北京动车段检修库 H型平面钢桁架设计及应用

薛 丹

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 概述

焊接工字钢已经被广泛应用在钢结构框架中,但是以焊接工字钢作为桁架杆件的设计实例并不多见,且现行规范对其节点的设计构造及计算也无明确的规定。北京动车段检修库及边跨工程结合自身特点选用了腹板平放的 H型焊接工字钢作为钢桁架的弦杆及腹杆。本研究拟对 H型焊接工字钢屋架在设计中应考虑的问题提出看法,并提供范例,供今后同类建筑结构设计参考。

新建北京动车段检修库及边跨工程总建筑面积为82810m2,整个工程包含了 2个独立的检修库和 1个预留库。屋架跨度最大为 48m,柱距为 9m。与以往检修库不同的是,此次工艺设计的检修平台,采用了悬挂吊平台的方式,平台通过吊杆作用于钢桁架下弦,使得地面作业空间增大。但是,由于平台自身荷载较大,且部分屋架下尚有吊车荷载,因此采取了不同于以往的屋架形式,结合自身具有大跨度且重悬挂的特点,选用了平面外回转半径较大的腹板平放 H型焊接工字钢作为钢桁架弦杆及腹杆,并且第一次采用了节点板对接焊形式,使得整个屋架外观整齐大方,承载力得到了很大提高。

新建北京动车段检修库及边跨剖面如图1所示。

图1 检修库及边跨剖面(单位:m)

2 H型钢平面钢桁架选型

传统屋架一般采用双角钢拼接的 T型截面,适用于 18～36m跨度,其主要缺点是侧向刚度小,受压上弦构件平面外稳定性较差,往往需要设置支撑以使其稳定达到要求。而对于本工程跨度大,承重高的特点,显然传统屋架不能满足其要求,因此对传统屋架进行部分改进。由双角钢 T型到 H型钢的演变过程如图2所示。

从图2(a)到图2(d),桁(屋)架上弦平面外刚度依次增大,因此倒放 H型钢截面较传统双角钢截面更适合于大跨度建筑物的需要。而且,由于平面外刚度增加,从而达到减少水平支撑的目的。

图2 由双角钢T型到H型钢的演变过程

3 H型钢平面桁架计算原理

H型钢平面钢桁架的二维计算采用的是 PKPM系列的STS模块进行计算。钢桁架上下弦采用焊接工字钢 H300×250×12×14,腹杆工字钢高度采用同弦杆高度,保证外观平整光滑。

48m及 44m钢桁架计算简图如图3、图4所示。

图4 44m钢桁架计算简图(单位:mm)

根据计算分析,大跨度钢桁架截面选择主要是由变形控制,故钢材采用 Q345较 Q235更为合理。本工程考虑桁架下弦承受悬挂平台及吊车等动荷载,因此需满足挠度允许值为[Vt]=1/500,[Vq]=1/600。

本工程由于下弦吊挂荷载种类较多,因此在划分节间时综合考虑了各上序专业需要,主要以吊挂平台荷载为主,将荷载较大的吊挂平台荷载作用于下弦节点上,吊车荷载及接触网等荷载如不在节点处,均按节间荷载处理。

H型钢平面钢桁架的三维计算采用有限元软件ANSYS进行分析,采用空间钢结构软件 3D3S进行校核。通过软件对钢桁架下吊挂设备及检修平台在地震作用下的动力特性及连接节点进行了分析。

4 H型钢平面钢桁架节点在实际应用中遇到的问题

传统双角钢屋架节点板位于双拼角钢之间,而上下弦为分离式双角钢或者槽钢,则需要在分开的短肢两侧分别焊接两块节点板,每一块节点板分别连接各自对称的角钢腹杆。

本次设计与以往不同,由于腹杆改用 H型钢,在弦杆两层贴焊两块节点板显得过于浪费,因此本工程节点板并非贴焊在杆件外侧,而是与弦杆及腹杆的翼缘直接对接焊接,使得整个外表面平整光滑,美观经济。

