裝配整體空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式研究

王新峰 于紅燕

【摘 要】本文系統(tǒng)介紹了盒式結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，對(duì)盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式做了詳細(xì)的介紹，在盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究中，關(guān)于節(jié)點(diǎn)形式的選擇和設(shè)計(jì)原則做了詳細(xì)的探討。

【關(guān)鍵詞】盒式結(jié)構(gòu)；節(jié)點(diǎn)形式；設(shè)計(jì)原則

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)作為一種優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)類型在當(dāng)今世界建筑群中被廣泛采用，并且具有廣泛的發(fā)展前景。鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)眾多，例如重量輕、強(qiáng)度高、剛度大、延性良好、抗震性能好、施工方便、綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等，是當(dāng)今建筑中無(wú)可爭(zhēng)議的主要結(jié)構(gòu)類型之一。鋼結(jié)構(gòu)體系中，裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)是一種全新的結(jié)構(gòu)體系，相較其它鋼結(jié)構(gòu)體系提出的時(shí)間較短，是馬克儉院士于2010年提出的一種全新結(jié)構(gòu)體系，并在近幾年迅速發(fā)展，由于其鋼材用量比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)較小，延性及抗震性能更強(qiáng)而得到廣泛關(guān)注和研究。裝配整體式鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)體系不但被應(yīng)用于工業(yè)廠房、大跨度建筑中，在多、高層住宅結(jié)構(gòu)中同樣具有廣泛的應(yīng)用前景，其抗震性能是該結(jié)構(gòu)體系研究的必備環(huán)節(jié)，目前盒式結(jié)構(gòu)體系主要在整體抗震性能的研究[1]上，而節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究同樣重要，但目前該領(lǐng)域還處于空白，空腹桁架與柱相交節(jié)點(diǎn)以及帶混凝土層的空腹桁架柱相交組合節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究尚屬首次提出，所以研究混凝土層對(duì)盒式結(jié)構(gòu)的抗震性能影響必不可少。在盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)中，盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的選取尤為重要，且應(yīng)分為純鋼節(jié)點(diǎn)和組合節(jié)點(diǎn)。

2 盒式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

馬克儉院士早期深入的研究了鋼筋混凝土密肋井字樓蓋，在此基礎(chǔ)上于2010年提出了一種全新的鋼結(jié)構(gòu)體系，即整體裝配式鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)體系（以下簡(jiǎn)稱盒式結(jié)構(gòu)），這種結(jié)構(gòu)體系的組成部分為：豎向是由鋼密柱與H型鋼層間聯(lián)系梁組成的單層鋼網(wǎng)格承重墻架；橫向?yàn)?十"字拼接單元組成的空腹夾層板，上下T型鋼與剪力鍵組成拼接單元，空腹夾層板與鋼網(wǎng)格承重墻架相連，組成一個(gè)空間性能好，抗側(cè)移剛度大，傳力路徑清晰，抗震性能好的全新結(jié)構(gòu)體系[2]。豎向鋼網(wǎng)格承重墻架與框架相比，豎向鋼網(wǎng)格承重墻架的網(wǎng)格小，其內(nèi)力分布均勻、內(nèi)力小、構(gòu)件小，且抗側(cè)剛度大。

3 裝配整體式鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

盒式結(jié)構(gòu)新體系具有許多優(yōu)點(diǎn)，相比目前常用的鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼框架-混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，盒式結(jié)構(gòu)在受力機(jī)理、傳力路徑、建筑功能、施工方法、節(jié)能環(huán)保和工程造價(jià)等方面更有優(yōu)勢(shì)。盒式結(jié)構(gòu)具體有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）小尺寸的密肋鋼柱網(wǎng)格式墻架解決了大跨度工業(yè)與公共建筑中肥梁肥柱問(wèn)題，具有"板"的力學(xué)性能，其抗側(cè)移剛度較大。當(dāng)與混凝土核心筒協(xié)同作用時(shí)，形成兩道抗震防線，抗震性能更加優(yōu)越；

（2）鋼空腹夾層板樓板（屋面）的單元網(wǎng)格長(zhǎng)寬比一般小于1.5，網(wǎng)格單元受力特點(diǎn)相當(dāng)于雙向板，力的傳遞路徑均勻合理，且能滿足撓度變形的要求；

（4）鋼結(jié)構(gòu)部分維護(hù)簡(jiǎn)單。橫向鋼網(wǎng)格外墻采用現(xiàn)澆填充石膏墻體，墻體施工簡(jiǎn)單，保溫性能好且不易開裂，鋼構(gòu)件完全包裹在石膏墻體內(nèi)，完全被密封，無(wú)需再做防火防銹處理。

（5）室內(nèi)無(wú)梁無(wú)柱，空間大，層高較小；

（6）水平體系和豎向體系均采用小構(gòu)件單元螺栓整體裝配，每件拼裝單元重量不超過(guò)500kg，工廠制作，構(gòu)件運(yùn)輸方便，現(xiàn)場(chǎng)高強(qiáng)螺栓連接大大縮短工期，是一種適合市場(chǎng)推廣的鋼結(jié)構(gòu)體系[3]。

