CN113360969B - 一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法 - Google Patents

一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，包括以下步骤：设置高强螺栓信息，包括高强螺栓规格及预拉力、高强螺栓构造参数、高强螺栓计算参数；根据杆件截面类型计算各板单排最大螺栓数n 0以及考虑人孔/手孔的单排最大螺栓数n 1；基于等强设计方法，计算各板所需最小螺栓数[n]；根据实际情况，按n 0或n 1自拼缝起逐排布置螺栓，直至总螺栓数n不小于最小螺栓数[n]；若不考虑跳孔，输出高强螺栓设计结果，反之，对超出最小螺栓数[n]的螺栓进行修正后，输出高强螺栓设计结果。本发明进行钢桁梁杆件高强螺栓设计，可适应多种复杂情况，设计效率高，计算结果可用于绘制钢桁梁杆件高强螺栓连接图，也可用于计算净截面特性。

Description

一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法
技术领域
本发明属于桥梁工程设计领域，具体涉及一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法。
背景技术
由于现场焊接质量不好保证、对安装精度要求高、工期紧张等原因，钢桁梁节段安装时通常以高强螺栓连接为主。
钢桁梁杆件的高强螺栓设计存在以下难点：其一，计算情况复杂，钢桁梁杆件的截面形式、加劲肋位置、人孔/手孔位置均影响高强螺栓的设计结果；其二，计算效率低，由于计算体量大，控制因素多，自动化程度低。
因此，亟需一种通用性强、设计效率高的高强螺栓自动设计方法来解决设计中存在的实际问题。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法。
本发明的技术方案是：一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，包括以下步骤：
A.预设高强螺栓信息
高强螺栓信息包括高强螺栓规格及预拉力、高强螺栓构造参数、高强螺栓计算参数；
B.计算各板的单排最大螺栓数
根据杆件截面类型计算各板单排最大螺栓数n0以及考虑人孔/手孔的单排最大螺栓数n1；
C.计算各板所需最小螺栓数
基于等强设计方法，计算各板所需最小螺栓数[n]；
D.对高强螺栓进行排布
根据实际情况，按n0或n1自拼缝起逐排布置螺栓，直至总螺栓数n不小于最小螺栓数[n]；
E.输出高强螺栓设计结果
如不考虑跳孔，直接输出高强螺栓设计结果；如考虑跳孔，对超出最小螺栓数[n]的螺栓进行修正后，输出高强螺栓设计结果。
更进一步的，步骤A中高强螺栓构造参数包含螺栓孔径、螺栓中心距、螺栓中心至板边缘距离、螺栓中心至板加劲肋/H形(I形、王字形)截面腹板距离、螺栓是否按跳孔布置、螺栓是否在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置。
更进一步的，所述人孔/手孔的形状为圆形或由矩形及两个半圆形组成的圆端形。
更进一步的，当前螺栓所在排不存在人孔/手孔时，也按照当前螺栓所在排存在人孔/手孔布置螺栓；反之，则按照当前螺栓所在排板的实际开孔情况布置螺栓。
更进一步的，步骤A中高强螺栓计算参数指计算高强螺栓容许抗滑承载力的参数。
更进一步的，步骤B中杆件截面类型包含任意单箱单室截面、H形(I形、王字形)截面。
更进一步的，步骤C中等强设计方法指接头的设计承载能力不低于母材构件承载力的设计方法。
更进一步的，步骤D中按n0或n1自拼缝起逐排布置螺栓，是指当前螺栓排存在人孔/手孔或“螺栓是否在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置”为假时，按n1自拼缝起逐排布置螺栓；当前螺栓排不存在人孔/手孔时，按n0自拼缝起逐排布置螺栓。
更进一步的，步骤E中对超出最小螺栓数[n]的螺栓进行修正指减少总螺栓数至大于最小螺栓数[n]的最小偶数。
更进一步的，步骤E中高强螺栓设计结果包含钢桁梁杆件各板的最小螺栓数[n]、各板采用螺栓总数、各板螺栓布置方案、每排采用的螺栓个数。
本发明对于钢桁梁杆件的高强螺栓进行快速设计，涵盖了钢桁梁杆件常用的截面类型，适用于有加劲肋、有人孔/手孔的情况，支持跳孔布置等多种布置方法，基本涵盖了钢桁梁杆件高强螺栓设计中大部分计算工况，通用性强。
