建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)主要分類及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

龔鵬

摘要：鋼結(jié)構(gòu)為建筑工程的設(shè)計(jì)提供了便利的施工條件。為了促進(jìn)建筑鋼結(jié)構(gòu)更好地發(fā)展，應(yīng)該以建筑整體發(fā)展與社會(huì)關(guān)注度為發(fā)展起點(diǎn)，探討創(chuàng)造出以鋼結(jié)構(gòu)選型、鋼結(jié)構(gòu)布置、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)為核心的建筑整體功能與鋼結(jié)構(gòu)之間的新型關(guān)系。文章通過分析建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的主要分類，探討了我國建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要關(guān)注的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；建筑鋼結(jié)構(gòu)；節(jié)點(diǎn)分類；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建筑工程 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU391 文章編號(hào)：1009-2374（2015）35-0022-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.011

隨著我國鋼材產(chǎn)量的連年增加，鋼結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)的使用也日趨廣泛，因?yàn)殇摬木哂醒有院?、輕質(zhì)高強(qiáng)和安裝方便等特點(diǎn)，建筑鋼結(jié)構(gòu)日益受到人們的青睞。雖然鋼材有較好的延性性能，但材料的延性并不能保證結(jié)構(gòu)的延性，鋼結(jié)構(gòu)良好的塑性變形能力還需要強(qiáng)大的節(jié)點(diǎn)來保證。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)總體概述

所謂建筑鋼結(jié)構(gòu)簡單來說就是一種利用先進(jìn)的加工工藝及技術(shù)水平制作而成的建筑結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)具有其他建筑結(jié)構(gòu)不可比擬的優(yōu)勢，例如，鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較高、穩(wěn)定程度好、成本較為低廉。目前，在我國為了充分發(fā)揮建筑物的功能、提高建筑物的整體質(zhì)量，經(jīng)常會(huì)選用鋼結(jié)構(gòu)作為建筑的主體結(jié)構(gòu)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前在我國建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，鋼結(jié)構(gòu)所占的比例是逐年上升的，由此可知，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展成為提高建筑物質(zhì)量的重要結(jié)構(gòu)形式。因此，在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要合理選用鋼結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)，同時(shí)要以穩(wěn)定性、生態(tài)性、成本低廉的角度對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型、布置以及設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)分類

2.1 剛性連接節(jié)點(diǎn)

只有在連接的節(jié)點(diǎn)處保證結(jié)構(gòu)的完全連續(xù)性，才符合建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)連接的各個(gè)構(gòu)件所形成的角度不會(huì)在其最大承載力范圍內(nèi)產(chǎn)生變化。另外，剛性連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度大小應(yīng)該超過被連接的構(gòu)件所產(chǎn)生的屈服強(qiáng)度大小。

2.1.1 梁的拼接。梁的拼接一般分為螺栓連接和焊接，螺栓連接雖其剛度比焊接較小，但是螺栓連接的制作卻非常簡便，能保證質(zhì)量，常現(xiàn)場進(jìn)行拼接，焊接剛度相對較大，適用于工廠拼接。梁的連接在工地常采用螺栓連接，螺栓施工較方便，但連接或拼接全部采用螺栓，會(huì)使接頭尺寸過大，板材消耗較多，且螺栓價(jià)格也較高，此外，螺栓連接不能避免在罕遇地震作用時(shí)滑移。

2.1.2 邊柱與梁的連接。屬于剛性連接的還包括邊柱與梁的連接，通常情況下，都會(huì)采用端板連接的方式作為邊柱與梁連接的主要方式。所謂端板連接簡單來說就是一種通過兩個(gè)建筑構(gòu)件之間的端板進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接的方式。在歐美等國家和地區(qū)，端板連接主要應(yīng)用于低層和高層框架結(jié)構(gòu)中，具有連接性能好、質(zhì)量容易控制、焊接質(zhì)量高、抗震性能好、無需現(xiàn)場焊接、安裝施工簡單等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.3 中柱與梁的連接。一般情況下，柱中節(jié)點(diǎn)的剛性連接包括：采用焊縫連接的方式焊接柱和梁端；采用焊縫連接的形式焊接柱和梁翼緣；螺栓連接柱和梁腹板；選擇T形連接件螺栓連接的形式連接柱和梁端。而箱形焊接組合柱和鋼梁的連接形式包含：梁端與柱的連接全部選擇焊縫連接；梁翼緣與柱的連接選擇焊縫連接，梁腹板通過摩擦型高強(qiáng)度螺栓與鋼板相連，鋼板的另一端應(yīng)焊在柱翼緣上。

