货架柱脚综述

发表时间:2021/4/20   来源:《城市建设》2021年3月   作者:阮元元
[导读] 随着装配式住宅和建筑工业化概念快速发展,有关物流基础设施核心的仓储结构体系成为热门研究课题。钢货架作为各类仓库的承重结构,其投资总数最高可占整个仓库设备投资的 2/3,其设计水平直接影响到仓库的性能和制造成本。钢货架的整体稳定性主要由柱脚节点刚度确定。

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摘要:随着装配式住宅和建筑工业化概念快速发展,有关物流基础设施核心的仓储结构体系成为热门研究课题。钢货架作为各类仓库的承重结构,其投资总数最高可占整个仓库设备投资的 2/3,其设计水平直接影响到仓库的性能和制造成本。钢货架的整体稳定性主要由柱脚节点刚度确定。节点刚度需在钢货架结构设计过程中进行设置。准确地确定节点刚度的大小对于实现经济合理的结构设计是十分重要的。线性或者非线性的弯矩转角曲线关系常常用于确定柱脚刚度。因此对柱脚节点力学性能的研究成为钢货架领域的重点研究方向。
关键词:柱脚;轴力;刚度;摩擦。
        1货架结构常用柱脚形式
        在货架结构中,柱脚根据连接于底板的方式分为两类柱脚,第一种为套接式柱脚,其通过连接件将立柱连接到柱脚底板上,再采用锚栓将柱脚底板锚固于地坪上。该类节点实现了柱脚装配式连接,避免大量的现场焊接工作,施工方便,成本较低。套接式柱脚根据底板锚栓位置,分为偏心套接式柱脚(图 1.1)和不偏心套接式柱脚(图 1.2)。偏心套接式柱脚节点于开口位置偏心锚固,以减少底板尺寸和材料用量,节约造价,此种节点的刚度和承载能力受轴力影响很大,其抗弯刚度和承载能力较弱,容易出现底板上翘弯曲(“抬脚跟”现象)、化锚拔出等破坏现象。但由于其具有施工便利、节省钢材及柱脚空间等方面的优势,成为多层货架结构中最常用的柱脚形式。不偏心套接式柱脚相对于偏心套接式柱脚,底板厚度较厚,其锚栓孔设置在底板中心线上,避免因锚栓偏置引起的“抬脚跟”现象,但因连接件刚度有限,其节点整体刚度相对较弱,常用于承受较大水平力,对底板变形要求较高的高层或者库架合一式货架结构中。
        第二种为端部焊接式柱脚(图 1.3),立柱直接采用焊接方式连接于底板上,锚栓位于底板中心线上,减少偏心作用,此节点刚度大,承载性能好,但由于现场焊接工作量较大,安装成本较高,常用于对结构变形和受力要求较高的高层或库架合一式货架中。