弦杆为分离式双角钢、槽钢及 H型钢桁架剖面见图5。

图5 弦杆为分离式双角钢、槽钢及H型钢桁架剖面

由于弦杆 H型钢与腹杆 H型钢采用翼缘对接焊,而腹杆的腹板与节点板采用角焊缝,因此,焊缝计算原理如下。

计算翼缘等强对接焊缝公式

N=2×t×b×f

式中 N——对接焊缝处轴心拉力或压力;

t——翼缘厚度 ;

b——翼缘宽度;

f——钢材的强度设计值。

计算腹板角焊缝公式

Lw=N÷(4×0.7×hf×ffw)

式中 Lw——角焊缝计算长度;

hf——角焊缝高度;

ffw——角焊缝的设计强度。钢屋架的杆件所有对接焊缝要求焊缝等级为一级。

原设计节点如图6所示,考虑将腹杆的腹板延长,与节点板之间采用角焊缝。但是在施工下弦腹杆节点过程中却遇到了问题。

图6 节点拼接示意

由于钢桁架斜腹板夹角偏小,使得在节点区域内,两腹板最近距离只有不到 50mm,而连接长度偏长,导致部分角焊缝将无法施焊。经过和施工单位共同讨论后,原设计修改为如图7所示:节点区中间竖腹杆腹板伸至与之连接的弦杆处,腹板与上下节点板均采用角焊缝连接;将两边斜腹杆腹板在节点区的连接长度缩短,其与上下节点板的连接采用 T形对接加角焊缝的组合焊缝连接形式,该组合焊缝与腹板承载力等强。此处 T形对接焊采用部分熔透焊,承担总轴力的70%,单面角焊缝承担总轴力的 30%,连接长度 L2按角焊缝连接确定,同时需满足节点板的局部稳定。

图7 修改后的下弦节点拼接示意(单位:mm)

在原有设计中,节点板与弦杆交接处均为尖角(见图6中节点板),而该节点板与弦杆连接均为等强对接焊,连接板均需打坡口才能与弦杆对焊。因此,这将导致连接板尖角处打坡口后此处尖角被切掉。经过和施工单位进一步讨论之后,将节点板尖角处改成有15mm左右的钝角就可以解决这一问题,见图8。

图8 节点板坡口处理(单位:mm)

5 天窗架设计

本工程天窗要求采用弧形阳光板,且天窗跨度比较大,因此计算模型按照门式刚架进行计算(图9),梁柱截面均采用 HW250×250。

传统的天窗架柱脚一般采用螺栓连接,当侧柱底板宽度大于或者等于屋架上弦宽度时,可改为垂直于屋架上弦焊接。

图9 11m天窗架立面(单位:mm)

原设计 H型钢天窗架柱脚也为螺栓连接,而且由于上弦宽度比较大(宽度 B=300mm),因此采用图10剖面所示设置,在上下翼缘之间焊制节点板 1,与天窗架侧柱柱脚底板螺栓连接。但是在实际施工时发现,由于腹板平放 H型钢,宽度足够,但是竖向深度 h=120mm比较浅,无法将螺栓放入定位,因此将此节点修改为侧柱与上弦节点板直接焊接。

图10 屋架上弦与天窗架侧柱连接处(单位:mm)

6 结论

(1)H型钢平面钢桁架整体性较传统屋架更好,比较适于悬挂吊平台及屋架下电动单梁吊车荷载。但是由于规范没有相关部分可以遵循,因此在设计及施工上,更需要经验的积累。

(2)与 H型钢平面钢桁架相关的其他构件设计,多数可以参照现有钢结构的设计,但是同时却要结合H型钢自身特点加以改进,注意设计与施工相结合。

(3)吊挂设备、检修平台对结构的动力特性有较大影响,因此对今后大跨度悬挂吊荷载钢桁架应专门研究其动力特性。

[1] 钢结构设计手册编辑委员会.钢结构设计手册◦第 3版[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[2] 李星荣.钢结构节点设计手册◦第 2版[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[3] 建筑结构构造资料集编委会.建筑结构构造资料集◦第 2版[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[4] GB50017— 2003,钢结构设计规范[S].

[5] 陈绍蕃.钢结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.