2.1.4 柱與柱的連接。在施工中，柱子和柱子之間的連接可根據(jù)柱截面的變化程度劃分為變截面柱拼接和等截面柱拼接。一般柱和柱之間等截面焊接拼接，實(shí)際上是和梁的拼接相一致的。

2.2 半剛性連接節(jié)點(diǎn)

半剛性連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)該保障節(jié)點(diǎn)的承載能力不能低于其所連接的建筑構(gòu)件的承載能力。但是半剛性連接節(jié)點(diǎn)在實(shí)際設(shè)計(jì)中一般不予運(yùn)用，主要是因?yàn)榘雱傂赃B接節(jié)點(diǎn)選用的連接方式與建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)之間的關(guān)系導(dǎo)致建筑構(gòu)件的彈性剛度要大于連接節(jié)點(diǎn)的彈性剛度。

2.3 鉸接連接節(jié)點(diǎn)

一般情況下，鉸接連接節(jié)點(diǎn)是不可以用在連接建筑構(gòu)件的，主要是因?yàn)槠洳荒軌虺惺軓澗?。而通過實(shí)際工程分析發(fā)現(xiàn)，鉸接連接節(jié)點(diǎn)一般都用于建筑構(gòu)件端部的連接，舉例來說，連接柱腳、桁架、梁體的端部。不過，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鉸接連接節(jié)點(diǎn)的方式不是實(shí)現(xiàn)完全鉸接。

2.3.1 主梁與次梁的連接。在我國建筑施工過程中，處理主梁與次梁的連接采用比較多的方式是選擇簡支連接，但是如建筑要求較高亦可選擇剛性連接。這種連接方式雖較為復(fù)雜，但其對次梁不需進(jìn)行翼緣處理，因而這種連接方式也比較受建筑師們的青睞。

2.3.2 斜梁的拼接節(jié)點(diǎn)。跨度較大的斜梁設(shè)計(jì)，為了便于施工運(yùn)輸常把斜梁分段設(shè)計(jì)，再在施工現(xiàn)場進(jìn)行現(xiàn)場拼接。

2.3.3 桁架節(jié)點(diǎn)。板節(jié)點(diǎn)主要采用板節(jié)點(diǎn)連接，其節(jié)點(diǎn)連接處理簡單網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)架屬空間桁架形式，是施工較為常見的空間結(jié)構(gòu)，其受力性能較好，多應(yīng)用于民用建筑中。

2.3.4 柱腳節(jié)點(diǎn)。柱腳在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要加強(qiáng)重視。實(shí)際工程中，因柱腳不穩(wěn)定造成工程事故的案例不勝枚舉。對于民用建筑，剛架所受的側(cè)向力較小，常采用鉸接形式。平板式鉸接因其受力合理、連接方便而成為鉸接的常用形式。帶有加勁肋的柱腳，都可用于荷載很大的情況。鋼管混凝土柱腳鋼管混凝土柱腳連接分為插入式和端承式，但插入式柱腳連接為剛性連接。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 判斷建筑物采用鋼結(jié)構(gòu)的適用性

鋼結(jié)構(gòu)并不是可以適用在任何建筑工程中的。因此，在設(shè)計(jì)建筑工程結(jié)構(gòu)之前，要結(jié)合建筑工程的實(shí)際情況以及建筑工程周遭的環(huán)境進(jìn)行合理的判別，以防止由于鋼結(jié)構(gòu)不適用于建筑中而導(dǎo)致后期建筑設(shè)計(jì)方案與實(shí)際工程施工不符，從而增加了施工的成本，降低了施工單位的經(jīng)濟(jì)效益。通過實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，在比較大型的廠房車間、抗震要求較高的建筑中適用鋼結(jié)構(gòu)是合理的。

