鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚芬香（湖南中規(guī)設(shè)計(jì)院有限公司，湖南　長沙　410000）

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鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚芬香（湖南中規(guī)設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙410000）

近年來，隨著社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)獲得了較為廣泛的應(yīng)用，這使得鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)的重要性日益顯著，節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)的科學(xué)性直接關(guān)聯(lián)著鋼結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)固性。此背景下，本文首先分析了鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的基本特征，其次對鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)優(yōu)化措施進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，以供參考。

鋼結(jié)構(gòu)；梁柱節(jié)點(diǎn)；連接設(shè)計(jì)；優(yōu)化措施

1　引言

在鋼結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)過程中，梁柱連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義，連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的安全性能夠?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的整體性、可靠性提供一定的保障，并且直接關(guān)聯(lián)著制造安裝作業(yè)質(zhì)量與作業(yè)進(jìn)度，以及整體建設(shè)周期與成本，針對此，必須對鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷深入的分析與研究，以促進(jìn)我國鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的良好發(fā)展。

2　鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的基本特征

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)：①需要解決的問題為在相應(yīng)的計(jì)算模型中確定鋼結(jié)構(gòu)連接形式；②還要確定具體的傳力途徑，之后才可將整體結(jié)構(gòu)受力模型簡化；③再采用相關(guān)軟件進(jìn)行分析計(jì)算。依據(jù)傳力特征的差異性，節(jié)點(diǎn)連接主要包括剛接、鉸接與半剛性連接，具體情況如下：

（1）鉸接連接節(jié)點(diǎn)的柔性較大，鋼梁僅在腹板部位采用高強(qiáng)螺栓連接形式，上、下翼緣處不需要進(jìn)行現(xiàn)場焊接操作。鉸接構(gòu)造較為簡便，能夠在很大程度上簡化現(xiàn)場的安裝程序與流程，并且還可大大減少現(xiàn)場整體作業(yè)量，同時(shí)，現(xiàn)場安裝操作也不會(huì)受到天氣與季節(jié)變化的影響，大幅提升了鋼結(jié)構(gòu)安裝速度。但鉸接連接剛度與耗能性能較差，不利于結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)與抗震。

（2）剛性連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與剛度相對較高，并且具備良好的受力性能，但構(gòu)造較為復(fù)雜，施工難度較大。在鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中，通常采用剛接形式進(jìn)行，主要原因在于梁柱節(jié)點(diǎn)所承受的荷載往往較大，并且還需要有低于風(fēng)荷載與水平地震所引發(fā)的位移現(xiàn)象。

（3）半剛性連接節(jié)點(diǎn)的剛度與強(qiáng)度處于鉸接與剛接之間?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》沒有對半鋼性連接計(jì)算與設(shè)計(jì)方案進(jìn)行明確的規(guī)定，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度也大多無法確定，在工程設(shè)計(jì)中一般不采用此種節(jié)點(diǎn)連接形式。

通過諸多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，將連接作為理想剛接或鉸接，可大大簡化計(jì)算路程，所獲得的計(jì)算結(jié)構(gòu)與實(shí)際情況之間必定存在較大的偏差，當(dāng)前主要采用調(diào)整系數(shù)的方式盡可能減少此類偏差。

3　鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

3.1高強(qiáng)螺栓連接的梁柱節(jié)點(diǎn)

3.1.1高強(qiáng)螺栓連接的類型與受力特點(diǎn)

依據(jù)設(shè)計(jì)與受力要求的差異性，可將高強(qiáng)度螺栓大致分為承壓型與摩擦型兩種，其中，在進(jìn)行摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接的抗剪設(shè)計(jì)時(shí)，主要依據(jù)外剪力所能夠達(dá)到的由螺栓預(yù)壓力提供的最大摩擦力為基礎(chǔ)的，因此，在進(jìn)行具體設(shè)計(jì)時(shí)，需要確保摩擦力能夠較好的承受整體使用期間的外剪力，并且還需保證螺栓桿與孔壁間始終保持原有空隙，以避免板件間相對滑移變形問題的發(fā)生。一般情況下，螺栓受力形式如圖1所示。

圖1　螺栓受力形式

在進(jìn)行承壓型高強(qiáng)度螺栓連接設(shè)計(jì)時(shí)，僅需要對正常使用荷載作用環(huán)境下剪力低于最大摩擦力進(jìn)行充分的考慮，如果剪力超過最大摩擦力，就需要通過螺栓桿身剪切與板件接觸面間摩擦力同時(shí)傳力。當(dāng)采用高強(qiáng)度螺栓連接形式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)時(shí)，螺栓受拉力主要通過減少板件間夾緊力的方式承受，在接觸面間形成的正壓力會(huì)產(chǎn)生一種較大的摩擦力，其能夠提供正常荷載作用下的拉力，如果外荷載超過此類摩擦力，則連接板的接觸面部位就會(huì)發(fā)生滑移現(xiàn)象，就認(rèn)為是連接失效。

3.1.2承壓型高強(qiáng)螺栓連接設(shè)計(jì)

就當(dāng)前情況來看，相比于摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接形式，國內(nèi)采用承壓型高強(qiáng)度螺栓連接的情況相對較少，有效的參考資料較少，大部分教科書僅對摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，對于承壓型高強(qiáng)度螺栓連接的介紹相對簡單，所以我國當(dāng)前的設(shè)計(jì)大多以現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（以下簡稱規(guī)范）為主。在計(jì)算承壓型高強(qiáng)度螺栓時(shí)，對于剪連接沿著桿軸方向的受拉連接，以及承受剪力與桿軸方向拉力的承壓型高強(qiáng)度螺栓連接計(jì)算，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行。