4 盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)介

目前裝配整體式空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主要以全焊的剛性連接為主，由雙T型鋼組成的空腹水平受力體系與鋼柱相連接組成，具有類似桁架體系的受力特點(diǎn)，由抗剪剛度較大的方鋼管形成的剪力鍵抵抗水平剪力，并連接上下T型鋼共同抵抗荷載作用，使得空腹桁架與柱相交節(jié)點(diǎn)的抗震性能不同于常規(guī)的梁柱節(jié)點(diǎn)。鋼網(wǎng)格空腹桁架與柱相交節(jié)點(diǎn)是聯(lián)系水平受力體系和豎向受力體系的關(guān)鍵部位，主要有邊跨單向的T字形節(jié)點(diǎn)，包括強(qiáng)軸方向節(jié)點(diǎn)和弱軸方向節(jié)點(diǎn)，中間跨十字形雙向節(jié)點(diǎn)以及角柱強(qiáng)軸和弱軸兩個(gè)方向的L形節(jié)點(diǎn)?？紤]到焊接質(zhì)量，殘余應(yīng)力，殘余變形以及費(fèi)用的影響因素，工程中常通常采用熱軋T型鋼，也可由熱軋H型鋼在工廠在腹板切開而來(lái)，這樣可以得到不同腹板高度的T型鋼，T型鋼上下翼緣采用全融透的坡口焊與柱翼緣連接，其它部位采用雙面角焊縫連接，在桁架單元1/2位置截?cái)?，預(yù)留螺栓孔，在施工現(xiàn)場(chǎng)用高強(qiáng)螺栓將拼裝單元通過(guò)上下兩塊鋼板將上下翼緣和腹板連成整體?？崭硅旒芘c柱相交節(jié)點(diǎn)傳力明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，并具有良好的承載能力，能使結(jié)構(gòu)安全可靠的工作，是一種經(jīng)濟(jì)合理的節(jié)點(diǎn)形式。

5 盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則

盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)沒(méi)有相關(guān)資料，參考已有其他節(jié)點(diǎn)形式，為避免空腹桁架與H型鋼柱翼緣的焊縫連接的脆性破壞，應(yīng)保證塑性鉸區(qū)域遠(yuǎn)離H型鋼柱；由于盒式結(jié)構(gòu)采取空腹桁架的形式，空腹的存在一定程度上削弱了其承載力，抗剪能力的下降尤為明顯，為保證其必要的承載力，組成空腹桁架的上下T型鋼截面的選擇尤為重要；同時(shí)應(yīng)保證盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性階段后的變形能力和耗能能力；盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)亦應(yīng)嚴(yán)格恪守"強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件"的設(shè)計(jì)原則。

因此，理想中的盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)是讓靠近H型鋼柱翼緣的空腹桁架一端首先出現(xiàn)屈服，繼續(xù)加載過(guò)程中此處逐漸形成塑性鉸區(qū)域，以耗散地震的能量，塑性鉸區(qū)域遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)根部，保護(hù)了焊縫和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，避免焊縫處的脆性破壞，塑性鉸的出現(xiàn)，增大了節(jié)點(diǎn)的耗能能力以及節(jié)點(diǎn)屈服后的變形能力。由以上考慮，本次試驗(yàn)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則是：

（1）塑性鉸盡可能出現(xiàn)在空腹桁架的根部或空腹桁架上下T形截面型鋼與加勁板相交附近最薄弱位置，避免空腹桁架與H型鋼柱交接處的焊縫先破壞；

（2）為了不使空腹桁架和H型鋼柱太早發(fā)生剪切破壞，組成空腹桁架的上下T型鋼的腹板尺寸及空腹高度應(yīng)該給予注意；

（3）對(duì)于盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，空腹的存在削弱了空腹桁架的抗剪能力，盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上更接近削弱型節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)相對(duì)空腹桁架其剛度要大很多，但是由于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力復(fù)雜應(yīng)當(dāng)給與重視，避免節(jié)點(diǎn)核心區(qū)先于空腹桁架端破壞；

（4）保證焊縫質(zhì)量，需符合"強(qiáng)焊縫，弱鋼材"的原則，保證節(jié)點(diǎn)域與空腹桁架連接處焊縫的安全。

盒式結(jié)構(gòu)在水平荷載下，拼接單元形成的網(wǎng)格每段空腹桁架都有一個(gè)反彎點(diǎn)，反彎點(diǎn)兩側(cè)應(yīng)力分布相似，由于鋼節(jié)點(diǎn)的材料性能及盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，應(yīng)該采用足尺試件[4]，空腹桁架的長(zhǎng)度取1/2空腹桁架的跨度，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)上下H型鋼柱取1/2柱高，節(jié)點(diǎn)的選取是由盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在水平方向承受荷載時(shí)彎矩的反彎點(diǎn)位置來(lái)決定的，且宜采用T字型試件。

參考文獻(xiàn)：

[1] 譚增輝，馬克儉，梁影. 裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)高層節(jié)能住宅建筑的研究與應(yīng)用[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，06：126-130.

[2] 宋帥，麻鳳海，陳志鵬，欒煥強(qiáng)，魏艷輝. 裝配整體式空間鋼網(wǎng)格正交斜放盒式結(jié)構(gòu)在多層大跨度工業(yè)建筑中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2014，13：15-18.

[3] 馬克儉，張華剛，肖建春，成復(fù)秀，盧亞琴. 新型建筑結(jié)構(gòu)體系的開拓與發(fā)展[J]. 貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，04：13-27+43.

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