门式刚架端板连接节点设计

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1、门式刚架端板连接节点设计万叶青（机械部第四设计研究院）[提要]本文介绍了轻钢门式刚架端板连接节点的计算方法，提供了端板连接节点梁高与弯矩的关系图表，用它可以快速确定连接截面的高度，同时还指出了端板设计中应当注意的一些问题。[关键词]轻钢结构，门式刚架，端板连接，高强螺栓。1．引言轻钢结构是近十年来发展最快的领域，它具有大跨度、大空间，分隔使用灵活，而且施工速度快、抗震有利的特点，已广泛地应用于机械工业厂房建筑中。门式刚架常用的跨度为15~36m。为了便于施工，一般采用分段加工和运输，到现场后再进行拼接安装，这就涉及到门式刚架的连接节点。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（

2、CECS102:2002）给出了三种形式的端板连接：端板竖放，端板斜放和端板横放。实践证明：端板连接是轻钢门式刚架中最为经济的连接形式，比通常的腹板—翼缘拼接节省材料和紧固件，现场拼装连接方便。2．端板连接设计门式刚架端板连接节点主要承受的是弯矩和剪力。在我国，对这类端板连接设计采用的是传统的方法：认为螺栓受力为三角形分布，利用平衡原理分析螺栓的受力，然后进行其它部分的设计验算。该方法的关键是对旋转中心，即中性轴的取法，对此尚存在一些争议。我国的教科书，设计手册及有关规范中采用的是简化方法。对普通螺栓来说，可假定螺栓群的中性轴在最下面一行的轴线上。受力如图一所示线性变化，

3、最大螺栓拉力产生在顶部螺栓处。在弯矩M作用下螺栓最大拉力为：2Nt1=M*y1/(m*∑yi)(1)式中M----端板处弯矩设计值m----螺栓列数yi----各螺栓至中性轴的距离1在剪力V作用下，一个螺栓所受的剪力为：Nv=V/n(2)同时承受剪力和轴向拉力的普通螺栓应满足下列公式的要求，即b2b2[(Nv/Nv)+(Nt/Nt)]≤1(3)为了保证挤压承载力的要求尚需满足bNv≤Nc(4)上述各式中：Nv、Nt----一个螺栓的剪力和拉力（取受拉力最大螺栓计算时为Nt1）;bbNv、Nt----一个螺栓受剪和受拉的承载力设计值。bNc----一个螺栓受挤压的承载力设计

4、值。对高强螺栓来说，因有预拉力的作用，被连接构件保持紧密结合，可假定螺栓群中性轴在形心线上，受力分布如图二所示，最上部的螺栓受力最大，其设计条件为2Nt1=M*y1/(m*∑yi)≤0.8*P(5)考虑到剪力的作用，对于摩擦型高强螺栓，在受拉区，由于螺栓预应力引起的挤压力降低。于是螺栓剪切承载力设计值减小，端板间的抗滑移能力也降低。一个螺栓的剪切承载力设计值为bNvi=0.9*nf*μ*(P-1.25Nti)(6)式中：Nti----第i排一个螺栓承受的拉力,Nti≤0.8P。在受压区，螺栓预应力不变。一个螺栓的剪切承载力设计值为bNvi=0.9*nf*μ*P(7)为了保

5、证端板处不发生滑移，端板处剪力V应满足bV≤∑Nvi(8)对于承压型高强螺栓，除满足公式（5）外,尚应满足b2b剪力设计值NV≤Nv=nv*πd/4*fv(9)bb承压力设计值Nc≤Nc=d*Σt*fc(10)式中：nv-----为受剪面数；d-----螺栓公称直径；在式(9)中，当剪切面在螺纹处时，应用螺纹有效直径de代替d，但应尽量避免螺纹深入到剪切面；Σt----在同一受力方向的承压构件的的较小总厚度；bbfv，fc----螺栓的抗剪和母材承压设计值。2轻钢规程中规定：主刚架构件的连接应采用高强度螺栓。钢结构规范中规定：大跨度屋盖结构当杆件内力较大或动力荷载较大时宜

6、采用高强螺栓的摩擦型连接。3.弯矩与截面高度的关系轻钢门式刚架结构屋面荷载轻，钢梁跨度大，钢梁的截面高度比较小，一般可取钢梁跨度的1/20～1/50。分析表明：钢梁截面高度主要由弯矩和挠度控制。而端板连接部位的承载力相对于H型钢梁截面要薄弱许多。如何快速确定端板高度是结构设计人员关注的问题。轻钢规程中把端板分为外伸式和平齐式两种。并优先推荐采用外伸式端板连接节点。外伸式端板承载能力是平齐式端板的1.2～2.0倍。但在实际结构中，有些部位不能采用外伸式端板，如内天沟下部。表一，表二，图三，图四给出了端板处梁高与弯矩的关系，设计人员可以根据这些图表快速确定端板处钢梁的截面高度

7、。图表中数据是按10.9级高强螺栓计算。表一.梁高与弯矩的关系(端板平齐)弯矩：kN-m梁高h(mm)M16M20M22M24M27M3040053821011191541885008112615418223528860011918422626834542270016225130836547057580021232940347761575390027041951360878395910003325156317479631179110040262376490511661427120047773990610731383169313