En el diseño de la estructura de acero, la "conexión concéntrica" es el Estado ideal: el eje central de la viga y el eje central de la columna se encuentran en un punto, el camino de transmisión de fuerza es el más corto y la fuerza del nodo es la más clara. Sin embargo, en la ingeniería real, debido a los requisitos de la fachada del edificio, la disposición de equipos y tuberías, las limitaciones de espacio o las reformas estructurales existentes, los nodos de viga y columna a menudo tienen que hacer conexiones excéntricas.

Si la estructura del nodo no se maneja adecuadamente, la ligereza causa el pandeo prematuro del extremo de la viga, y la pesadez conduce a la inestabilidad de torsión del cuerpo de la columna, e incluso a riesgos potenciales de Seguridad en todo el sistema estructural.

¿Entonces, cuando la viga de acero tiene que conectarse excéntricamente con la columna de acero, ¿ qué debo hacer con la estructura del nodo?

I. cuestiones centrales de la conexión excéntrica

Se establece que la distancia excéntrica entre la línea central de la viga de acero y la línea central de la columna de acero es E. cuando el extremo de la viga actúa con cizallamiento vertical V y momento de flexión m, el par adicional generado por estas fuerzas internas en el Centro de la Sección de la columna es t = v · E. Al mismo tiempo, también se produce excentricidad entre el punto de fuerza conjunta de la fuerza axial de la banda de la viga y la banda de la columna, lo que resulta en un efecto de flexión fuera de la superficie significativo en la banda o banda de la columna.

Para la sección transversal de la columna, el Estado de fuerza, que originalmente se basaba principalmente en la presión axial y la flexión unidireccional, se convirtió en un Estado de fuerza compuesto de flexión, Corte y torsión. La capacidad de carga de la columna puede reducirse en un 30% o más si se utilizan prácticas convencionales de unión rígida o bisagra sin compensación alguna.

Por lo tanto, los objetivos centrales de todas las medidas estructurales se pueden resumir en dos puntos: eliminar o reducir los efectos mecánicos de la excentricidad y fortalecer la capacidad del cuerpo de la columna para resistir la torsión.

II. principales esquemas de tratamiento estructural

Opción 1: establecer rigidizadores y tabiques horizontales - las medidas de compensación más utilizadas

Para la conexión excéntrica entre la columna de acero en forma de H y la viga de acero en forma de h, la estructura más directa es establecer costillas de rigidez horizontal en la posición de la banda de la columna correspondiente a la banda de la viga, extendiendo la fuerza concentrada transmitida por la banda de la viga a una gama más amplia de la banda de la columna.

Cuando la excentricidad es pequeña (generalmente se considera que e ≤ 0,5 veces el ancho de la columna), se puede utilizar una costilla rígida unilateral, es decir, una placa horizontal se puede soldar en la posición de la línea de extensión de la brida de la viga y a ambos lados de la banda de la columna. Cuando la distancia de excentricidad es grande, es necesario utilizar un tabique a través, que atraviesa la banda de la columna y se extiende al otro lado, y se solda con las alas de ambos lados de la columna, formando así un circuito cerrado de flujo de fuerza.

Se debe prestar especial atención a que el espesor de la costilla de refuerzo no debe ser inferior al espesor de la brida de la viga, y el ancho de su banda de columna extendida no debe ser inferior a 1,5 veces la distancia excéntrica, de lo contrario el efecto de difusión de fuerza es limitado.

Opción 2: el cuerpo de la columna está equipado con una placa de anillo o una manga - adecuada para columnas de tubos de acero cuadrados

Cuando la columna adopta un tubo de acero cuadrado o una sección transversal de un tubo de acero redondo, las costillas de refuerzo no se pueden soldar directamente en el Interior. en este momento, la práctica común es establecer una placa de refuerzo circular (placa de anillo) o una manga de acero en el exterior del cuerpo de la columna.

La práctica de la placa de anillo es soldar una placa de acero circular cerrada alrededor del cuerpo de la columna en la elevación correspondiente a la brida de la viga. Las alas superior e inferior de la viga se soldan con la placa de anillo, que luego transmite la fuerza a la pared de la columna. El espesor de la placa de anillo suele tomar más de 1,2 veces el espesor de la brida de la viga, y el ancho toma de 1,5 a 2,0 veces la distancia excéntrica.

Para los nodos con mayor excentricidad o fuerza pesada, se puede instalar una manga de tubo de acero engrosado dentro de un cierto rango de altura del cuerpo de la columna, y el espesor de la pared de la manga se determina de acuerdo con el momento de flexión adicional generado por la excentricidad. La Manga y el cuerpo de la columna se conectan mediante soldadura por enchufe o soldadura por ranura de penetración completa para garantizar la sinergia entre los dos.

Opción 3: cambiar la forma de conexión - ajustar de la conexión rígida a la bisagra o semirígida

Si la excentricidad no se puede compensar completamente a través de la construcción, una idea más fundamental es cambiar activamente el modelo mecánico del nodo.