本发明实现高强螺栓自动化设计，能大幅提高设计效率，传统手段完成一座大跨度钢桁梁桥的高强螺栓设计通常需要3h～4h，而借助本发明完成同样体量的设计仅需3min～5min，解放设计生产力。
本发明输出的设计结果不仅可以实现钢桁梁杆件高强螺栓快速设计，也可以借助设计成果完成净截面特性的快速计算和钢桁梁杆件高强螺栓连接图的绘制。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明实施例中一根钢桁梁上弦杆的截面及其人孔；
图3是本发明实施例中为依据计算结果绘制的y1板的螺栓布置图；
图4是本发明实施例中为依据计算结果绘制的y2板的螺栓布置图；
图5是本发明实施例中为依据计算结果绘制的z1板的螺栓布置图。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1～5所示，一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，包括以下步骤：
A.预设高强螺栓信息
高强螺栓信息包括高强螺栓规格及预拉力、高强螺栓构造参数、高强螺栓计算参数；
B.计算各板的单排最大螺栓数
根据杆件截面类型计算各板单排最大螺栓数n0以及考虑人孔/手孔的单排最大螺栓数n1；
C.计算各板所需最小螺栓数
基于等强设计方法，计算各板所需最小螺栓数[n]；
D.对高强螺栓进行排布
根据实际情况，按n0或n1自拼缝起逐排布置螺栓，直至总螺栓数n不小于最小螺栓数[n]；
E.输出高强螺栓设计结果
如不考虑跳孔，直接输出高强螺栓设计结果；如考虑跳孔，对超出最小螺栓数[n]的螺栓进行修正后，输出高强螺栓设计结果。
步骤A中高强螺栓构造参数包含螺栓孔径、螺栓中心距、螺栓中心至板边缘距离、螺栓中心至板加劲肋/H形(I形、王字形)截面腹板距离、螺栓是否按跳孔布置、螺栓是否在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置。
所述人孔/手孔的形状为圆形或由矩形及两个半圆形组成的圆端形。
当前螺栓所在排不存在人孔/手孔时，也按照当前螺栓所在排存在人孔/手孔布置螺栓；反之，则按照当前螺栓所在排板的实际开孔情况布置螺栓。
步骤A中高强螺栓计算参数指计算高强螺栓容许抗滑承载力的参数。
步骤B中杆件截面类型包含任意单箱单室截面、H形(I形、王字形)截面。
步骤C中等强设计方法指接头的设计承载能力不低于母材构件承载力的设计方法。
步骤D中按n0或n1自拼缝起逐排布置螺栓，是指当前螺栓排存在人孔/手孔或“螺栓是否在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置”为假时，按n1自拼缝起逐排布置螺栓；当前螺栓排不存在人孔/手孔时，按n0自拼缝起逐排布置螺栓。
步骤E中对超出最小螺栓数[n]的螺栓进行修正指减少总螺栓数至大于最小螺栓数[n]的最小偶数。
步骤E中高强螺栓设计结果包含钢桁梁杆件各板的最小螺栓数[n]、各板采用螺栓总数、各板螺栓布置方案、每排采用的螺栓个数。
为便于说明发明内容，对常用计算参数以符号表示，具体如下：单箱单室截面无加劲肋板内侧净宽/H形(I形、王字形)截面翼板宽为b，单箱单室截面有加劲肋板净宽集合为{b}，H形(I形、王字形)截面腹板高为h，H形(I形、王字形)截面腹板有加劲肋板净宽集合为{h}，人孔/手孔宽度(直径)为w，人孔/手孔长度为l，拼缝长度为a。
单箱单室截面有加劲肋板净宽集合{b}共有x个元素，按板上的位置关系依次记为b1,b2……bx。
H形(I形、王字形)截面腹板有加劲肋板净宽集合{h}共有y个元素，按板上的位置关系依次记为h1,h2……hy。
步骤A预设高强螺栓信息，具体包括如下内容：
A1.设置高强螺栓规格及预拉力N。
A2.设置高强螺栓构造参数，包括螺栓孔径d0，螺栓中心距d1，螺栓中心至板边缘距离d2，螺栓中心至板加劲肋/H形(I形、王字形)截面腹板距离d3。
A3.设置高强螺栓计算参数，包括高强螺栓连接处的抗滑面数m，高强螺栓的钢材表面抗滑移系数μ0，安全系数K，螺栓数提高系数η，螺栓是否按跳孔布置、螺栓是否在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置。