        2 研究现状
        2.1轴力与节点相关性研究现状
        钢货架结构的杆件均为冷弯薄壁型钢构件,并通过连接件使得构件间、柱子与底板间相互连接,形成梁柱或柱脚节点。柱脚节点在传递立柱的竖向轴力荷载的同时,也直接影响了货架结构的强度和刚度,对货架结构的整体性能及抗震能力有着至关重要的影响。柱脚节点的转动能力和转动刚度也直接决定了货架结构在循环往复荷载与地震荷载作用下的耗能能力,因此在正常使用中,柱脚节点在满足易于安装的基础上必须保证具有足够的强度和刚度。国内学者对于冷弯薄壁型钢货架结构的柱脚研究相对较少,从柱脚节点的属性设定到轴力相关性研究,有了初步成果。刘贤豪[1]通过考察了不同柱脚连接组合的柔性门式框架的稳定性,指出了在进行设计时,可以偏于安全地将柔性框架当作柱脚铰接框架来考虑。哈尔滨工业大学的武振宇[2]通过对 3 组钢货架直接焊接底板形式的柱脚进行有限元模拟和试验,指出了立柱的轴力作用对柱脚节点的初始抗弯刚度和承载力极限弯矩均
有一定影响,并且增加立柱轴力和底板厚度会提高节点的初始抗弯刚度和抗弯承载力。
        2.2半刚性节点力学性能研究现状
        对于钢节点类型可大致分为刚性节点、半刚性节点和铰接节点。这三种连接类型的含义是:
        (1)刚性节点是指在受力过程中,构件轴线之间的夹角不变,在实际工程设计中,认为连接可以传递 90%以上的弯矩为刚接;
        (2)铰接节点是指在外力下,构件轴线转角变量大于理想铰接转角的 80%以上;
        (3)半刚性节点的转角变量介于以上两者之间。
        半刚性节点在加载过程中呈现非线性的特征:节点各部件之间存在接触关系,如角钢、连接件、螺栓之间发生相互滑动;板件发生局部屈服;螺栓孔、扣件等发生应力集中等。许多学者的研究集中于半刚性节点本身的性能,即节点的弯矩-转角关系。
        如彭福明[3]等利用拟静力法在位移和力的控制下,研究外伸端板半刚性节点在循环荷载作用下的破坏形式、承载能力、滞回性能。王新武和李凤霞[4]、郭兵等[5]通过梁柱半刚性节点的循环荷载实验,表明端板连接具有良好的延性和耗能能力,分析了此类连接的连接刚度、承载能力和延性特征,以及影响连接性能的主要因素。
        2.3半刚性节点对整体性能影响研究现状
        半刚性节点对整体性能影响的研究分析主要集中在以试验为依据验证半刚性连接钢框架的静、动力特性。王新堂以空间梁单元经典刚度方程为基础,建立了一般半刚性连接空间梁系结构的计算模型,此模型可通过调整各杆端约束参数使其成为完全刚接或理想铰接模型[6]。王燕[7]采用 M-θ 的三参数线性化模型对各种钢框架半刚性节点的受力性能及设计方法进行分析,并推导出各种形式半刚性连接的线性初始刚度的计算公式和在荷载作用下的内力计算公式。徐良伟[8]等通过引入螺旋弹簧刚度,在基本假定的基础上,利用简支式等效单元模型推导出半刚性连接梁单元的弯矩转角方程和修正转动刚度,并将无剪力法推广应用于半刚性连接钢框架的结构分析,其计算十分简便,可供工程设计人员应用。
        3.弧面端承式滑移摩擦柱脚节点
        弧面端承式滑移摩擦柱脚节点,该节点的工作原理是:在水平外力作用下,当节点处的弯矩小于设定的起滑力矩时,节点不发生转动,这时节点与普通的柱脚节点没有区别。但是当节点处的弯矩达到或者超过设定的起滑力矩时,节点发生转动。经历强烈地震作用时,弧面端承式滑移摩擦柱脚节点通过弧形端板间以及弧形端板与螺栓间的转动摩擦力来耗散地震能量,以滑移摩擦耗能代替传统节点的材料屈服变形耗能,达到无损耗能的目的。
        4总结
        柱脚节点的力学性能在钢货架结构分析设计中不可忽视,但传统的设计和分析都将钢货架柱脚设定为理想铰接。然而在实际的货架工程中,轴力对货架柱脚节点的力学性能有着较大影响,存在大量机械连接的钢货架柱脚很难达到理想铰接的情况。本文阐述了柱脚等效刚度与轴力相关性及其对整体性能影响。弧面端承式滑移摩擦柱脚节点,该节点旨在通过弧板之间以及弧板与高强螺栓之间的滑移摩擦耗能代替传统柱脚节点的构件屈服耗能,达到无损耗能的设计目标。但是在实际工程中,钢板之间的摩擦会由于钢材的缺陷或它们自身材料特性而产生咬合作用,从而在转动过程中影响节点的滑移面上的摩擦稳定性。因此弧形端板之间摩擦面的精细化模拟有待进一步的研究。
参考文献
【1】刘贤豪, Beale R G, Godley M H R.柱脚连接对柔性框架结构稳定性的影响[J].建筑钢结构进展, 2007, 9(3): 33-40.
【2】武振宇,成博.组装式钢货架柱脚节点的受力性能研究[J].  深圳大学学报理工版,2014,31(5): 513-520.
【3】彭福明,王燕.外伸端板半刚性节点在循环荷载作用下的研究[J].青岛建筑工程学院学报,2001,22(4): 75-78.
【4】王新武,李凤霞.采用上下角钢的梁柱半刚性连接试验研究[J].施工技术,2004,33(3):50-51.

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