构架设计6

-1-锅炉构架设计六柱的设计-2-六柱的设计1.柱的破坏方式及计算内容柱的破坏主要是由于失去整体稳定性（或称屈曲）或组成板件局失去稳定性，当柱上有螺栓孔等使截面有较多削弱时，也可能因强度不足而破坏。另外为了防止在制造、运输和安装时产生弯曲变形以及不使整体稳定性降低过大，柱的长细比应不超过规定的限值，即刚度条件。因此，对柱通常要计算强度、整体稳定、局部稳定和刚度，此外还有柱头、柱脚和连接计算等。刚度是正常使用极限状态，其余各项均属承载能力极限状态。2.柱的截面型式选择柱的截面型式时要注意：○1形状应力求简单以减少制造工作量；○2截面应具有对称轴，使柱子有良好的工作性能；○3要便于与梁和支撑的连接；○4在同样截面积下应使其具有较大的惯性矩即柱的材料宜向四周扩展，从而减小柱的长细比；○5尽可能使柱截面在两个主轴方向等刚度，即.xy锅炉构架中常用的柱子截面型式有轧制型钢截面、型钢与钢板组合截面和钢板组合截面，对容量不大于220t/h的锅炉，大都采用轧制型钢截面和型钢与钢板组合截面。3.强度计算轴心受压柱的强度以全截面达到屈服强度为极限状态。由于锅炉构架尚未考虑截面塑性发展，压弯轴则和梁一样以截面最外纤维屈服为承载能力极限状态。3.1轴心受压柱的强度计算/nNAf式中N—轴心压力An—净截面面积3.2压弯柱强度计算xynNMMfAWnxWny4.柱的整体稳定钢结构的稳定性问题习惯分为两类，略述如下。第一类稳定问题：这类稳定问题存在着直线稳定平衡状态转变到曲线稳定平衡状态的分岔现象。以曲线稳定平衡为临界状态，这时截面上的应力为均匀分布，因微弯状态增加的应力很小。超过临界应力后，随着挠度的急剧增加，截面应力分布变化很快，这一过程中，弯曲应力迅速增加，而轴心压力基本不变，直至截面形成塑性铰，荷载挠度的曲线下降，柱子破坏（图4-1）。其特点是，达到临界状态后，要使构件挠度增大，必须增加荷载。理想轴心压杆的稳定属于这类稳定问题。-3-图4-1理想压杆荷载挠度曲线实际上，柱子的钢材是弹塑塑性体，且存在几何缺陷和力学缺陷，因此，钢结构中找不到这种构件。第二类稳定问题：这类稳定问题，在荷载开始作用就立即产生挠曲，在构件屈曲破坏前只有曲线平衡一种状态，而没有平衡分盆现象。达到临界状态时，危险截面上应力分布不均匀且有部分截面发展塑性。临界状态后，由于挠度不断增加，截面应力变化无法再和荷载保持平衡，荷载挠度曲线不断下降，直至破坏（图4-2）。其特点是，达到临界状态后，要使构件维持平衡，就必须迅速减少荷载。钢结构中的压杆稳定均属第二类稳定问题。图4-2压杆荷载挠度曲线4.1实腹式轴心受压柱的稳定计算NfA式中为轴心受压构件稳定系数，为临界应力与钢材屈服强度之比，它与几何缺陷、力学缺陷、截面形式及其尺寸，加工方法和端部约束条件等众多因素有关。规范中的值是假定材料为完全弹塑塑性体，两端铰接，并考虑t/1000的初弯曲，截面形式、钢板厚度、加工方法和13种残余应力分布模式；按柱的最大强度理论，用数值方法算出大量-（柱子）曲线归纳确定的。并且按拟-4-合公式计算制成表格，可根据柱的长细比，钢材屈服强度和截面类别由表1查得相应的值。必须注意，尽管上式具有强度条件的形式，其实它不过是由crNN这一条件在不等式两边除以面积A化成的，即.crcrcryRyRNNffAArfrNfA从前述可知，当构件截面类别和钢材确定后，则直接由构件长细比决定。是衡量轴向受力构件刚度的标准；此外，稳定破坏（失稳）是构件在外力作用下，突然发生与原受力状态不符的较大变形而导致的，即稳定承载力与构件的刚度密切相关，而刚度是由构件的整体组成所决定的。强度破坏则是构件截面应力超过材料强度引起的。可见稳定与强度的本质区别是：稳定是描述构件整体的问题，强度是表达构件某一截面或截面上某一点的问题。