步骤B计算各板的单排最大螺栓数，具体包括如下内容：
B1.判断截面类型是单箱单室截面还是H形(I形、王字形)截面，单箱单室截面执行步骤B2，H形(I形、王字形)截面执行步骤B3。
B2.判断单箱单室截面各板构造形式，若该板无加劲肋、有人孔、“螺栓是否在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置”为真时，执行步骤B2-1；若该板无加劲肋、有人孔、“螺栓是否在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置”为假时，执行步骤B2-2；若该板无加劲肋、无人孔时，执行步骤B2-3；若该板有加劲肋、有人孔、“螺栓是否在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置”为真时，执行步骤B2-4；若该板有加劲肋、有人孔、“螺栓是否在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置”为假时，执行步骤B2-5；若该板有加劲肋、无人孔时执行步骤B2-6。
B2-1.单排最大螺栓数n0计算式为：
以人孔/手孔半圆中心为(0,0)点，杆件纵向为x轴，杆件横向为y轴，记录各螺栓y坐标至集合{y}；
考虑人孔/手孔的单排最大螺栓数n1计算式为：
B2-2.单排最大螺栓数n0计算式为：
考虑人孔/手孔的单排最大螺栓数n1计算式为：
B2-3.单排最大螺栓数n0计算式为：
B2-4.单排最大螺栓数n0计算式为：
以人孔/手孔半圆中心为(0,0)点，杆件纵向为x轴，杆件横向为y轴，记录各螺栓y坐标至集合{y}；
考虑人孔/手孔的单排最大螺栓数n1计算式为：
B2-5.单排最大螺栓数n0计算式为：
考虑人孔/手孔的单排最大螺栓数n1计算式为：
B2-6.单排最大螺栓数n0计算式为：
B3.判断H形(I形、王字形)截面各板构造形式，若板为H形(I形、王字形)截面翼板，执行步骤B3-1；若板为H形(I形、王字形)截面腹板且无加劲肋，执行步骤B3-2；若板为H形(I形、王字形)截面腹板且有加劲肋，执行步骤B3-3；
B3-1.单排最大螺栓数n0计算式为：
B3-2.单排最大螺栓数n0计算式为：
B3-3.单排最大螺栓数n0计算式为：
步骤C计算各板所需最小螺栓数，包括以下内容：
基于等强设计方法，计算各板所需最小螺栓数[n]；
C1.计算单个螺栓的抗滑移承载力P，计算式为：
P＝mμ0N/K (14)
C2.计算各板所需最小螺栓数[n]，计算式为：
[n]＝ηA0[σ]/P (15)
注：式(15)中A0为母材构件的净面积，对于拉杆，为按n0或n1扣孔后的面积，对于压杆为考虑受压容许应力折减系数后的面积；[σ]为母材的强度设计值。
步骤D对高强螺栓进行排布，包括以下内容：
D1.判断板是否存在人孔/手孔，如果判断结果为真，则执行步骤D2；如果判断结果为假，则执行步骤D3。
D2.以拼缝为起点，判断当前螺栓所在排与人孔/手孔的位置关系，若当前螺栓所在排在人孔/手孔直边(如果有)范围内，执行步骤D2-1；若当前螺栓所在排在人孔/手孔半圆范围内，执行步骤D2-2；若当前螺栓所在排在人孔/手孔范围外，执行步骤D2-3。
D2-1.按每排总数n1布置新一排螺栓，将n1添加至集合{n}，判断当前总螺栓数n是否小于最小螺栓数[n]，如果判断结果为真，重复步骤D2-1，直至总螺栓数n不小于最小螺栓数[n](此时输出总螺栓数n、集合{n})或当前螺栓所在排超出人孔/手孔直边范围；如果判断结果为假，停止布置，输出总螺栓数n、集合{n}。
D2-2.判断螺栓是否在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置，如果判断结果为真，则执行步骤D2-2-1；如果判断结果为假，则执行步骤D2-2-2。
D2-2-1.定义整数j＝0。
以人孔/手孔半圆中心为(0,0)点，杆件纵向为x轴，杆件横向为y轴，计算当前螺栓所在排的x坐标，与螺栓y坐标集合{y}组合为点集{P(x，y)}。
遍历点集{P(x，y)}，当点Pi至人孔/手孔半圆中心的距离不小于(w/2+d2)时，j＝j+1。
