CN102587571B - 一种有利于消减钢构件节点应力的型钢构件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有利于消减钢构件节点应力的型钢构件，它包括型钢体，所述型钢体在沿长度方向上设有至少一个消能节点区，所述消能节点区位于型钢体的两端之间的任何一个区段，所述消能节点区外轮廓的截面尺寸从该区段两端的型钢体本体截面尺寸起对称地逐渐增大并在中间接合形成一个扩张段，所述消能节点区的壁厚与型钢本体的壁厚一致，该扩张段有利于增大型钢的轴向弹性，以便型钢能有效吸收节点两侧结构膨胀或收缩变形所产生的能量，从而减小型钢构件的内应力和应力集中区。该型钢构件在轴向外力的作用下能够产生较大的变形量，有效地吸收节点两侧结构膨胀或收缩变形所产生的能量，从而减小型钢构件的内应力和应力集中区。
Description
技术领域
本发明涉及一种建材构件，具体是指一种有利于消减钢构件节点应力的型钢构件。
背景技术
常规建材中的钢构件多采用沿长度方向截面尺寸不变的做法，在轴向受力时变形量小，刚度大。钢构件处于弹性工作状态并在轴向力作用下时其轴向变形量与力成正比，因其变形量较小，当个别钢构件节点两侧的结构膨胀或收缩变形较大时，将使钢结构产生较大的内应力和应力集中区。
一定长度的钢构件处于弹性工作状态并在轴向力作用下时其轴向变形量与力成正比，直杆型的钢构件在弹性范围内两端轴向加载而产生的轴向变形量可由下式计算：
Δl＝FNl/(EA) (1)
其中：FN为轴向力，l为钢构件长度，E为弹性模量，A为钢构件的截面积，EA为钢构件的抗拉(压)刚度；
钢构件所受到的应力可由下式计算：
上述公式(2)中，所采用的钢强度等级确定时，钢构件的弹性模量E也为定值，构件的长度l也确定，因为弹性模量E数值大，较小的变形量Δl将产生较大的应力σ；在实际工程中，当此类钢构件两端由于温度等作用或者地震作用膨胀或收缩变形而产生较大位移差时，将使结构产生较大的内应力和应力集中区，从而使钢构件出现安全储备降低或出现钢构件破坏的隐患，因此该类钢构件在轴向变形时存在缺陷。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种有利于消减钢构件节点应力的型钢构件，该型钢构件在轴向外力的作用下能够产生较大的变形量，有利于在钢构件节点处形成消能节点区，有效地吸收节点两侧结构膨胀或收缩变形所产生的能量，从而减小型钢构件的内应力和应力集中区。
本发明的上述目的可以通过如下的技术方案来实现：一种有利于消减钢构件节点应力的型钢构件，它包括型钢体，其特征在于：所述型钢体在沿长度方向上设有至少一个消能节点区，所述消能节点区位于型钢体的两端之间的任何一个区段，所述消能节点区外轮廓的截面尺寸从该区段两端的型钢体本体截面尺寸起对称地逐渐增大并在中间接合形成一个扩张段，所述消能节点区的壁厚与型钢本体的壁厚一致，该扩张段有利于增大型钢的轴向弹性，以便型钢能有效吸收节点两侧结构膨胀或收缩变形所产生的能量，从而减小型钢构件的内应力和应力集中区。
本发明所述型钢本体是指型钢构件中没有扩张的那部分型钢。
本发明型钢构件设有消能节点区，充分利用钢结构可变形的特性，通过结构的简单变化，使型钢构件能正常地承受使用荷载的情况下，还能在受到轴向外力作用下产生比原型钢构件大的变形量，以便能有效地吸收型钢构件由于膨胀或收缩变形所产生的能量，从而大大减小型钢构件的内应力和应力集中区。
本发明的型钢体和消能节点区可以采用多种结构：
实施方式一：所述型钢本体为圆钢管，其所具有的消能节点区为两个呈圆台状的管体对接构成，其中两圆台管的最大直径端对接为一体，两圆台管的最小直径端与型钢本体的直径一致，分别与两个型钢本体的一端相连，从而构成一条本发明所述的有利于消减钢构件节点应力的型钢构件。
本发明所述两个圆台管所具有相同的倾斜角α1，该倾斜角α1在15°～75°范围之间；所述圆台管的最大直径可以是型钢本体直径的1.5～3倍。
实施方式二：本方式与实施方式一相近似，所述型钢本体也为圆钢管，其所具有的消能节点区也有两个呈圆台状的管体，两圆台管的最小直径端也分别与两个型钢本体的一端相连，所不同的是所述的两个圆台状管体最大直径端之间加设了一段与其直径相同的圆柱形的中间柱管，通过该中间柱管将所述两个圆台状的管体最大直径端连接为一体构成扩张段，所述的两圆台状的管体也具有相等的倾斜角α2。
本发明所述的倾斜角α2在15°～75°范围之间；所述中间柱管的直径为型钢体本直径的1.5～3倍。
