高層建筑鋼結構梁柱節(jié)點試驗研究

祁琳

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活逐漸由農(nóng)村轉向城市，導致城市人口的大量聚集，進而對城市中高層建筑的結構有個更加嚴格的要求。其中鋼結構具有強度高，抗震性能好，環(huán)保和綜合經(jīng)濟指標等優(yōu)點，是高層建筑材料中最常用的一種結構形式。但在高層建筑鋼結構中想要構建完整的結構系統(tǒng)，就需要學會合理的將各種構件相互組合在一起。梁柱節(jié)點作為整個建筑結構框架的關鍵連接部分，它的連接性能直接影響著框架結構在荷載作用下的整體反應。通過對大量的事故和震害進行研究發(fā)現(xiàn)，建筑整體結構的破壞往往都是由于梁柱節(jié)點的損壞造成的，所以梁柱節(jié)點的設計在整個建筑設計工作中占據(jù)著重要地位，直接影響著鋼框架的整體性能。本文結合實際工程對梁柱節(jié)點進行了一系列的研究與改進，對節(jié)點的性能進行改善。

關鍵詞：高層建筑 鋼結構 梁柱節(jié)點 試驗

通過國內(nèi)外專家對梁柱節(jié)點的大量研究發(fā)現(xiàn)，地震中鋼結構梁柱節(jié)點的破壞主要屬于脆性破壞。該脆性破壞出現(xiàn)的原因主要是由于在結構塑性發(fā)展之前，梁截面抗力遠大于鋼結構梁柱節(jié)點的連接抗力，進而就會導致焊縫產(chǎn)生開裂的情況，節(jié)點會出現(xiàn)脆性破壞。專家學者們進一步通過理論和實驗研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)點本身的性能才是完成節(jié)點破壞的主要原因，而節(jié)點的受力性能則主要受焊縫的質量和梁柱坡口焊縫的應力的大小影響。所以為了能夠從根本上鋼結構梁柱節(jié)點的脆性破壞等問題，就需要從這兩個因素出發(fā)，一般采用強節(jié)點和弱構件的設計理念，一方面是通過在梁柱節(jié)點的連接處增加焊接蓋板和助板等對梁柱節(jié)點進行加強，另一方面也是對梁翼緣的局部進行削弱，使梁柱的破壞點轉移到梁截面的削弱處，對梁柱節(jié)點進行加強，主要通過兩種途徑實現(xiàn)對鋼結構梁柱剛性節(jié)點受力性能的提升。

一、型鋼混凝土柱一鋼梁節(jié)點

型鋼混凝土結構具有非常好的抗震性能，這一特點在1968年的日本地震中有了很好的體現(xiàn)，進而導致了剛性混凝土結構在高層于超高層建筑中的迅速發(fā)展。相比較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構，型鋼混凝土結構主要具有承載力高，施工周期短和抗震性能好等特點。其中對于絕大多數(shù)的鋼筋混凝土框架結構來說，很難滿足高層和超高層建筑對承載力的要求，而對于相同尺寸的型鋼混凝土來說，其具有更大的構件承載力，高于鋼筋混凝土的一倍以上。所以，對于高層建筑來說，使用型鋼混凝土可以顯著的減小構截面，使用面積和凈高得到顯著增加，避免產(chǎn)生肥梁胖柱的結構，進而使經(jīng)濟效益得到提升。鋼筋混凝土框架在使用的過程中需要等到混凝土達到一定的強度才可以進行施工，周期時間較長，而對于型鋼混凝土來說，其型鋼在尚未進行澆筑混凝土之前就已經(jīng)形成了具有一定承載能力的鋼結構，能夠承受施工荷載，直接可以進行上層施工，因此節(jié)省了一部分工期。并且在施工的過程中不用架立支柱，就留出了一定的工作面可以進行設備的安裝，使整個工程工序形成了平行流水作業(yè)，就大大的縮短了整個工程的建設周期。最重要的是，型鋼混凝土結構具有良好的抗震性能。這對高層和超高層建筑來說是至關重要的，其延性的提升使得型鋼混凝土在建筑工程中得到迅速發(fā)展，且其使用范圍不受建筑的高度限制，所以型鋼混凝土在建筑工程中有些廣泛的應用。