4.2实腹式压弯柱的稳定计算在轴心力和弯矩共同作用下的压弯柱，有两种可能的失稳形式，即弯矩作用平面内的弯曲失稳和弯矩作用平面外的弯扭失稳，这两种失稳形式的性质不同，宜分别计算。（计算方法略）对于小锅炉的构架柱子具有以下特点：○1柱截面为双轴对称的封闭截面，两个主轴方向的惯性矩很接近，即xy；○2轴压比N/Af较小；○3轴段内无横向荷载，且端弯矩通常都使轴段产生反向曲率，端弯矩值也比较大。因此对容量不大于200t/h的锅炉构架柱子可以按下式近似计算，其弯矩作用平面内和弯矩作用平面外的稳定性；xyyNMMfAWxW式中—对强轴x-x或弱轴y-y的轴心受压轴稳定系数；xM、yM—所计算柱段对强轴和弱轴的最大端弯矩；xW、yW—对强轴和弱轴的毛截面模量。5刚度刚度要求是使构件的长细比不超过规定的限值。5.1长细比li式中—构件长细比；ｌ—构件实际长度；ｉ—构件截面回转半径，按下式计算；/iIAI—毛截面惯性矩；—容许长细比，对柱不宜大于120235/fy（大部分都在50～80-5-之间）；—计算长度系数。5.2柱计算长度系数5.2.1框架柱计算长度系数是柱子稳定计算中的一个重要参数，这里仅简单叙述梁与柱刚性连接，几何图形为矩形的单层或多层框架等截面柱在框架平面内的计算长度系数。框架柱的两端受到横梁的约束，有时上端还能自由侧移，习惯的做法是先确定其计算长度系数，然后按两端铰支的柱计算稳定性。框架柱的计算长度系数根据整个框架都达到临界条件来确定。框架的失稳形式有无侧移的对称失稳和有侧移的反对称失稳两种，框架中设有支撑体系（垂直支撑）且其的抗侧移刚度足够大，如等于或大于框架本身刚度的5倍时，可视为无侧移失稳，否则视为有侧移失稳。确定框架计算长度时，采用了下列假定：○1材料是完全弹性的；○2框架只承受作用在节点的竖向荷载；○3框架中所有柱同时丧失稳定；○4当柱开始失稳时，相交于同一点的横梁对柱提供的约束弯矩，按柱的线刚度之比分配给柱，且只考虑直接与该柱相连的横梁有约束作用；○5无侧移失稳时，横梁两端的转角大小相等方向相反；有侧移失稳时，横梁两端的转角大小相等方向相同。根据以上基本假定，将框架按支撑系统情况，用位移法进行稳定分析，求出任意柱段的稳定方程。根据相交于柱上、下端的横梁线刚度之和与柱线刚度之和的比值，可由稳定方程计算值。但稳定方程系超越方程，求解较复杂。为便于应用，《钢结构设计规范》将其制成表格，美国AISC规范则制成列线图。无侧移框架柱的计算长度系数1；而有侧移框架柱的计算长度系数1。锅炉构架中，对无侧移框架柱，一般都取1，亦可由表2查得；有侧移框架柱由表3查得。5.2.2轴心受压柱不同端部约束条件下，等截面轴心受压柱的计算长度系数可按下表采用：端部约束条件两端铰支一端铰支一端固定两端嵌固悬臂柱一端铰支另一端不能转动但能移动一端嵌固，另一端不能转动但能移动理论值1.00.70.52.02.01.0建议取值1.00.80.652.12.01.2-6-6.局部稳定轧制型钢截面和型钢与钢板组合截面柱，其组成板件的宽厚比较小，一般情况下，局部稳定都能保证，7截面设计柱的截面设计首先是选择截面型式，应使其用钢量最省，制造简单和便于与梁连接。7.1轴心受压柱轴心受压柱的截面主要根据稳定条件确定。即首先假定一个合适的长细比，一般取70，由查表1得到值后，由式/NAf求得面积A；其次按柱段的几何长度l，由式/il计算最小回转半径mini。最后由A和mini从型钢组合截面表中选择合适的截面并验算，直至满足稳定性和刚度要求为止。7.2压弯柱由于压弯柱的受力情况比轴心受压柱复杂，计算要求满足的条件也较多，需要根据受力情况和设计经验，一般可按先假定求得mini，由mini初选截面尺寸以后进行各项验算，不满足要求时再作调整，直到满足要求为止。8连接计算8.1柱子翼缘与腹板连接实腹式工字形截面柱或箱形截面柱的翼缘与腹板（含型钢组合柱的盖板与型钢）一般采用连续角焊缝连接，其焊脚尺寸按下式确定：11.4wffVShIf式中1S—柱翼缘（或盖板）毛截面对中和轴的面积矩；I—柱毛截面惯性矩；V—剪力，对轴心受压柱：*85235yAffV；对压弯柱取实际剪力和此式计算的较大值。