CN112699448A - 一种全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法 - Google Patents

一种全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，包括以下步骤：S1、初定节点板厚度；S2、根据腹杆水平板系数和腹杆的撕破路径的计算公式计算节点处腹杆的撕破路径长度；S3、计算节点处腹杆的撕破路径长度对应的撕破路径强度；S4、判断所述撕破路径强度是否不小于所述腹杆强度的1.1倍；如果是，进行步骤S6；否则，进行步骤S5；S5、增加节点板厚度，返回步骤S2；S6、终止计算，取节点板厚度为设计用节点板厚度。本发明，同时考虑了腹杆水平板和节点板的组合撕破路径，具有更高的合理性。通过腹杆水平板系数将腹杆水平板的撕破路径换算到节点板上，方便计算最短撕破路径长度，从而准确计算撕破路径强度，提高计算和设计的效率以及结果的准确性。

Description

一种全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法
技术领域
本发明涉及桥梁钢结构技术领域，具体涉及一种全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法。
背景技术
钢桁梁桥是将实腹的钢板梁桥按照一定规则空腹化的结构，结构整体上为梁的受力方式，即主要承受弯矩和剪力的结构。钢桁梁拥有优异的整体与局部刚度，广泛应用于各种桥型，但其杆件和节点较多，构造较为复杂，在进行节点设计时具有较高的要求。
随着施工技术的提高，在目前的跨江跨海大桥施工过程中，当主梁采用钢桁梁时，为实现缩短工期的目的，较多采用整节段吊装施工，主桁一般采用全焊整体节点。
在《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB 10091-2017)以及《公路钢桥梁设计规范》(JTGD64-2015)中，对于节点板撕破检算规定基本一致，以《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10091-2017)为例：
9.0.8节点板任何连接截面的撕破强度应较各被连接杆件的强度大10％。在检算时，其净面积上的容许应力应符合下列规定：
1垂直于被连接杆件中线的截面部分应采用基本容许应力[σ]；
2与被连接杆件中线倾斜相交或平行的截面部分应采用0.75[σ]。
对于散拼节点及拆装式整体节点来说，采用上述规范条文所记载的应力计算方法比较合适，且其最短撕破路径比较容易确定。但是对于全焊整体节点，由于全焊整体节点中腹杆的水平板同样会发生破坏，因此在采用上述方法时，仅考虑节点板的撕破，则不能得到全焊整体节点的最短撕破路径。
如果同时考虑腹板水平板和节点板的组合撕破路径破坏，并设定腹板水平板的容许应力取值原则与节点板的容许应力取值原则一致，则会导致最短撕破路径的确定变得非常困难，需要进行数值计算，而在计算的过程中计算量很大，大大降低了设计效率。
另外，规范中提出的当撕破路径与杆件的轴线不垂直的情况下，撕破路径上的容许应力为钢材基本容许应力的0.75倍的计算方法，只是一种近似的简化计算。当撕破路径和杆件轴线夹角很接近90°时，此路径的容许应力接近1倍的基本容许应力，而当撕破路径和杆件轴线夹角为0°时，此路径的容许应力为纯剪容许应力，应采用基本容许应力的0.6倍。因此，对于全焊整体节点的撕破计算，目前的计算方法并不适用。
有鉴于此，急需一种全焊钢桁梁整体节点的撕破计算方法，以便提供适用于全焊钢桁梁整体节点的撕破计算方法，提高设计效率和结果的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有的节点板撕破检验规范不适用于全焊钢桁梁整体节点的撕破计算、全焊钢桁梁整体节点设计效率低、结果准确性差的问题。
为此，本发明提供了一种全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，包括以下步骤：
S1、初定节点板厚度；
S2、根据腹杆水平板系数和腹杆的撕破路径的计算公式计算节点处腹杆的撕破路径长度；
S3、计算节点处腹杆的撕破路径长度对应的撕破路径强度；
S4、判断所述撕破路径强度是否不小于腹杆强度的1.1倍；如果是，进行步骤S6；否则，进行步骤S5；
S5、增加节点板厚度，返回步骤S2；
S6、终止计算，取节点板厚度为设计用节点板厚度。
在上述方案中，优选的，初定节点板厚度的计算公式为：
Figure BDA0002896155850000031
δ0≥δf
δ0≥δx
其中，δ0为节点板厚度；δf为节点处所有腹杆中最厚的竖板厚度；hx为节点处弦杆竖板高度；δx为弦杆竖板厚度；Rx为弦杆竖板在节点上的倒圆弧半径。
在上述方案中，优选的，在步骤S2中，所述腹杆水平板系数的计算公式为：
Figure BDA0002896155850000032
其中，Λ为腹板水平板系数，δy为腹杆水平板厚度；αy为腹杆水平板上燕尾板的切角；Ry为腹杆水平板上燕尾板的倒圆弧半径；δ0为节点板厚度。
