閱讀 4801 次 淺談鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計

 

    鋼結(jié)構(gòu)房屋具有強度高、自重輕、施工速度快，抗震性能好及工業(yè)化程度高等特點，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計是結(jié)構(gòu)能否安全可靠的關(guān)鍵，應該按照”強節(jié)點弱構(gòu)件”或節(jié)點等強設計的原則，節(jié)點設計合理對結(jié)構(gòu)整體性，可靠度以及建設周期有著直接影響。

 

    本文主要介紹鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計的常規(guī)做法、國外改進后的節(jié)點形式。

 

一.鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設計常規(guī)做法：

    1.在鋼結(jié)構(gòu)連接中最常用的是焊縫連接和螺栓連接，鉚釘連接現(xiàn)已很少采用：

 

    1.1焊縫設計中焊縫大小要通過計算確定，不得任意加大焊縫，焊縫的重心應盡量與被連接構(gòu)件中心接近；焊絲焊劑應與母材強度相匹配，當兩種材質(zhì)鋼材焊接時應選用與低標號材質(zhì)相適應的焊條。如：E43對應Q235，E50對應Q345.；Q235與Q345連接時，應該選擇低強度的E43,而不是E50。

 

    1.2螺栓連接分普通螺栓連接、高強螺栓連接。普通螺栓抗剪性能差, 多用在次要結(jié)構(gòu)部位。高強螺栓根據(jù)受力特點分摩擦型連接和承壓型連接，兩種連接方式工作原理不同，可查閱相關(guān)資料，目前鋼結(jié)構(gòu)施工上摩擦型高強螺栓的連接應用較廣泛，常用8.8s和10.9s兩個強度等級。高強螺栓最小規(guī)格M12，常用M16~M30。超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，設計中應慎重使用。
   

    1.3節(jié)點設計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。構(gòu)件運到現(xiàn)場無法安裝是初學者常犯的錯誤。此外，還應盡可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。

 

    1.4節(jié)點設計還應考慮制造廠的工藝水平。比如鋼管連接節(jié)點的相貫線的切口需要數(shù)控機床等設備才能完成。

 

    2.節(jié)點形式的選擇：

 

    1.在進行結(jié)構(gòu)設計時，在結(jié)構(gòu)分析過程中就應該想好用哪種節(jié)點形式，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選用，傳力特性不同判斷用剛節(jié)點、鉸節(jié)點還是半剛節(jié)點，連接方式的不同對結(jié)構(gòu)影響很大，比如：門式剛架結(jié)構(gòu)，為了降低用鋼量，鋼柱選用變截面柱子，那么柱腳節(jié)點做成鉸接，梁與柱連接處做成剛接就比較合理。

 

    2.輕鋼結(jié)構(gòu)形式多樣，近年來，門式剛架鋼結(jié)構(gòu)獲得了迅速發(fā)展，這種體系用鋼省、造價低、制作簡便、施工期短、商品化程度高，而且造型美觀，適用面廣，顯示出很強的競爭優(yōu)勢。門式剛架中，連接節(jié)點的設計是整個設計過程中極其重要的一環(huán)，節(jié)點設計得當與否，對保證結(jié)構(gòu)的整體性、可靠度以及建設周期和成本有著直接影響。輕型門式剛架中普遍采用高強度螺栓的端板連接，一般推薦采用端板連接作為主要的梁柱連接和構(gòu)件拼接節(jié)點。

 

二.國外改進后的節(jié)點形式：

 

    1.國內(nèi)外大量研究和實踐證明，在輕型鋼結(jié)構(gòu)的抗彎連接中，端板連接最為經(jīng)濟，它比通常的腹板、翼緣連接節(jié)省材料和緊固件，而且避免現(xiàn)場焊接，所以目前它己成為抗彎連接的主要形式。端板連接節(jié)點是輕型鋼結(jié)構(gòu)中普遍采用的連接形式，它可分為剛性節(jié)點、半剛性節(jié)點和鉸接節(jié)點三類，半剛性節(jié)點需要通過實驗來取得較準確的設計數(shù)據(jù)，國內(nèi)設計一般不采用。

同時，一些其他新型的節(jié)點連接形式也相應出現(xiàn)；比如帶有加勁肋的剛性節(jié)點法蘭連接和無加勁肋的半剛性節(jié)點法蘭連接等。

 

    2.鋼框架結(jié)構(gòu)的梁柱連接多按剛性連接設計,主梁與柱的連接具有足夠剛度。在鋼結(jié)構(gòu)設計中經(jīng)常會遇到節(jié)點不滿足要求的，例如：箱形柱與工字鋼梁剛接時，對于箱形柱，最常見的是該柱強軸方向節(jié)點域屈服承載力不滿足要求，[ψ(Mpb1+Mpb2)/Vp]/[(4/3)fv] >1，需加厚腹板厚度；對于工字鋼梁，按抗震規(guī)范8.2.8條進行梁柱連接的極限承載力驗算，Mu=＜1.2Mp，不滿足，加強需要的蓋板厚度（蓋板厚+梁翼緣厚）> 柱翼緣厚！無法加強！向這種情況整體加厚柱子腹板厚度，會導致過大的浪費，于是我們經(jīng)常采用節(jié)點處換板來加以改進，對于梁柱節(jié)點，可以選用楔形蓋板加強框架梁梁端與柱的剛性連接、在梁端下部加腋板加強框架梁梁端與柱的剛性連接、“犬骨式”的連接構(gòu)造等等。在設計中遇到節(jié)點連接不滿足的情況，我們要仔細分析原因，然后選擇合理的節(jié)點形式。

 

    3.對于國外的一些報道，我們要從中學習，避免類似錯誤再次發(fā)生。

    1994年1月17日發(fā)生在美國加州圣費南多谷地的北嶺地震和1995年1月17日發(fā)生在日本兵庫縣南部地區(qū)的阪神地震是兩次陸域型強震。都導致了焊接鋼框架梁、柱連接節(jié)點的廣泛破壞。震后研究結(jié)果表明：兩國鋼框架破壞情況的報道，主要集中在梁柱混合連接的節(jié)點上，混合連接是一種現(xiàn)場連接，其中梁翼緣與柱用全熔透坡口對接焊縫連接，梁腹板通過連接板與柱用高強度螺栓連接。美國慣常采用焊接工字型柱，規(guī)定在梁翼緣連接處，工字型柱腹板上設置加勁肋。當梁翼緣承受的彎矩小于截面總彎矩的70%或梁腹板承受的彎矩大于截面總彎矩的30%時，要將梁腹板與連接板的角部用角焊縫焊接。日本則廣泛采用箱型柱，規(guī)定在箱型柱中設置隔板，腹板螺栓連接應按框架達到塑性階段時的承載力設計，螺栓應設置2-3列，也是為了考慮腹板可能承受的彎矩。

 

    我國對鋼結(jié)構(gòu)的研究還處在初級階段，作為鋼結(jié)構(gòu)設計者要在學習中提高自己，在工作中積累經(jīng)驗。

 

參考文獻：

[1] 中國建筑標準設計研究院《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造詳圖》（含2004年局部修改版）

[2] 資料（北嶺地震和阪神地震后美日鋼框架節(jié)點設計的改進）

[3] 《建筑抗震設計規(guī)范》（2008年版）GB 50011-2001中國建筑工業(yè)出版社，2008。