在原規(guī)范中，抗剪連接與同時(shí)承受剪力與桿軸方向拉力連接中，需確保承壓型高強(qiáng)度螺栓受剪承載力設(shè)計(jì)值低于按照摩擦型連接的規(guī)定，主要原因在于承壓型高強(qiáng)度螺栓研究相對較淺，特別是使用經(jīng)驗(yàn)的廣泛缺乏，所以需對其進(jìn)行詳細(xì)的、嚴(yán)格的計(jì)算。在采用承壓型高強(qiáng)度螺栓連接形式時(shí)，需確保其承載力低于摩擦型連接形式的1.3倍，以保證鋼結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性。

按照規(guī)范規(guī)定的結(jié)構(gòu)平均荷載分項(xiàng)系數(shù)大約為1.3，在荷載準(zhǔn)值情況下，對于滿足此項(xiàng)要求的承壓型高強(qiáng)度螺栓，不會(huì)出現(xiàn)滑移問題，有利于結(jié)構(gòu)變形，但無法充分發(fā)揮出承壓型高強(qiáng)度螺栓自身效能。但要想采用承壓型高強(qiáng)度螺栓模式，允許發(fā)生一定滑移變形的連接是運(yùn)用的前提條件，即為對承載力進(jìn)行了一定的控制。

3.2全焊節(jié)點(diǎn)連接

3.2.1全焊節(jié)點(diǎn)連接特點(diǎn)

全焊節(jié)點(diǎn)連接是一種在當(dāng)前高層鋼結(jié)構(gòu)工程中獲得較為廣泛運(yùn)用的一種梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式。一般情況下，梁柱焊接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式有許多種，其中，梁通常為 H形，而柱則有H形、箱形兩種形式。全焊節(jié)點(diǎn)連接較為便利，并且還可在一定程度上節(jié)省鋼材，整體剛度也相對較大，其在抗彎鋼結(jié)構(gòu)中具有十分重要的作用。大多數(shù)人們均認(rèn)為梁柱焊接節(jié)點(diǎn)具備良好的韌性，并且還能夠采用塑性變形的方式吸收地震能力，以維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，由此可知，其抗震性能較良好，但通過多數(shù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，在大部分地震災(zāi)害中，鋼結(jié)構(gòu)的脆性破壞部位幾乎都處于梁柱焊接節(jié)點(diǎn)部位，經(jīng)過強(qiáng)烈地震災(zāi)害的作用，雖然已經(jīng)出現(xiàn)了較為顯著的塑性變形現(xiàn)象，但在具體連接部位還出現(xiàn)了焊縫開裂問題。通常情況下，焊縫連接形式如圖2所示。針對此類問題，為了避免焊接鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞問題的發(fā)生，必須保證母材與接頭各部位僅具有充足的斷裂韌度值，對于其韌度值，還要、要從設(shè)計(jì)上全面消除梁柱焊接節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中情況。

圖2　焊縫連接形式

3.2.2全焊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為了避免結(jié)構(gòu)剛度增加現(xiàn)象的出現(xiàn)，在接頭部位應(yīng)力較集中時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”原則，適當(dāng)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。在不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)，可適當(dāng)削弱梁，在梁上形成“塑性鉸”。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)盡可能的減少結(jié)構(gòu)與焊接結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力集中，對于腹板工藝孔，應(yīng)確保其能夠平滑過渡，避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。此外，在不減小腹板連接強(qiáng)度環(huán)境下，還可適當(dāng)增加工藝孔，為焊接操縱提供便利，提升焊縫質(zhì)量。

3.3摩擦型高強(qiáng)度螺栓與焊縫形成的混合連接

①通常情況下，焊縫的破壞強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過高強(qiáng)螺栓強(qiáng)度，基于抗滑極限強(qiáng)度，應(yīng)將其比值控制在1～3范圍內(nèi)。②對于需驗(yàn)算疲勞的連接設(shè)計(jì)，不可采用此類連接形式。③如果先進(jìn)行焊接操作，并且板間不夾緊，此時(shí)應(yīng)當(dāng)采用大直徑螺栓，但需要將螺栓自身抗剪承載力設(shè)計(jì)值與折減系數(shù)相乘。④在靜力荷載環(huán)境下，摩擦型高強(qiáng)度螺栓與側(cè)角焊縫共同作用。在直接承受動(dòng)荷載作用的連接中，不可直接采用此種連接形式，應(yīng)當(dāng)采用先栓后焊工藝。此外，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)對溫度影響進(jìn)行充分的考慮，并適當(dāng)拆減高強(qiáng)度螺栓預(yù)拉力。⑤對于能夠共同工作的混合連接，其總承載力應(yīng)當(dāng)按照不同連接方式承載力的總和考慮。

4　結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)時(shí)，需對鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、適用條件等方面因素進(jìn)行全面的考慮，并且還要對相關(guān)問題進(jìn)行深入的、細(xì)化研究，在結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況的基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)，以確保整體鋼結(jié)構(gòu)受力的安全合理。這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須熟練的掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)各方面內(nèi)容，并且還要對結(jié)構(gòu)建設(shè)事項(xiàng)進(jìn)行不斷深入的了解與掌握。

［1］楊偉興.有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接方法的分析和探討［J］.科技資訊，2010（05）：85.

［2］黃冀卓，王 湛，潘建榮.鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)剛度的半解析測試方法［J］.工程力學(xué)，2011（28）：105～109.

［3］羅睿奇，王元清，肖建春，等.鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接加固設(shè)計(jì)方法對比［J］.建筑科學(xué)，2014（30）：45～47.

譚芬香（1975-），女，工程師，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

TU391

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2095-2066（2016）19-0192-02

2016-4-20