本发明的上述目的还可以通过以下的技术方案来实现：一种有利于消减钢构件节点应力的型钢构件，它包括型钢体，所述型钢体为方钢管，其特征在于：所述型钢体在沿长度方向上设有至少一个消能节点区，所述消能节点区位于型钢体的两端之间的任何一个区段，所述消能节点区为从该区段两端的型钢体本体起相向斜向弯折并对接为一体形成一个弯折段，所述消能节点区的壁厚与型钢本体的壁厚一致，该弯折段有利于增大型钢的轴向弹性，以便型钢能有效地吸收节点两侧结构膨胀或收缩变形所产生的能量，从而减小型钢构件的内应力和应力集中区。
本发明上述消能节点区的两个斜向弯折具有相等的与型钢纵轴线的倾斜夹角α3，所述倾斜夹角α3在15°～75°范围之间；所述方形对接面的尺寸和型钢本体的横截面尺寸相等。
与现有技术相比，本发明在型钢构件上增设了消能节点区，利用该消能节点区能产生比原型钢构件大的变形量，来有效吸收地型钢节点两侧的结构因温度等作用或者地震作用引起的型钢构件膨胀或收缩变形所产生的能量，从而大大减小型钢构件的内应力和应力集中区，提高了型钢构件的抗拉、抗压强度以及使用安全系数。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明型钢构件实施例一的俯视图；
图2是本发明型钢构件实施例一的局部截面示意图，显示单个消能节点区的结构；
图3是本发明型钢构件实施例一的局部截面示意图，显示多个并联的消能节点区的结构；
图4是本发明型钢构件实施例二的俯视图；
图5是本发明型钢构件实施例二的局部截面示意图，显示单个消能节点区的结构；
图6是本发明型钢构件实施例二的局部截面示意图，显示多个并联的消能节点区的结构；
图7是本发明型钢构件实施例三的俯视图；
图8是本发明型钢构件实施例三的局部截面示意图，显示单个消能节点区的结构；
图9是本发明型钢构件实施例三的局部截面示意图，显示多个并联的消能节点区的结构。
具体实施方式
实施例一
本发明一种有利于消减钢构件节点应力的型钢构件实施例一如图1至图3所示，它包括型钢体，型钢体具有型钢本体11，型钢体在沿长度方向上设有至少一个消能节点区，消能节点区位于型钢体的两端之间的任何一个区段，消能节点区外轮廓的截面尺寸从该区段两端的型钢体本体截面尺寸起对称地逐渐增大并在中间接合形成一个扩张段，消能节点区的壁厚与型钢本体的壁厚一致，该扩张段有利于增大型钢的轴向弹性，以便型钢能有效吸收节点两侧结构膨胀或收缩变形所产生的能量，从而减小型钢构件的内应力和应力集中区。
型钢本体11为圆钢管，型钢本体11是指型钢构件中没有扩张的那部分型钢，型钢本体直径为351mm，壁厚为12mm，其所具有的消能节点区为两个呈圆台状的管体对接构成，其中两圆台管的最大直径端对接为一体，两圆台管的最小直径端与型钢本体的直径一致，分别与两个型钢本体的一端相连，从而构成一条本发明所述的有利于消减钢构件节点应力的型钢构件。两圆台管中位于上方的为上圆台管12，位于下方的为下圆台管13，上圆台管12上小下大，上圆台管12的上端与上部的型钢本体11相连，下圆台管13上大下小，下圆台管13的下端与下部的型钢本体11相连，上圆台管12和下圆台管13对接处为圆形对接面，圆形对接面也是圆台管的最大直径处，上圆台管12和下圆台管13结构相同，以圆形对接面为对称面上下对称，两个圆台管具有相同的的倾斜角α1，倾斜角α1为60°角，圆形对接面的直径为型钢本体直径的1.7倍。
本实施例中通过设置消能节点区以产生较大变形，从而减少型钢构件的内应力和应力集中区，在500kN的荷载作用下，采用上述参数的消能节点区与截面没有变化的型钢体的变形量相比，在截面没有变化的型钢体的变形量为0.13mm，采用上述参数的消能节点区的变形量3.4mm，变形量增大了26倍。同时采用上述参数的消能节点区可以减少型钢构件的内力，采用上述参数的消能节点区与截面没有变化的型钢体相比，能够减少温度和地震产生的内力25％。
本实施例中，型钢本体、上圆台管、下圆台管之间均采用一级熔透焊的焊接方式，倾斜角α1在15～75度范围之间取值均可，圆形对接面的直径为型钢体直径的1.5～3倍，由此带来消能节点区与截面没有变化的型钢体性能比较，能够产生的变形量增大10～30倍，能够减少温度和地震产生的内应力在20％～50％以上，变形量增大控制范围与型钢构件内应力的减少控制范围是相互影响和控制的。
实施例二
