鋼結構建筑的細部設計

黃素華　周仁偉　高權澤

摘要：近年來，鋼結構建筑的節(jié)點構造得到了快速發(fā)展和廣泛關注，研究其相關課題有著重要意義。本文首先介紹了鋼結構節(jié)點構造的原則，分析了鋼結構節(jié)點的一般構造，并結合相關實踐經驗，分別從將塑性鉸的位置外移，以及梁冀緣焊縫襯板缺口效應的處理等多方面，就鋼結構節(jié)點構造的改進進行了研究，闡述了個人對此的幾點看法。

關鍵詞：鋼結構建筑；細部設計；節(jié)點；構造

前言

作為鋼結構建筑細部設計的重要組成部分，節(jié)點構造占據(jù)著極為關鍵的地位。該項課題的研究，將會更好地提升對節(jié)點構造的掌控力度，從而通過合理化的措施與方法優(yōu)化鋼結構細部設計的整體效果。

一、鋼結構節(jié)點構造的原則

鋼結構節(jié)點構造有三強設計原則，主要包括強節(jié)點弱結構原則、強柱弱梁原則、強焊縫原則，遵從三強原則對于鋼結構框架支撐的承載力有強化的作用，從另一個角度說也可以有效防止建筑遭到破壞時節(jié)點的損壞先于構件，確保整體性更加穩(wěn)固。從設計的實際情況出發(fā)也不能讓節(jié)點太強，要留出一定的空間確保建筑遭遇地震時板件能夠承載一定的變形，通過提高韌性確保建筑的安全性，“強柱弱梁”原則就是遵從建筑結構的屈服原則，通過提高架構韌性的方式提高建筑的重力荷載。通常情況下，一層的框架能夠承載一層樓的重量，框柱則需要承載蓋層建筑及之上的重力，因此提高框架柱的承載力有利于提高監(jiān)護整體的穩(wěn)定性，這就要求我們在進行構件焊縫時做到“強焊縫弱鋼材”原則，實現(xiàn)焊縫承載力高于板材構建，能夠有效促使構件屈服面順利避開焊縫，堅固的欠于鋼板中，這樣整個框架的構件延展性增強。除此之外，為了提高側力構件的抗震性，要格外注重構件出現(xiàn)的意外狀況，如塑性鉸部位的轉動力與耗能，要防止豎向鋼經受測力作用時支撐斜桿發(fā)生彎曲，在反復外力作用下多次彎曲會導致剛度退化，再如要注意節(jié)點螺栓的連接，連接韌性要強于焊縫，在重要構件與節(jié)點鏈接時要選用高強度螺栓。

二、鋼結構節(jié)點的一般構造

1.全焊節(jié)點

1.1全焊節(jié)點連接形式

全焊節(jié)點連接：梁的上下翼緣用全熔透坡口對接焊縫，腹板用角焊縫與柱翼緣連接。翼緣對應處應加水平加勁肋，箱形柱內應設加勁肋隔板。加勁肋應按與梁翼緣等強設計，其連接焊縫亦應滿足等強傳力的要求。梁柱剛性連接中，梁端內力向柱傳遞時，梁端彎矩主要由梁翼緣承擔，梁端剪力則主要由梁腹板承擔。

1.2全焊節(jié)點的設計

在避免增加結構剛度和接頭部位應力集中的情況下，根據(jù)“強節(jié)點弱桿件”的原則適當加強節(jié)點，在不發(fā)生失穩(wěn)的情況下，可適當削弱梁。在梁上出現(xiàn)“塑性鉸”時，盡量減少結構和焊接接頭部位的應力集中，腹板上的工藝孔應平滑過渡。

2.高強螺栓連接節(jié)點

2.1高強螺栓連接形式

高強螺栓連接節(jié)點：梁腹板與柱以高強螺栓現(xiàn)場連接，以傳遞軸力、彎矩與剪力。該種連接形式施工要求十分嚴格，但是對于結構承受動載十分有利，可簡化制造和安裝，特別是在高層和超高層鋼結構以及承受動載的結構設計中，所有連接節(jié)點均采用高強度螺栓連接方式。

2.2高強螺栓連接的類型和受力特點

高強度螺栓受剪力時按照設計和受力要求的不同，可分為摩擦型和承壓型兩種。摩擦型高強度螺栓連接在受剪設計時，是以外剪力達到板件接觸面間由螺栓預壓力使板件壓緊所提供的最大摩擦力為極限的。在設計摩擦型高強螺栓時，應保證連接點在整個使用期間外剪力不超過最大摩擦力，即能由摩擦力完全承受，使板件間不會發(fā)生相對滑移變形，即螺栓桿和孔壁間始終保持原有空隙。連接件按彈性整體受力考慮。承壓型高強度螺栓連接在抗剪設計時只保證在正常荷載作用下，剪力一般不會超過最大摩擦力，其受力性能和摩擦型相同。若剪力超過最大摩擦力時，連接板件間將發(fā)生相對滑移變形直到螺栓桿與孔壁一側接觸，之后連接就靠螺栓桿身剪切和孔壁承壓以及板件接觸面間摩擦力共同傳力。