3.2 剛結(jié)構(gòu)的選型、布置

目前，可將鋼結(jié)構(gòu)的建筑劃分為六大類型，即塔桅、桁架、索膜、框架、網(wǎng)殼以及輕鋼。在對這六種結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇的時(shí)候，要依據(jù)建筑工程的實(shí)際施工條件進(jìn)行確定。舉例來說，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般適用于高度比較高且其荷載較大的建筑物。巨型SRC柱與鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)一般適用于抗震條件要求較為嚴(yán)格的建筑物。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐奶鞖鉅顩r，如果是冬天，要充分考慮到下雪天雪壓對建筑物的荷載，保障建筑的屋頂荷載與重力墜落曲線的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)相符合。如果建筑工程的跨度相對較大，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，要充分考慮設(shè)置建筑物的拉索或者是設(shè)置建筑物的支撐物，以防止出現(xiàn)建筑物坍塌事件。除此之外，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)選型時(shí)都要考慮到建筑鋼結(jié)構(gòu)受力路線的清晰性，同時(shí)要保證其受力分布狀況是均勻的。

3.3 考慮鋼結(jié)構(gòu)的變形限值

一般情況下，如果抗側(cè)力結(jié)構(gòu)選用的是鋼桁架制作組合而成的純鋼結(jié)構(gòu)，需要遵循以下原則：第一，如果是在地震環(huán)境下，要保證其頂點(diǎn)位移在1/300，而其層間位移要保證在1/250；第二，如果是在風(fēng)力作用的環(huán)境下，要保證其頂點(diǎn)位移在1/500，而其層間位移要保證在1/400。通過實(shí)際研究發(fā)展，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)選用鋼桁架制作組合而成的純鋼結(jié)構(gòu)會(huì)大大提高剛性指標(biāo)，進(jìn)而增加工程成本。

3.4 結(jié)構(gòu)體系選擇

當(dāng)建筑層數(shù)小于六層時(shí)，可以選擇框架體系或者框架-支撐體系；當(dāng)建筑層數(shù)大于六層時(shí)，可以選擇框架-混凝土剪力墻支撐體系或者是框架支撐體系。通常情況下，建筑物層數(shù)較高的時(shí)候，都會(huì)選用雙重結(jié)構(gòu)體系。目前，組成框架柱的主要有三種，即鋼骨砼柱、H型鋼柱、鋼骨砼柱和鋼管砼柱，鋼骨砼柱和鋼管砼柱是組合型的框架柱，而這種組合柱一般都適用于規(guī)模相對較小的多層、高層建筑中，以通過減少材料的使用而獲取更多的經(jīng)濟(jì)利益。在發(fā)生地震時(shí)，延性低的話，地震力大，反之地震力小，由于剪力墻的延性比鋼支撐要低，因此就抗震性能而言，鋼支撐結(jié)構(gòu)更好一點(diǎn)。而對于鋼支撐-砼剪力墻結(jié)構(gòu)而言，由于對其的抗震性能研究還不夠成熟，所以其抗震能力還不能夠確定。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，應(yīng)當(dāng)對建筑的特點(diǎn)進(jìn)行分析，通過不斷實(shí)驗(yàn)和篩選，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。

3.5 控制鋼結(jié)構(gòu)界面

在選擇完鋼結(jié)構(gòu)的類型及體系之后，要簡單估算建筑物的構(gòu)件截面。其估算與假定的主要是建筑物的梁體、柱體以及其支撐的尺寸大小以及形狀。在選擇鋼結(jié)構(gòu)的梁時(shí)，可以選擇利用焊接方式、軋制方式或者是槽鋼方式制作而成的H型鋼結(jié)構(gòu)截面。在對建筑物的構(gòu)件截面進(jìn)行估算時(shí)主要考慮以下方面：估算翼緣的寬度大?。还浪悴⒃O(shè)置鋼結(jié)構(gòu)梁體、柱體以及支撐面的尺寸大小和形狀；根據(jù)實(shí)際工程條件合理選擇鋼梁；合理確定建筑物構(gòu)件截面的高度；合理估算建筑物板件的厚度。

