冷弯薄壁C型钢简支檩条连续化加固技术研究

作     者：丰成成 

作者单位：山东建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：雷淑忠;陈源源

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：冷弯薄壁C型钢 连续化 连续檩条 檩条加固 有限元分析 

摘      要：冷弯薄壁构件在工业民用建筑中已经得到了广泛应用,典型的代表为轻型门式刚架厂房,檩条作为一种冷弯薄壁型钢构件,在轻钢结构厂房屋盖体系中发挥着极其重要的作用。近年来国家大力推广太阳能光伏发电,老旧轻钢结构厂房屋顶得到了广泛应用。2019年4月1日实施的《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018恒载和活载的分项系数变为1.3和1.5(旧标准为1.2和1.4),2022年1月1日实施的《工程结构通用规范》GB55001-2021规定不上人屋面活荷载为0.5k N/m(原门式刚架设计一般取0.3k N/m),再考虑增加的光伏板和支架的重量,导致檩条普遍承载力不足,需要进行加固处理。国内目前常用的加固方式有增大檩条截面尺寸、加密檩条等等,这些加固方式施工效率低,用钢量较大不经济,简支变连续作为一种檩条连续化加固方式,用钢量较少,施工方便,经济性较好,目前对冷弯薄壁C型钢连续檩条的设计缺少相关标准规范,国内外研究主要集中在C型连续檩条的受力性能和连接上,对局部加强的C型连续檩条受力性能和连接研究较少。为了逐步完善局部加强C型连续檩条的相关研究,针对冷弯薄壁C型钢简支檩条进行加固,采用简支变连续的加固方法,即在相邻檩条支座位置嵌套连接件使其连续化,分别采用理论计算、有限元分析和试验验证的方法,选出最优的加固方案,对冷弯薄壁C型钢内嵌式连续檩条的搭接长度、连接方式和内嵌连接件的规格尺寸进行研究,最后通过一个工程实例验证计算分析,为C型连续檩条在实际工程中的应用提供依据,主要内容如下:首先介绍了冷弯薄壁C型钢檩条设计的一些相关理论,然后通过PKPM软件工具箱计算对比增大檩条截面尺寸、加密檩条、简支变连续这三种加固方式,从受力性能、经济性、施工操作性综合得出简支变连续加固方式为最优的加固方案。其次,针对我国相关规范标准对C型钢连续檩条的嵌套搭接长度并没有明确规定的现状,采用有限元软件ABAQUS建立内嵌式C型连续檩条模型,支座处嵌套连接件与原檩条采用螺栓有效连接,考虑檩条跨度取6m、7m、8m、9m以及搭接长度系数α取(17)(4)-(17)(15)(4)进行建模分析,并探讨檩条的连续性β,根据檩条的连续性β分析得出冷弯薄壁C型钢檩条内嵌式连续化加固合理的搭接长度。结果表明:冷弯薄壁内嵌式C型连续檩条的搭接长度宜不小于简支檩条跨度的10%,随着嵌套搭接长度的增加,檩条连续性不断增加,当搭接长度取檩条跨度的10%时,檩条连续性达到90%左右。再次,简支变连续的关键在于支座处的嵌套搭接,相邻檩条支座处嵌套搭接的连接方式以及嵌套搭接件的规格尺寸也是影响C型连续檩条受力性能的重要因素。通过有限元软件ABAQUS,对连续檩条内嵌式加固方案下采用螺栓连接和结构胶连接进行了计算对比分析研究。另外,改变内嵌式嵌套连接件尺寸规格,在保证支座处连续性β接近100%的前提下,研究了不同规格尺寸嵌套搭接连接件下对搭接长度的影响。结果表明:采用结构胶粘结的连接方式,檩条内嵌式加固的连续性和刚度优于螺栓连接,综合考虑两种连接方式的施工工序与经济性,檩条连续化加固可优先选择螺栓连接;在保证支座处连续性β接近100%的前提下,不同规格尺寸的连接件所需的搭接长度有所不同,随着连接件规格尺寸的不断增大,所需嵌套搭接长度不断减小;为了保证嵌套连接件施工方便,连接件腹板高度不宜和原檩条腹板高度一致,冷弯薄壁C型钢连续檩条嵌套连接件腹板高度不宜小于原檩条腹板高度的70%,翼缘宽度不宜小于原檩条翼缘宽度的60%。最后,以某一实际工程为例,在支座处增加连接件将简支檩条连接起来成为连续檩条,采用内嵌式和外包式两种加固方案,分别进行了ABAQUS有限元数值模拟分析和试验研究,计算分析了两种连续化加固方案下檩条挠度、应力的变化情况,与简支C型钢檩条进行了对比,以此来验证以上数值模拟结论的合理性。结果表明:简支檩条通过这两种连续化加固方案,整体刚度明显提升,承载力达到设计要求;采用在支座处外包连接件的连续化加固方案整体刚度提升较大,加固效果较好,但施工麻烦。有限元模拟计算竖向位移值小于试验值,究其原因一是螺栓连接紧固程度的影响,二是模拟时限制上翼缘的侧向位移只能近似模拟屋面板的应力蒙皮效应;简支檩条连续化加固方案对端跨檩条影响较小,端跨檩条建议采用檩条加密或增大檩条截面尺寸进行加固。