Cambiar el nodo rígido diseñado originalmente por un nodo bisagra es la forma más completa de resolver el problema de la excentricidad. Los nodos articulares solo transmiten cizallamiento y fuerza axial, y no transmiten momentos de flexión, por lo que el par adicional generado por la excentricidad se reduce considerablemente. Las prácticas específicas pueden adoptarse:

1. conexión de corte de una o dos placas: la banda de la viga se conecta con los pernos de la brida de la columna a través de la placa de conexión, y se reservan grietas entre la brida de la viga y la columna sin soldadura.

2. la placa final está diseñada para producir una pequeña rotación.

Por supuesto, después de cambiarlo a una articulación, la rigidez lateral de toda la estructura disminuirá, por lo que es necesario verificar si el ángulo de desplazamiento entre capas cumple con los requisitos de la especificación. Si la rigidez es insuficiente, se puede considerar una conexión semirígida, como el uso de placas finales engrosadas y la disposición adecuada de los pernos, para que el nodo tenga una cierta capacidad de carga de momento pero permita una rotación limitada, logrando así un equilibrio entre las propiedades mecánicas y la viabilidad estructural.

Opción 4: añadir soporte anti - torsión o soporte de esquina

Cuando la excentricidad no se puede resolver a través de la estructura interna del nodo y la capacidad de carga anti - torsión de la columna es insuficiente, se puede considerar la instalación de soporte anti - torsión entre las capas adyacentes de la columna. La práctica específica es establecer soportes horizontales o oblicuos a lo largo del cuerpo de la columna por encima o por debajo del nodo excéntrico para restringir la torsión de la columna al suelo o al marco adyacente.

Por ejemplo, se instalan pértigas horizontales a ambos lados de la columna de acero para conectarse con el borde del suelo de hormigón, utilizando la rigidez en la superficie del suelo para limitar el ángulo de torsión del cuerpo de la columna. Este método es especialmente adecuado para los proyectos de renovación construidos, ya que medidas como el refuerzo deben completarse en la fábrica, mientras que el soporte se puede instalar en el sitio.

3. varios cálculos clave en el diseño

Independientemente del esquema de construcción utilizado, el diseñador debe completar los siguientes cálculos de inspección:

1. cálculo de la resistencia a la torsión del cuerpo de la columna: calcular el par t generado por la excentricidad, verificar el esfuerzo de cizallamiento de torsión y el ángulo de torsión de la sección transversal de la columna de acuerdo con la teoría de la torsión elástica, y considerar el impacto de la torsión restringida si es necesario.

2. inspección y cálculo de la presión local: la zona de contacto entre la brida de la viga y la pared de la columna, debido a la excentricidad, aumenta significativamente el coeficiente de concentración de esfuerzo, que debe revisarse de acuerdo con la fórmula de tensión de compresión local en el apéndice de GB 50017 de las normas de diseño de estructuras de acero.

3. cálculo de inspección de la soldadura de la costilla de refuerzo: la soldadura de conexión entre la costilla de refuerzo y la pared de la columna debe soportar el momento de flexión fuera de la superficie causado por la excentricidad, el tamaño de la soldadura debe calcularse de acuerdo con la fuerza real, y no debe tomarse solo de acuerdo con la estructura.

4. reducción de la capacidad de carga en el dominio del nodo: cuando se conecta excéntricamente, la deformación de corte en el dominio del nodo se intensificará debido al efecto de torsión, que se puede reducir con referencia al coeficiente de reducción dado por estudios relacionados.

IV. varios detalles estructurales notables

1. cuando la excentricidad supera 0,75 veces el ancho de la columna, cualquiera de las medidas estructurales anteriores es difícil de eliminar completamente los efectos adversos de la excentricidad, y se debe dar prioridad al ajuste de la red de columnas o la posición de la viga para evitar fundamentalmente las conexiones de gran excentricidad.

2. las restricciones a la excentricidad en las zonas de fortificación sísmica son más estrictas. Según los estudios experimentales en el país y en el extranjero, bajo la acción de terremotos raros, la capacidad de deformación plástica de los nodos de conexión excéntricos es significativamente menor que la de los nodos concéntricos, por lo que se recomienda que la distancia excéntrica bajo la combinación de acción sísmica no supere 0,3 veces el ancho de la columna.

3. cuando el extremo de la viga se solda en el sitio, se debe prestar atención al orden de soldadura. Primero se debe soldar una brida lateral con menos fuerza, luego el otro lado y finalmente la placa de conexión de la tela para reducir el efecto superpuesto de las tensiones residuales de soldadura en la excentricidad.

Conclusión

La conexión excéntrica entre la viga de acero y la columna de acero es una situación difícil de evitar por completo en la ingeniería, pero no es de ninguna manera un problema intratable. Cada método tiene sus condiciones y límites aplicables, desde el establecimiento de costillas rígidas y casquillos de placas de anillo hasta el ajuste del modelo mecánico del nodo y la adición de soportes anti - torsión. El núcleo del diseño es juzgar con precisión el grado de excentricidad, seleccionar razonablemente el plan estructural y completar estrictamente varios cálculos de inspección.