3.6 設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件

在對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其中最為核心的要素就是構(gòu)件的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)主要考慮以下三個(gè)方面：第一，構(gòu)件材料的選擇。其選擇是存在難度的，為了保障構(gòu)件的質(zhì)量，在建筑工程正式施工前要科學(xué)合理地創(chuàng)建出囊括采購材料、工程施工以及后期管理的監(jiān)督制度，以此保證建筑構(gòu)件的材料符合設(shè)計(jì)要求，也符合國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；第二，施工質(zhì)量與施工技術(shù)水平。為了保障施工的質(zhì)量符合設(shè)計(jì)方案的要求，施工單位需要盡可能任用經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)水平較高的人員進(jìn)行工程施工，從而防止由于技術(shù)原因而導(dǎo)致的建筑物質(zhì)量問題；第三，控制鋼結(jié)構(gòu)的焊接與變形情況。如果鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)較為特殊、板材較厚并且其屈服強(qiáng)度超過了420兆帕斯卡，為了保障鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，應(yīng)該依據(jù)不同的接頭形式，合理設(shè)置焊接的參數(shù)以及坡口的尺寸大小，同時(shí)要嚴(yán)格檢驗(yàn)、測試接頭焊接試件。為了防止因?yàn)楹附訜崃窟^高而導(dǎo)致的鋼結(jié)構(gòu)變形，在焊接鋼結(jié)構(gòu)的時(shí)候盡可能采用CO2氣體保護(hù)焊。利用埋弧自動(dòng)焊技術(shù)焊接工型或者是箱型的桿件，可以有效地提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。如果因焊接熱量過高而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)變形，需要對其進(jìn)行矯正。矯正的主要方式就是熱和機(jī)械相互作用的方式。

3.7 設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)

由上文所述我們知道，在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)最為關(guān)鍵的因素就是節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。當(dāng)前，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)可劃分為三大類，即上文提到的剛性連接節(jié)點(diǎn)、半剛性連接節(jié)點(diǎn)以及鉸接連接節(jié)點(diǎn)。在選擇節(jié)點(diǎn)時(shí)要依據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行選擇。在對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注以下方面：第一，在焊接時(shí)要嚴(yán)格遵守規(guī)定，即焊縫的尺寸大小與形式都要符合國家標(biāo)準(zhǔn)；第二，在選擇焊條時(shí)，要考慮到其與金屬等材料的匹配性；第三，高強(qiáng)螺栓通常情況下作為樓層較高的建筑結(jié)構(gòu)的連接傳力螺栓，在對高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接前要全面驗(yàn)算其孔壁的承載力；第四，嚴(yán)格遵循施工順序進(jìn)行施工。

3.8 編制設(shè)計(jì)圖紙

設(shè)計(jì)圖紙的編制主要包括設(shè)計(jì)圖的編制以及施工圖的編制。設(shè)計(jì)圖是編制施工圖的基礎(chǔ)。制造鋼結(jié)構(gòu)的廠商會(huì)依據(jù)設(shè)計(jì)圖制造出符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的施工圖。一般情況下，施工圖都是較為詳細(xì)的。

4 結(jié)語

目前，鋼結(jié)構(gòu)在我國建筑行業(yè)的廣泛應(yīng)用推動(dòng)了我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)成為了我國甚至是世界住宅建筑發(fā)展的主要趨向。主要是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)有著其他結(jié)構(gòu)不可比擬的優(yōu)勢，包括其強(qiáng)度較高、防震效果好、施工效率高以及便于回收等。文章主要分析了建筑鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)分類，同時(shí)討論了建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，以供參考。

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（責(zé)任編輯：周 瓊）