构设计组立支撑架,为结构就地安装提供支撑和操作平台。当该部分结构安装完成后,再将支撑滑移与已安装的结构连接起来。这就为相邻结构的就地安装创造了条件,如此循环往复,直至整个结构安装完毕。因此,与结构滑移法不同的是,支撑滑移法可以概括为“不是结构滑动,而是支撑机构滑动”。 ”而结构滑移规律为“结构滑移而支撑机构不滑移”。采用支撑滑移法时,支撑架设计除了满足常规的整体与局部稳定外,还需考虑水平动荷载(起动与制动作用)综上所述,由于该方法需要利用结构跨内空间,因此当周围环境难以提供结构拼接场地时,可采用支撑滑移法。作为解决方案之一,值得注意的是,无论是结构滑移还是支撑滑移法,除了常规的直线平动外,曲线滑移也是工程实际中常见且经常采用的。
整体吊装安装方式
整体提升安装法:整体提升安装法是将要安装的结构在地面或合适的楼面投影位置进行组装,然后利用“提升系统”将整个结构向上提升到设计标高。钢结构高度较高,不利于支撑架的搭建。当钢结构外形规则时,可以采用整体提升施工法作为选择之一。
大跨度悬臂钢结构无支撑安装方法
大跨度悬挑钢结构无支撑安装法:所谓大跨度悬挑钢结构无支撑安装法,就是利用悬挑钢结构的刚度作为基础,利用起重机械在不设置支撑机构的情况下,进行高空安装。将分散部件的安装,以逐步延伸、分阶段安装的方式进行。与高空就地安装法相比,此种方法虽然也是在高空就地附近安装,但没有任何临时支撑结构,施工措施少,安装方便,工艺简单(不需卸荷),适用于结构刚度大、稳定性好、高度较高的悬挑钢结构。采用此种方法时,悬挑段因自重肯定会发生挠曲,这样会造成以下问题:构件安装坐标不明,当对安装位置有要求或有接头情况时,施工过程中结构的位置控制是最大的技术难点之一。这直接关系到竣工时结构位置能否满足要求,以及悬臂段能否顺利连接。
对于大跨度钢结构建筑,高空原空单元安装法、滑移安装法、整体提升法及大跨度悬臂无支撑安装法是目前几种典型且常见的施工方法,但必须掌握其适用条件及关键技术要点,在工程实践中合理选用。特别是近年来,大多数工程的建筑造型独特,给施工特别是安装工作带来很多困难,深入了解这些工程的结构组成,了解其荷载传递路径,熟悉施工技术的最高境界,才能根据工程所在区域周边环境条件和工程的具体要求,以及可以利用的施工资源和公司自身的专有技术,设计出最合适、最有创新性的安装方案。
1、钢结构项目管理要点
钢结构以其绿色环保、工厂化生产、使用空间大等特点越来越受到投资者的青睐。
在施工方面,钢结构是在工厂制造,运输到施工现场,因此构件吊装、测量校准、焊接等时间比钢筋混凝土施工短,施工工人数量也比钢筋混凝土结构少。
在施工管理方面,钢结构施工准备时间较长,大型钢结构施工需在项目开工前一个月左右开始详细设计、钢材采购、工厂加工等工作,以保证钢构件能连续在现场吊装。
详细设计、钢材采购、工厂加工、现场安装焊接等各个关键环节必须统一管理,并与土建、机电设备、内装修、外装修、幕墙等专业紧密配合。
由于钢结构工程本身的技术复杂性,总承包项目管理部内设立钢结构部,所有人员均为具有多年钢结构施工管理经验的专业人员,熟悉多层钢结构工程施工的技术要求和施工管理程序。将钢结构管理纳入统一的项目管理,有利于总承包项目管理部对土建、钢结构、机电设备、装修等进行协调管理,因此深化设计、加工详细设计、钢材采购、工厂加工、现场安装焊接等环节的管理是工程总承包管理的重点。
2.进度保障措施
为确保钢结构施工总体进度计划的顺利实施,总包方应对现场每日进度计划进行管理,深化设计质量工作,钢材采购,钢结构分包商选择,加工厂监理,现场仓储场地分配,材料供应计划等进行管理,为此我公司制定了以下措施:
1、本项目设立钢结构部,主持钢结构深化设计、加工图纸详细设计、主要材料采购、加工厂选择、加工厂监理、现场安装及上料计划的制定、现场协调等工作,实现钢结构施工进度计划的统一管理。
钢结构部门人员应熟悉钢结构、钢管结构,具有多年的钢结构项目施工管理经验。
2、钢结构深化设计的能力和速度直接影响钢材采购订货时间,因此对于钢结构深化设计,我公司会选择具有10年以上钢结构设计经验的一级注册钢结构设计师来主持此项工作,这样才能与原设计院及设计师建立良好的沟通能力。在最短的时间内完成深化设计是钢材定尺采购的关键。