8.2柱的拼接型钢截面柱和型钢与型钢组合截面柱的工地拼接应采用坡口拼接焊缝并设置加强板，加强板厚度与型钢腹板厚相适应，一般取6mm至1.2倍型钢腹板厚度，长度约800mm。这种连接能安全承受轴力和弯矩的作用。8.2梁和柱的连接对小容量锅炉构架，梁与柱都采用刚性连接，下图为常用的典型结构。-7-图中梁的支反力一般视为分别由连接板或鱼板与柱、梁连接的竖向焊缝传递。图（a）中弯矩可转换成力偶N=M/h和11/()NMhh分别由肋板与梁的水平焊缝和肋板与柱的竖向焊缝承担；图（b）中的N由鱼板与梁的水平焊缝承担，11/NMh由鱼板与柱的水平焊缝承担；图（c）中的N由梁的水平焊缝承担，而钢板和托架与柱的连接焊缝组则共同传递弯矩M。9.柱头一般顶板梁与柱为铰支连接，柱头只承受梁的支反力，柱头由加劲肋和柱顶板组成，典型结构如下图。-8-9.1加劲肋○1加劲肋厚度t应符合下列要求，ceRtaf1040235yaftmm○2加劲肋高度取下式计算的较大者：6Mhtf1.5vvhtf式中M—加劲肋按承受均布荷载R/a的简支梁计算的最大弯矩，M=-Ra/8；V—加劲肋的最大剪力；V=R/2。○3加劲肋与柱的连接焊缝按传递剪力V计算。○4加劲肋与柱顶板应刨平顶紧或焊接连接，当焊接连接时，焊缝应按承受支反力R计算。9.2柱顶板柱顶板应具有足够的刚度。厚度一般不小于20mm，其与柱子的连接焊缝按构造要求采用。10.柱脚柱脚与基础的连接有固接和铰接两种方式。为了使柱子承受的荷载安全地传给基础，柱脚应有适当的整体刚度。各部分的板件需有足够的强度和可靠的连接。下面仅介绍固接柱脚设计的有关问题。固接柱脚由柱底板、靴板、加劲肋板组成（下图）-9-10.1底板面积当轴心受压时，按下式计算柱底板面积：cnNqfA轴心压力和弯矩共同作用时，按下式计算柱底板面积：2266xycNMMqfababab式中nA—底板净面积；q—作用在底板单位面积上的压力；a、b—底板长度和宽度；N—轴心压力；Mx、yM—绕X轴和Y轴的弯矩；cf—混凝土基础的轴心抗压强度设计值，由基础设计单位提供或按下表采用。混凝土轴心抗压强度的设计值cf（N/2mm）混凝土强度等级C15C20C25C30C35C40C45抗压强度设计值7.510.012.515.017.519.521.510.2底板厚度底板厚度按下式计算：6Mtf式中t—底板厚度；M—弯矩、取按下列规定计算的最大值。1）四边支承板（图中I区）最大弯矩发生在短边方向的板中央，按下式计算：21Mqa式中a1—较短边长度；—系数，由b1/a1按下表选取。四边支承底板弯矩系数11ba1.01.11.21.31.41.51.60.0480.0550.0630.0690.0750.0810.08611ba1.71.81.92.03.04.00.0910.0950.0990.1020.1190.125-10-当b1/a1大于2时，可按单跨简支梁按下式计算：2118Mqa2）三边支承板（图中II区）最大弯矩位于自由边的中央，按下式计算21Mqb式中b1—自由边长度；—系数，由a2/b1按下表选取。三边或二边支承底板弯矩系数21ab0.30.350.40.450.50.550.60.650.70.750.0270.0360.0440.0520.0600.0680.0750.0810.0870.09221ab0.80.850.90.951.01.11.21.31.40.0970.1020.1050.1090.1120.1170.1210.1240.125当a2/b1小于0.3时，按悬臂长度为a2的悬臂梁计算。3）两边支承板（图中III）的计算公式与三边支承板相同，但a2为角顶到对角线的垂直距离，b1为支承边