3.承壓型高強螺栓連接的設計

承壓型高強度螺栓連接的計算：抗剪連接沿桿軸方向的受拉連接同時承受剪力和桿軸方向拉力的承壓型高強度螺栓連接計算需按規(guī)范進行。原規(guī)范中規(guī)定的在抗剪連接中以及同時承受剪力和桿軸方向拉力的連接中，作了承壓型高強度螺栓的受剪承載力設計值不得大于按摩擦型連接1.3的規(guī)定，主要是當時對承壓型高強度螺栓的研究還不夠深入，尤其是缺乏使用經驗。我們采用承壓型高強度螺栓的承載力不超過按摩擦型計算的1～3倍確保結構安全可靠。此外按規(guī)范規(guī)定結構的平均荷載分項系數(shù)約為1～3，滿足此項要求的承壓型高強度螺栓在荷載標準值情況不致產生滑移，則對保證結構的變形是有利的，但不能充分發(fā)揮承壓型高強度螺栓的效能；而采用承壓型高強度螺栓的前提是結構中允許發(fā)生一定滑移變形的連接，這相當于對承載力進行了控制。

4.栓焊混合連接節(jié)點

栓焊混合連接節(jié)點：梁翼緣與柱翼緣完全采用坡口焊接，而梁腹板采用普通或高強螺栓與柱翼緣連接的形式。純螺栓或栓焊連接只是考慮現(xiàn)場施工方便，國外近期關于的地震破壞的資料表明，定位螺栓聯(lián)合焊接的方式將是高層、超高層鋼結構工程的首選。這種連接的優(yōu)勢在于不但可以保證節(jié)點屬于剛性連接，同時結構可以承受動力荷載，經過反復加載后節(jié)點承載能力基本沒有降低。經試驗，這種形式的連接在經過多次非常劇烈的反復加載后會突然斷裂，表明與柱子腹板的這種連接具有的延性較全焊接連接節(jié)點具有的延性稍差，但栓焊混合節(jié)點也能滿足工程抗震所要求的延性。

三、鋼結構節(jié)點構造的改進探討

1.將塑性鉸的位置外移

塑性鉸出現(xiàn)在柱面附近的梁上，可能在柱翼緣的材料中引起很大的厚度方向應變，并對焊縫金屬及其周圍的熱影響區(qū)提出較高的塑性變形要求，這些情況也可能導致脆性破壞。因此，為了取得可靠的性能，最好還是將梁柱連接在構造上使塑性鉸外移。將塑性位置從柱面外移有兩種方法，一種是將節(jié)點部位局部加強，一種是在離開柱面一定距離處將梁截面局部削弱。鋼梁中的塑性鉸典型長度約為梁高的一半，當對節(jié)點局部加強時，可取塑性鉸位置為距加強部分的邊緣處梁高的1/3。節(jié)點局部加強固然也可使塑性鉸外移，但應十分注意不要因此出現(xiàn)弱柱，有背強柱弱梁的原則。

2.梁冀緣焊縫襯板缺口效應的處理

由于上翼緣焊縫處襯板的缺口效應不嚴重，而且它對焊接和超探也沒有妨礙，出于費用考慮，割除上翼緣襯板可能不合算，如果將上翼緣襯板邊緣用焊縫封閉，試驗表明并無不利影響，因此美國現(xiàn)時做法是上翼緣襯板仍然保留并用焊縫封口。坡口焊縫的引弧板，在上下翼緣處通常都切除，因為引弧和滅弧處通常都有很多缺用氣切切除后還需打磨，才能消除潛在的裂縫源。

3.選用有較高沖擊韌性的焊縫

焊縫沖擊韌性不足會引起節(jié)點破壞。那么焊縫究竟要有多大的沖擊韌性才能防止裂紋出現(xiàn)呢？美國提出，焊縫的恰帕沖擊韌性（CVN）最小值取-29℃時27J（相當于-200F時20ft-1bs）是合適的，可以發(fā)展成為事實上的標準。在最近美國的實際工程中，采用E71T-8型和E70TG-K2型焊條的普通手工焊電弧焊已表明焊縫最小沖擊韌性可滿足上述要求，而采用E7018型藥芯焊條的“貼緊焊”焊縫沖擊韌性值更高，但都必須按AWS規(guī)定的焊接和探傷方法操作。

四、結束語

綜上所述，加強對鋼結構建筑的細部設計節(jié)點構造的研究分析，對于其良好實踐效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的鋼結構節(jié)點構造中，應該加強對其關鍵環(huán)節(jié)與重點要素的重視，并注重其具體構造實施方案的系統(tǒng)性。

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