遍历结束后，按每排总数j布置新一排螺栓，将j添加至集合{n}，判断当前总螺栓数n是否小于最小螺栓数[n]，如果判断结果为真，重复步骤D2-2-1，直至总螺栓数n不小于最小螺栓数[n](此时输出总螺栓数n、集合{n})或当前螺栓所在排超出人孔/手孔半圆范围；如果判断结果为假，停止布置，输出总螺栓数n、集合{n}。
D2-2-2.按每排总数n1布置新一排螺栓，将n1添加至集合{n}，判断当前总螺栓数n是否小于最小螺栓数[n]，如果判断结果为真，重复步骤D2-2-2，直至总螺栓数n不小于最小螺栓数[n](此时输出总螺栓数n、集合{n})或当前螺栓所在排超出人孔/手孔半圆范围；如果判断结果为假，停止布置，输出总螺栓数n、集合{n}。
D2-3.判断螺栓是否在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置，如果判断结果为真，执行步骤D2-3-1；如果判断结果为假，执行步骤D2-3-2。
D2-3-1.按每排总数n0布置螺栓，将n0添加至集合{n}，判断当前总螺栓数n是否小于最小螺栓数[n]，如果判断结果为真，重复步骤D2-3-1，直至总螺栓数n不小于最小螺栓数[n]，输出总螺栓数n、集合{n}；如果判断结果为假，停止布置，输出总螺栓数n、集合{n}。
D2-3-2.按每排总数n1布置螺栓，将n1添加至集合{n}，判断当前总螺栓数n是否小于最小螺栓数[n]，如果判断结果为真，重复步骤D2-3-2，直至总螺栓数n不小于最小螺栓数[n]，输出总螺栓数n、集合{n}；如果判断结果为假，停止布置，输出总螺栓数n、集合{n}；
D3.以拼缝为起点，按每排总数n0布置新一排螺栓，将n0添加至集合{n}，判断当前总螺栓数n是否小于最小螺栓数[n]，如果判断结果为真，重复步骤D3，直至总螺栓数n不小于最小螺栓数[n]，输出总螺栓数n、集合{n}；如果判断结果为假，停止布置，输出总螺栓数n、集合{n}。
步骤E若不考虑跳孔，输出高强螺栓设计结果，反之，对超出最小螺栓数[n]的螺栓进行修正后，输出高强螺栓设计结果。
E1.判断螺栓是否按跳孔布置，如果判断结果为真，执行步骤E2；如果判断结果为假，执行步骤E3；
E2.螺栓跳孔数nj的计算式为
若nj为奇数，nj＝nj-1 (17)
记集合{n}中元素总数为t，建立新集合{N}，令N1＝nt，N2＝n1，N3＝nt-1，N4＝n2……；
遍历集合{N}，令k＝Ni/2，若k为奇数，令k＝k-1；若k≥nj，令Ni＝Ni-nj、n＝n-nj，更新集合{n}中对应元素，停止遍历；若k＜nj，令Ni＝Ni-k、n＝n-k，nj＝nj-k，更新集合{n}中对应元素，继续遍历；
遍历完成后，输出最小螺栓数[n]，总螺栓数n；遍历集合{n}各元素，以“元素1+元素2+……”的格式作为高强螺栓布置方案并输出。
E3.输出最小螺栓数[n]，总螺栓数n；遍历集合{n}各元素，以“元素1+元素2+……”的格式作为高强螺栓布置方案并输出。
实施例一
以一根钢桁梁上弦杆的截面及其人孔为例，其截面由两块宽1420mm、厚28mm的钢板和两块宽1300mm、厚24mm的钢板组成，每块钢板均焊接高240mm、厚24mm的加劲肋。人孔设置在y1板上，人孔宽度300mm，长520mm。
以图2所示上弦杆为实例对本发明做进一步说明。
首先，设置高强螺栓信息，即步骤A，对于本例，高强螺栓规格采用M30，螺栓孔径d0为33mm，螺栓中心距d1为100mm，螺栓中心至板边缘距离d2为50mm，螺栓中心至板加劲肋/H形(I形、王字形)截面腹板距离d3为100mm。
然后，设置高强螺栓计算参数，包括高强螺栓连接处的抗滑面数m为2，高强螺栓的钢材表面抗滑移系数μ0为0.45，安全系数K取1.7，螺栓数提高系数η取1.1。
对于本例，计算条件有：截面形式为单箱单室截面；y1板、y2板、z1板、z2板均有加劲肋；y1板设置人孔；螺栓布置考虑跳孔布置；螺栓在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置。
按步骤B计算各板单排最大螺栓数n0以及考虑人孔/手孔的单排最大螺栓数n1。
按步骤C基于等强设计方法，计算各板所需最小螺栓数[n]。
按步骤D根据实际情况，按n0或n1自拼缝起逐排布置螺栓，直至总螺栓数n不小于最小螺栓数[n]。
按步骤E，本例考虑跳孔，对超出最小螺栓数[n]的螺栓进行修正。
图3～图5分别为依据计算结果绘制的y1板、y2板、z1板(z2板)的螺栓布置图。