在上述方案中，优选的，所述腹杆为H形截面腹杆，腹杆竖板的两侧为对称斜边，其撕破路径的计算公式为：
Figure BDA0002896155850000033
Figure BDA0002896155850000034
其中，L1和L2之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d 为腹杆竖板高度；H为腹杆竖板上对称斜边与腹杆竖板的交点到腹杆水平板上节点内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；Λ为腹杆水平板系数。
在上述方案中，优选的，所述腹杆为H形截面腹杆，腹杆竖板的两侧为圆弧边，其撕破路径的计算公式为：
Figure BDA0002896155850000041
Figure BDA0002896155850000042
其中，L1及L2之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d 为腹杆竖板高度；R1及R2分别为腹杆竖板两侧圆弧的半径；H1及H2分别为腹杆竖板两侧圆弧边的起弧点到腹杆水平板上节点板内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；Λ为腹杆水平板系数。
在上述方案中，优选的，所述腹杆为箱形截面腹杆，腹杆竖板的两侧为对称斜边，其撕破路径的计算公式为：
Figure BDA0002896155850000043
Figure BDA0002896155850000044
其中，L1和L2之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d 为腹杆上下水平板的内侧到竖板边缘的距离之和；H为腹杆竖板的对称斜边和腹杆竖板的交点到腹杆水平板上节点内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；D为腹杆的上下水平板净距；Λ为腹杆水平板系数。
在上述方案中，优选的，所述腹杆为箱形截面腹杆，腹杆竖板的两侧为对称圆弧边，其撕破路径的计算公式为：
Figure BDA0002896155850000045
Figure BDA0002896155850000046
其中，L1和L2之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度； d为腹杆上下水平板的内侧到竖板边缘距离之和；R为腹杆竖板的两侧圆弧半径；H为腹杆竖板圆弧边的起弧点到腹杆水平板上节点板内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；D为腹杆的上下水平板之间的净距；Λ为腹杆水平板系数。
在上述方案中，优选的，所述腹杆为箱形截面腹杆，腹杆竖板的两侧为不对称圆弧边，其撕破路径长度的计算公式为：
Figure BDA0002896155850000051
Figure BDA0002896155850000052
Figure BDA0002896155850000053
Figure BDA0002896155850000054
其中，L1、L2、L3和L4之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d为腹杆上下水平板的内侧到竖板边缘的距离之和；R1及R2分别为腹杆竖板的两侧圆弧半径；H1为腹杆竖板半径为R1的圆弧边的起弧点到同侧腹杆水平板上节点板内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；H2为腹杆竖板半径为R2的圆弧边的起弧点到同侧腹杆水平板上节点板内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度，D为腹杆的上下水平板之间的净距；Λ为腹杆水平板系数。
在上述方案中，优选的，步骤S3中腹杆的撕破路径长度所对应的撕破路径强度的计算公式如下：
Fj＝Lδ0[σ]
其中，L为计算出的撕破路径长度；δ0为节点板厚度；[σ]为钢材的基本容许应力。
在上述方案中，优选的，步骤S4中腹杆强度Ff的计算公式为：
Ff＝Aj[σ]
其中，Aj为腹杆的净截面面积；[σ]为钢材的基本容许应力。
由上述技术方案可知，本发明提供的全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，用于实现全焊钢桁梁整体节点撕破的计算。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在同时考虑了腹杆水平板和节点板的撕破路径的情况下，确定了全焊钢桁梁整体节点的撕破计算方法，相比于现有的仅考虑节点板撕破的方式，更加合理。
本发明，提供了腹杆水平板系数和腹杆的撕破路径的计算公式，通过腹杆水平板系数将腹杆水平板的撕破路径换算到节点板上，方便根据节点板的撕破路径计算公式计算最短撕破路径长度，从而准确计算撕破路径强度，提高计算和设计的效率以及结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做出简单地介绍和说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法的流程示意图；