型鋼混凝土結構在高層建筑中使用也存在一定的缺點，其主要問題就是施工難度大，對節(jié)點區(qū)的設計要求較高。型鋼混凝土的框架結構主要是由鋼梁和混凝土柱構成，型鋼混凝土柱一般用于水平力和豎向力承受較大的柱，而梁則采用鋼梁，主要是為了方便施工。對于型鋼混凝土框架的節(jié)點位置，往往因為相互交叉，施工比較困難，所以會在型鋼腹板上進行穿孔，就容易造成鋼板的應力集中，施工質量受到損壞。然而通過設計鋼梁水平剪力板組合節(jié)點，即在節(jié)點中加入水平剪力板，有利于進行箍筋焊接，并且可以有效的避免型鋼穿孔，使施工難度降低。

二、通過試驗得到結論：

通過設計鋼梁水平剪力板組合節(jié)點，對高層建筑中鋼結構梁柱節(jié)點進行了試驗得到以下結論：

1、在使用節(jié)點體積配箍率滿足現(xiàn)行規(guī)程要求的水平剪力板的節(jié)點在軸壓比為0.6的情況下，能夠承受同種條件下普通型鋼混凝土柱-鋼梁節(jié)點所承受不了的抗剪承載力，且表現(xiàn)為更為優(yōu)異的耗能能力和延展性。

2、當構件柱軸壓比達到0.8的時候，柱會在梁端荷載的反復作用的情況下發(fā)生偏壓破壞，也會造成節(jié)點內(nèi)箍筋的屈服，使節(jié)點內(nèi)沒有明顯的破壞現(xiàn)象。此外，高軸壓比能夠促進節(jié)點抗剪，但對于節(jié)點上下柱的抗壓不太有利。

3、當在0.6-0.7的軸壓比下，節(jié)點配箍率在小于規(guī)范要求的型鋼骨型鋼混凝土時，鋼梁的節(jié)點依舊能擁有足夠的抗剪承載力，并表現(xiàn)為良好的延展性，在這種情況下箍筋對節(jié)點的極限抗剪能力沒有太大的貢獻，主要就是為了對縱筋和混凝土進行約束。

4、在鋼梁節(jié)點中配置水平剪力板的時候能夠對柱十字型鋼和節(jié)點區(qū)的整體作用進行加強，促進剪力向翼緣兩側的傳遞，同時又能對混凝土裂縫進行抑制。使用水平剪力板能夠有效的改善鋼梁寬度較小的抗剪性能。

目前，鋼結構住宅建筑體系在我國處于起步階段，主要用于對高層建筑的修建等，為鋼結構住宅體系的發(fā)展和應用提供了廣闊的應用前景。目前已經(jīng)經(jīng)過對此強烈地震的考驗，其抗震性能等遠遠高于鋼筋混凝土。但我國高層建筑鋼結構的設計仍存在一些問題，大多數(shù)采用的是整體結構分析和單個結構設計，這使結構構造不合理，更容易造成構件節(jié)點連接的破壞，所以高層建筑鋼結構的設計理念逐漸轉變?yōu)檎w結構分析和整體結構設計，這樣就能提高整體結構的可靠度，提高高層建筑框架結構的整體性能，發(fā)展新型的梁柱節(jié)點類型。

綜上所述，本文主要闡述了型鋼混凝土柱一鋼梁節(jié)點特色以及優(yōu)勢，并從試驗的角度對該節(jié)點的優(yōu)缺點進行了分析和總結，對提升高層建筑鋼框架結構的性能提供了思路，對其抗震性能和延展性進行設計優(yōu)化，發(fā)展新型的梁柱節(jié)點類型，實現(xiàn)對鋼結構梁柱剛性節(jié)點受力性能的提升。

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