本发明一种有利于消减钢构件节点应力的型钢构件实施例二如图4至图6所示，它包括型钢体，型钢体具有型钢本体21，型钢体在沿长度方向上设有至少一个消能节点区，本实施例与实施一相近似，型钢本体21为圆钢管，直径为351mm，壁厚为12mm，其所具有的消能节点区也有两个呈圆台状的管体，消能节点区包括位于上方的上小下大的呈圆台状的上圆台管22、位于下方的上大下小的呈圆台状的下圆台管24、以及位于上圆台管22和下圆台管24之间并且分别与上圆台管22和下圆台管24对接的圆柱状的中间柱管23，两圆台管的最小直径端也分别与两个型钢本体21的一端相连，和实施例一不同的是两个圆台状管体最大直径端之间加设了一段与其直径相同的圆柱形的中间柱管23，通过该中间柱管23将两个圆台状的管体最大直径端连接为一体构成扩张段，两圆台状的管体也具有相等的倾斜角α2，倾斜角α2为20°角，中间柱管23的直径为型钢本体直径的1.6倍。
本实施例中通过设置消能节点区以产生较大变形，从而减少型钢构件的内应力和应力集中区，在500kN的荷载作用下，采用上述参数的消能节点区与截面没有变化的型钢体的变形量相比，截面没有变化的型钢体的变形量为0.13mm，采用上述参数的消能节点区的变形量4.2mm，变形量增大了33倍。同时采用上述参数的消能节点区可以减少型钢构件的内应力，采用上述参数的消能节点区与截面没有变化的型钢体相比，能够减少温度和地震产生的内应力35％。
本实施例中，型钢本体、中间柱管、上圆台管和下圆台管之间均采用一级熔透焊的焊接方式，倾斜角α2在15～75度范围之间取值均可，中间柱管的直径为型钢体直径的1.5～3倍，由此带来消能节点区与截面没有变化的型钢体性能比较，能够产生的变形量增大20～40倍，能够减少温度和地震产生的内力在20％～50％以上，变形量增大控制范围与型钢构件内应力的减少控制范围是相互影响和控制的。
实施例三
本发明一种有利于消减钢构件节点应力的型钢构件实施例三如图7至图9所示，它包括型钢体，型钢体具有型钢本体31，型钢体在沿长度方向上设有至少一个消能节点区，消能节点区位于型钢体的两端之间的任何一个区段均可，消能节点区为从该区段两端的型钢体本体起相向斜向弯折并对接为一体形成一个弯折段，消能节点区的壁厚与型钢本体的壁厚一致，该弯折段有利于增大型钢的轴向弹性，以便型钢能有效地吸收节点两侧结构膨胀或收缩变形所产生的能量，从而减小型钢构件的内应力和应力集中区。
本实施例中，型钢本体31为方钢管，方钢管尺寸为351mm，壁厚为12mm，消能节点区为斜向弯折的钢管结构，该钢管结构包括位于上方的上斜管32和位于下方的下斜管33，上斜管32和下斜管33的倾斜方向相反，上斜管32的上端与上部的型钢本体31相连，下斜管33的下端与下部的型钢本体31相连，上斜管32和下斜管33对接处为方形对接面，上斜管32和下斜管33以方形对接面为对称面上下对称，上斜管32和下斜管33即为消能节点区的两个斜向弯折并对接为一体形成一个弯折段，上斜管32和下斜管33与型钢纵轴线之间具有相等的倾斜夹角α3，倾斜角α3为45°角，方形对接面的尺寸和型钢本体31的尺寸相等。
本实施例中通过设置消能节点区以产生较大变形，从而减少型钢构件的内应力和应力集中区，采用上述参数的消能节点区与截面没有变化的型钢体的变形量相比，截面没有变化的型钢体的变形量为0.12mm，采用上述参数的消能节点区的变形量4.8mm，变形量增大了40倍。同时采用上述参数的消能节点区可以减少型钢构件的内力，采用上述参数的消能节点区与截面没有变化的型钢体相比，能够减少温度和地震产生的内力45％。
本实施例中，型钢本体、上斜管和下斜管之间均采用一级熔透焊的焊接方式，倾斜夹角α3在15～75度范围之间取值均可，方形对接面的尺寸和型钢体的尺寸相等，由此带来消能节点区与截面没有变化的型钢体性能比较，能够产生的变形量增大30～50倍，能够减少温度和地震产生的内力在20％～50％以上，变形量增大控制范围与型钢构件内力的减少控制范围是相互影响和控制的。
Claims (2)
1.一种有利于消减钢构件节点应力的型钢构件，它包括型钢体，其特征在于：所述型钢体在沿长度方向上设有至少一个消能节点区，所述消能节点区位于型钢体的两端之间的任何一个区段，型钢体具有型钢本体，所述消能节点区为从该区段两端的型钢体本体起相向斜向弯折并对接为一体形成的一个弯折段，所述消能节点区的壁厚与型钢本体的壁厚一致，该弯折段有利于增大型钢的轴向弹性，以便型钢能有效地吸收节点两侧结构膨胀或收缩变形所产生的能量，从而减小型钢构件的内应力和应力集中区。
2.根据权利要求1所述的型钢构件，其特征在于：所述消能节点区的两个斜向弯折具有相等的与型钢纵轴线的倾斜夹角α3，所述倾斜夹角α3在15°～75°之间。
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