本发明对于钢桁梁杆件的高强螺栓进行快速设计，涵盖了钢桁梁杆件常用的截面类型，适用于有加劲肋、有人孔/手孔的情况，支持跳孔布置等多种布置方法，基本涵盖了钢桁梁杆件高强螺栓设计中大部分计算工况，通用性强。
本发明实现高强螺栓自动化设计，能大幅提高设计效率，传统手段完成一座大跨度钢桁梁桥的高强螺栓设计通常需要3h～4h，而借助本发明完成同样体量的设计仅需3min～5min，解放设计生产力。
本发明输出的设计结果不仅可以实现钢桁梁杆件高强螺栓快速设计，也可以借助设计成果完成净截面特性的快速计算和钢桁梁杆件高强螺栓连接图的绘制。

Claims (10)

1.一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
(A)预设高强螺栓信息
高强螺栓信息包括以下三项：高强螺栓规格及预拉力、高强螺栓构造参数、高强螺栓计算参数；
(B)计算各板的单排最大螺栓数
根据杆件截面类型计算各板单排最大螺栓数n0以及考虑人孔/手孔的单排最大螺栓数n1；
(C)计算各板所需最小螺栓数
基于等强设计方法，计算各板所需最小螺栓数[n]；
(D)对高强螺栓进行排布
根据实际情况，按n0或n1自拼缝起逐排布置螺栓，直至总螺栓数n不小于最小螺栓数[n]；
(E)输出高强螺栓设计结果
如不考虑跳孔，直接输出高强螺栓设计结果；如考虑跳孔，对超出最小螺栓数[n]的螺栓进行修正后，输出高强螺栓设计结果。
2.根据权利要求1所述的一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，其特征在于：步骤(A)中高强螺栓构造参数包括以下六项：螺栓孔径、螺栓中心距、螺栓中心至板边缘距离、螺栓中心至板加劲肋/截面腹板距离、螺栓是否按跳孔布置、螺栓是否在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置，截面腹板包括以下腹板：H形截面腹板、I形截面腹板、王字形截面腹板。
3.根据权利要求2所述的一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，其特征在于：所述人孔/手孔的形状为圆形或由矩形及两个半圆形组成的圆端形。
4.根据权利要求2所述的一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，其特征在于：当前螺栓所在排不存在人孔/手孔时，也按照当前螺栓所在排存在人孔/手孔布置螺栓；反之，则按照当前螺栓所在排板的实际开孔情况布置螺栓。
5.根据权利要求1所述的一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，其特征在于：步骤(A)中高强螺栓计算参数指计算高强螺栓容许抗滑承载力的参数。
6.根据权利要求1所述的一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，其特征在于：步骤(B)中杆件截面类型包括以下截面：任意单箱单室截面、H形截面、I形截面、王字形截面。
7.根据权利要求1所述的一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，其特征在于：步骤(C)中等强设计方法指接头的设计承载能力不低于母材构件承载力的设计方法。
8.根据权利要求1所述的一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，其特征在于：步骤(D)中按n0或n1自拼缝起逐排布置螺栓，是指当前螺栓排存在人孔/手孔或者螺栓不在人孔/手孔宽度的延伸范围内布置时，按n1自拼缝起逐排布置螺栓；当前螺栓排不存在人孔/手孔时，按n0自拼缝起逐排布置螺栓。
9.根据权利要求1所述的一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，其特征在于：步骤(E)中对超出最小螺栓数[n]的螺栓进行修正指减少总螺栓数至大于最小螺栓数[n]的最小偶数。
10.根据权利要求1所述的一种针对钢桁梁杆件的高强螺栓快速设计方法，其特征在于：步骤(E)中高强螺栓设计结果包括以下四项：钢桁梁杆件各板的最小螺栓数[n]、各板采用螺栓总数、各板螺栓布置方案、每排采用的螺栓个数。
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