图2为本发明中一个实施例中腹杆参数的示意图；
图3为本发明中另一个实施例中腹杆参数的示意图；
图4为本发明中另一个实施例中腹杆参数的示意图；
图5为本发明中另一个实施例中腹杆参数的示意图；
图6为本发明中另一个实施例中腹杆参数的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，以下所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本发明技术方案的几个优选的具体实施例。
请参见图1，该图1为本实施例所述全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法的流程示意图。
如图1所示，本发明提供的全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法包括如下步骤：
S1、初定节点板厚度；
本步骤的目的是为节点板确定一个可以用于后续计算的初始厚度。一般情况下，整体节点需要考虑在节点板倒圆弧处的应力集中，并且节点板的厚度应不小于与其连接的杆件竖板的厚度。因此，初定节点板厚度的计算公式如下：
Figure BDA0002896155850000071
其中，δ0为节点板厚度；δf为节点处所有腹杆中最厚的竖板厚度；hx为节点处弦杆竖板高度；δx为弦杆竖板厚度；Rx为弦杆竖板在节点上的倒圆弧半径。
S2、根据腹杆水平板系数和腹杆的撕破路径的计算公式计算节点处腹杆的撕破路径长度；
本发明提出了一种斜线强度表达式，再同时考虑腹杆水平板及节点板的组合撕破，得到各工况下的撕破路径计算公式。
本发明提供的撕破路径计算公式基于如下假定：(1)材料轴向容许应力为剪切容许应力的
Figure BDA0002896155850000081
倍；(2)结构破坏受剪切或拉压控制，且每分段出现剪切或拉压未必一致；(3)不考虑正应力和剪应力的叠加效应，每段撕破路径仅各自考虑并取最不利。
因此，斜线上的容许应力[σ]x为：
Figure BDA0002896155850000082
其中，[σ]x为基本容许应力；αx为斜线和受力方向垂线的夹角。
为简化计算，首先定义腹杆水平板系数Λ：
Figure BDA0002896155850000083
其中，δy为腹杆水平板厚度；αy为腹杆水平板燕尾板切角；腹杆水平板燕尾板倒圆弧半径Ry；δ0为节点板厚度。
因此，腹杆水平板系数Λ的含义为腹杆水平板的撕破路径长度换算到节点板上的长度的比例系数，其计算原理也是基于前述的假定。
如图2至图6所示，各类型腹杆的撕破路径长度的计算公式如下：
(1)如图2所示，在本发明的一个实施例中，腹杆为H形截面腹杆，腹杆竖板两侧为对称斜边，其撕破路径的计算公式为：
Figure BDA0002896155850000084
Figure BDA0002896155850000085
其中，L1和L2之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d 为腹杆竖板高度；H为腹杆竖板上对称斜边与腹杆竖板的交点到腹杆水平板上节点内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；Λ为腹杆水平板系数。
(2)如图3所示，在本发明的另一个实施例中，腹杆为H形截面腹杆，腹杆竖板两侧为圆弧边，其撕破路径的计算公式为：
Figure BDA0002896155850000091
Figure BDA0002896155850000092
其中，L1及L2之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d 为腹杆竖板高度；R1及R2分别为腹杆竖板两侧圆弧的半径；H1及H2分别为腹杆竖板两侧圆弧边的起弧点到腹杆水平板上节点板内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；Λ为腹杆水平板系数。
(3)如图4所示，在本发明的另一个实施例中，腹杆为箱形截面腹杆，腹杆竖板两侧为对称斜边，其撕破路径的计算公式为：
Figure BDA0002896155850000093
Figure BDA0002896155850000094
其中，L1和L2之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d 为腹杆上下水平板的内侧到竖板边缘的距离之和；H为腹杆竖板的对称斜边和腹杆竖板的交点到腹杆水平板上节点内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；D为腹杆的上下水平板净距；Λ为腹杆水平板系数。
(4)如图5所示，在本发明的另一个实施例中，腹杆为箱形截面腹杆，腹杆竖板两侧为对称圆弧边，其撕破路径的计算公式为：
Figure BDA0002896155850000101