3、钢结构加工厂在设备能力、人员能力、质量控制能力、生产管理能力、资金配置能力等方面满足工程的需要,保证构件按计划运输到现场。
3、钢结构制造技术重点分析
(一)建设重点和难点
1、弧形箱形钢梁是屋盖结构的重要承重构件,构件本身在节点位置的分支较多,在焊接过程中易产生角变形、扭转变形、局部或整体变形,如果对焊接变形不能进行有效的控制,将直接导致构件尺寸精度出现严重偏差,构件质量达不到设计和规范要求,给现场安装带来相当大的施工困难。
2、由于H型钢翼缘较宽,板厚10-20mm,若采用埋弧自动焊,焊接位置不易操作,易产生焊接变形,因此该结构的焊接是本工程的重点。
3、柱顶支撑节点均为管与管相贯结构,管材的切割精度及切口尺寸形状的准确性是保证相贯焊质量的关键,因此钢管相贯线的切割是本工程的重点。
(二)本项目关键钢结构生产技术措施
1、对于箱型钢梁,为防止变形,采用水平焊接并选择合理的焊接工艺,按同时对称焊接顺序进行焊接。
2、对于宽翼缘H型钢,采用CO2气体保护焊可以减少焊接变形,保证焊接质量。CO2焊的特点是熔深深,热影响区小钢结构刚接和铰接图示,熔敷效率高,适合全位置焊接,生产可实现自动化/半自动化,焊接质量高,生产率高,成本相对较低。
3、在相贯线数控切割机上切割,可以保证其切割精度,该工艺是在电脑建模后,直接在设备上对材料进行切割,不仅切割精度高,而且速度快。
3.关键工序的控制
A、箱体类件的加工
1.加工过程
2. 精度保证方法
2.1 箱形柱、梁板切割时,应考虑焊接收缩余量及后续工序端铣的加工余量。
箱形立柱、横梁的平直采用德国进口ESAB数控切割机保证,采用两台旋转三割炬同时切割,保证钢板两面受热均匀,不弯曲、不变形,数控控制精度如上表所示,远高于标准要求。
曲线箱梁先在钢板上画圆弧进行切割,再采用半自动轨道切割机进行切割,达到规范的要求。
描述:上图左为箱型立柱隔断组装装置,工作平台大小可根据工件大小调整(图中未显示),上方为8个锁紧油缸。
2.3 曲梁腹板必须预先用滚压机压成所需的弧形。如上图所示
2.4 然后将箱形柱两翼板放在滚道上,使三块箱形柱面板的一端平齐,再用油缸夹紧,最后对隔板、腹板、翼板进行定位焊,确保定位焊的可靠性
2.5为减少焊接变形,采用焊缝两侧同时焊的焊接工艺。
3.焊接质量保证措施
采用合理的焊接工艺。
3.1 制作双面坡口时,宜采用两侧对称多道焊,以避免收缩应变集中。
3.2 多层焊时适当采用小热输入,减少收缩应变。
3.3 对于箱型柱角节点,当板厚较大时,应将侧板边缘的火焰切割面进行磨削(或刨削),以去除热切割产生的硬化层组织。
3.4 采用低氢或超低氢焊条或气体保护焊接方法。
3.5 采用或提高焊接预热温度,以降低冷却速度,提高接头区韧性。 但预热温度过高容易使收缩应变增大。
3.6 采用焊后除氢热处理,加速氢的扩散,防止裂纹的产生。
B. 支持多个节点的交叉连接
本工程有些节点为树枝状结构,多根杆件相交于一点的现象很常见,对杆件的加工影响很大。
对材料、装配、焊接变形的控制提出了更高的要求。
1. 典型节点形式
2. 准确性保证措施
由于大型钢结构部分空间箱型构件的节点形式为相贯线结构,相贯线节点的制造精度是本项目的一大重点,因此相贯线的加工制造必须采用精度较高的加工设备。经过对各类设备进行详细的比较,拟采用进口六维相贯线切割机,最大限度的满足加工精度要求。该设备具有火焰、等离子切割两种切割方式,可切割直径50mm-800mm的各种管件,同时开焊接切口。
4、钢结构安装技术重点分析
大型钢结构施工的难点在于屋面空间钢结构体系的搭建,因此结构的空间定位精度决定了整个屋面体系的现场安装精度以及安装后结构受力均匀性,对整个结构体系的安全极为重要。因此我们在弧形屋面梁安装过程中建立了三维坐标系,全程采用全站仪对弧形构件的空间定位进行跟踪测量,并采用两台电子经纬仪完成最后的精确定位,确保安装精度。
步骤 1:全站仪跟踪和定位
第二步:电子经纬仪精确定位
采用自动对中精密电子经纬仪和自动跟踪精密全站仪作为传感器,两种仪器的观测数据通过数据通讯设备传送到与其相连的计算机中,并按照相应的软件对观测数据进行处理,实时得到肋梁数据,从而确定肋梁标志点的空间位置和肋梁的几何形状。