Figure BDA0002896155850000102
其中，L1和L2之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度； d为腹杆上下水平板的内侧到竖板边缘距离之和；R为腹杆竖板的两侧圆弧半径；H为腹杆竖板圆弧边的起弧点到腹杆水平板上节点板内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；D为腹杆的上下水平板之间的净距；Λ为腹杆水平板系数。
(5)如图6所示，在本发明的另一个实施例中，腹杆为箱形截面腹杆，腹杆竖板两侧为不对称圆弧边，其撕破路径的计算公式为：
Figure BDA0002896155850000103
Figure BDA0002896155850000104
Figure BDA0002896155850000105
Figure BDA0002896155850000106
其中，L1、L2、L3和L4之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d为腹杆上下水平板的内侧到竖板边缘的距离之和；R1及R2分别为腹杆竖板的两侧圆弧半径；H1为腹杆竖板半径为R1的圆弧边的起弧点到同侧腹杆水平板上节点板内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；H2为腹杆竖板半径为R2的圆弧边的起弧点到同侧腹杆水平板上节点板内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度，D为腹杆的上下水平板之间的净距；Λ为腹杆水平板系数。
S3、计算节点处腹杆的撕破路径长度对应的撕破路径强度；
根据S2中计算出的每根腹杆的撕破路径，计算出每根腹杆的撕破路径强度，计算公式如下：
Fj＝Lδ0[σ] (9)
其中，L为步骤S2中所计算的撕破路径长度；δ0为节点板厚度；[σ]为钢材的基本容许应力。
S4、判断所述撕破路径强度是否不小于腹杆强度的1.1倍；如果是，进行步骤S6；否则，进行步骤S5；
当腹杆为拉杆时，其强度应为净面积乘以容许应力，因此腹杆的强度Ff计算公式为：
Ff＝Aj[σ] (10)
其中，Aj为腹杆的净截面面积；[σ]为钢材的基本容许应力。
撕破计算应保证每根腹杆都满足要求，因此如果存在腹杆满足 Fj＜1.1Ff，则进行步骤S5；如果每根腹杆都满足Fj≥1.1Ff，则进行步骤S6。
S5、增加节点板厚度，返回步骤S2；
增加的节点板厚度为c，使δ0＝δ0+c，返回步骤S2继续计算。
S6、终止计算，取节点板厚度为设计用节点板厚度。
即当每根腹杆都满足Fj≥1.1Ff，此时的节点板厚度可取为设计用节点板厚度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)在同时考虑了腹杆水平板和节点板的撕破路径的情况下，确定了全焊钢桁梁整体节点的撕破计算方法，相比于现有的仅考虑节点板撕破的方式，更加合理。
(2)提供了腹杆水平板系数和腹杆的撕破路径的计算公式，通过腹杆水平板系数将腹杆水平板的撕破路径换算到节点板上，方便根据节点板的撕破路径计算公式计算最短撕破路径长度，从而准确计算撕破路径强度，提高计算和设计的效率以及结果的准确性。
最后，还需要说明的是，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
在本文中使用的术语"包括'、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个…"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、初定节点板厚度；
S2、根据腹杆水平板系数和腹杆的撕破路径的计算公式计算节点处腹杆的撕破路径长度；
S3、计算节点处腹杆的撕破路径长度对应的撕破路径强度；
S4、判断所述撕破路径强度是否不小于腹杆强度的1.1倍；如果是，进行步骤S6；否则，进行步骤S5；
S5、增加节点板厚度，返回步骤S2；
S6、终止计算，取节点板厚度为设计用节点板厚度。
2.根据权利要求1所述的全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，其特征在于，在步骤S1中，初定节点板厚度的计算公式为：
Figure FDA0002896155840000011
δ0≥δf
δ0≥δx
其中，δ0为节点板厚度；δf为节点处所有腹杆中最厚的竖板厚度；hx为节点处弦杆竖板高度；δx为弦杆竖板厚度；Rx为弦杆竖板在节点上的倒圆弧的半径。
3.根据权利要求1所述的全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，其特征在于，在步骤S2中，所述腹杆水平板系数的计算公式为：
Figure FDA0002896155840000012
其中，Λ为腹板水平板系数，δy为腹杆水平板厚度；αy为腹杆水平板上燕尾板的切角；Ry为腹杆水平板上燕尾板的倒圆弧半径；δ0为节点板厚度。
4.根据权利要求3所述的全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，其特征在于，所述腹杆为H形截面腹杆，腹杆竖板的两侧为对称斜边，其撕破路径长度的计算公式为：
Figure FDA0002896155840000021
Figure FDA0002896155840000022
其中，L1和L2之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d为腹杆竖板高度；H为腹杆竖板上对称斜边与腹杆竖板的交点到腹杆水平板上节点内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；Λ为腹杆水平板系数。
5.根据权利要求3所述的全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，其特征在于，所述腹杆为H形截面腹杆，腹杆竖板的两侧为圆弧边，其撕破路径的计算公式为：
Figure FDA0002896155840000023
Figure FDA0002896155840000024
其中，L1及L2之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d为腹杆竖板高度；R1及R2分别为腹杆竖板两侧圆弧的半径；H1及H2分别为腹杆竖板两侧圆弧边的起弧点到腹杆水平板上节点板内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；Λ为腹杆水平板系数。
6.根据权利要求3所述的全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，其特征在于，所述腹杆为箱形截面腹杆，腹杆竖板的两侧为对称斜边，其撕破路径的计算公式为：
Figure FDA0002896155840000031
Figure FDA0002896155840000032
其中，L1和L2之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d为腹杆上下水平板的内侧到竖板边缘的距离之和；H为腹杆竖板的对称斜边和腹杆竖板的交点到腹杆水平板上节点内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；D为腹杆的上下水平板净距；Λ为腹杆水平板系数。
7.根据权利要求3所述的全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，其特征在于，所述腹杆为箱形截面腹杆，腹杆竖板的两侧为对称圆弧边，其撕破路径的计算公式为：
Figure FDA0002896155840000033
Figure FDA0002896155840000034
其中，L1和L2之中的的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d为腹杆上下水平板的内侧到竖板边缘距离之和；R为腹杆竖板的两侧圆弧半径；H为腹杆竖板圆弧边的起弧点到腹杆水平板上节点板内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；D为腹杆的上下水平板之间的净距；Λ为腹杆水平板系数。
8.根据权利要求3所述的全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，其特征在于，所述腹杆为箱形截面腹杆，腹杆竖板的两侧为不对称圆弧边，其撕破路径长度的计算公式为：
Figure FDA0002896155840000041
Figure FDA0002896155840000042
Figure FDA0002896155840000043
Figure FDA0002896155840000044
其中，L1、L2、L3和L4之中的较小值为换算到节点板上的最短撕破路径长度；d为腹杆上下水平板的内侧到竖板边缘的距离之和；R1及R2分别为腹杆竖板的两侧圆弧半径；H1为腹杆竖板半径为R1的圆弧边的起弧点到同侧腹杆水平板上节点板内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度；H2为腹杆竖板半径为R2的圆弧边的起弧点到同侧腹杆水平板上节点板内端部的距离在腹杆轴线上的投影长度，D为腹杆的上下水平板之间的净距；Λ为腹杆水平板系数。
9.根据权利要求1所述的全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，其特征在于，步骤S3中腹杆的撕破路径长度所对应的撕破路径强度的计算公式如下：
Fj＝Lδ0[σ]
其中，L为计算出的撕破路径长度；δ0为节点板厚度；[σ]为钢材的基本容许应力。
10.根据权利要求1所述的全焊钢桁梁整体节点撕破计算方法，其特征在于，步骤S4中腹杆强度Ff的计算公式为：
Ff＝Aj[σ]
其中，Aj为腹杆的净截面面积；[σ]为钢材的基本容许应力。
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