基于多高層房屋鋼結構梁柱剛性節(jié)點的設計

曾振云

摘 要：多高層鋼結構房屋在遭受地震災害影響后，梁柱剛性連接節(jié)點會出現(xiàn)嚴重破壞問題。因此在鋼結構梁柱節(jié)點抗震設計中，必須遵循基本設計原則。此次研究主要是基于多高層房屋鋼結構，提出梁柱剛性節(jié)點的優(yōu)化設計措施，希望能夠對相關人員起到參考性價值。

關鍵詞：多高層房屋;鋼結構;梁柱剛性節(jié)點;設計

在多高層房屋鋼結構抗震設計中，梁柱剛性節(jié)點屬于重要設計內容。當前所設計的節(jié)點圖紙中，梁端翼緣屬于全熔透的坡口對接焊，腹板包含單見受力的摩擦螺栓，連接位置翼緣板沒有進行加強處理。因此梁柱連接僅考慮到受剪力問題，沒有考慮到受彎問題。通過計算常用截面可知，在非抗震結構中，抗側移動框架梁體為工字型截面，強度等級為Q355。計算腹板時，應用螺栓單剪連接方式，將梁端作用的彎矩設計值假設為梁截面可承受的最大彎矩設計值0.95倍，在分配腹板連接作用彎矩作用時。則按照腹板扣除螺栓孔的凈截面慣性矩和梁凈截面慣性之比;在計算腹板連接作用剪力時，按照腹板可承受最大剪力的50%，同時按照3倍螺栓孔間距進行排列，此時需要應用摩擦型螺栓，梁腹板與連接板在連接位置的摩擦系數(shù)達到0.55，表面應用噴砂處理才可以滿足要求，在抗震連接中，連接抗力應當大于梁截面的最高抗力，腹板連接布設單剪受力螺栓，此時將無法滿足結構要求。

當前所應用的工字型截面梁中，如果處于彈性狀態(tài)，翼緣一般要承受80%的全截面抗彎承載力，腹板承受20%全截面抗彎承載力。上述方式對于采用摩擦型螺栓連接的梁柱節(jié)點而言，翼緣對接焊縫只可以承受與自身強度等級相同的彎矩。當腹板連接沒有考慮彎矩問題，則抗彎承載力僅為80%框架橫梁抗彎承載力。在具體施工期間，當高空施焊環(huán)境差，且焊縫存在缺陷，則連接抗彎承載力只可以達到70%框架橫梁抗彎承載力，不滿足建筑抗震設計要求。

1、強節(jié)點設計原則

在設計梁柱連接節(jié)點期間，為了滿足“強節(jié)點、弱桿件”目標，必須準確計算地震災害的節(jié)點承載力極限值，同時計算彈性節(jié)點承載力。在具體設計期間，需要滿足以下原則：

第一，在彈性狀態(tài)下，梁柱連接位置抗彎能力應當高于框架梁抗震能力。為了避免地震災害發(fā)生時，由于梁柱連接位置的缺陷問題，導致框架橫梁沒有出現(xiàn)塑性鉸之前，節(jié)點連接出現(xiàn)脆性破壞問題。

第二，在滿足上述原則后，在彈塑性狀態(tài)下，塑性鉸會逐漸移動到柱面外，因此在設計期間必須預測塑性鉸的人為控制位置，確保高位置梁截面彎曲應力，大于梁柱連接位置焊縫的彎曲應力，便于在地震災害來臨時，框架梁可能存在的塑性鉸部位受到高應力影響時，翼緣會最先屈服，從而出現(xiàn)塑性鉸，有效耗散地震能量。

2、改進框架節(jié)點設計措施

在設計改進框架節(jié)點時，不僅可以應用狗骨式連接節(jié)點，也可以應用梁端局部增加梁截面方式，此種方式的原理與狗骨式連接節(jié)點比較類似，并且無需減小梁截面，可以有效提升連接位置的抗彎承載力，充分延展節(jié)點。梁端局部增加梁截面方式和狗骨式連接節(jié)點均可以達到標準要求，且應用優(yōu)勢高于狗骨式連接節(jié)點。由于狗骨式連接節(jié)點會減小梁翼緣截面，可以減小梁承載力，以此實現(xiàn)地震災害條件下的梁體塑性發(fā)展，提升節(jié)點的延性。在具體應用中，梁端局部增加梁截面方式無需改變梁承載力，也可以實現(xiàn)地震災害條件下的梁體塑性發(fā)展，提升節(jié)點的延性。

2.1梁端翼緣焊接楔形蓋板

第一，按照標準原則，明確楔形蓋板和柱連接位置的截面面積，并且應用準確的連接計算方法，按照不同情況，明確蓋板界面劑：首先，翼緣和柱采用完全熔透對接焊方式，腹板與梁翼緣通過摩擦型螺栓相連接。將蓋板增加到梁翼緣后，焊接位置截面面積應當大于未加蓋板截面積;其次，腹板角焊縫可以承受最大彎矩設計值和地震效應。組合剪力設計值，確保在角焊縫中可形成合剪應力。

第二，按照梁組合彎矩圖紙的反彎點，明確楔形蓋板的截面尺寸，步驟如下：首先，在豎向荷載與水平地震組合影響下，明確框架梁塑性鉸位置。負彎矩圖近似直線，同時向跨內傾斜，此時梁端獲得最大彎矩值，遠離梁端的彎矩值比較小。其次，在明確塑性鉸位置后，按照梁上組合彎矩圖反彎點和柱邊間距，明確不同楔形蓋板在梁柱連接位置的截面積，以此確保彈性階段下，塑性鉸位置彎曲應力大于梁柱了解位置的彎曲應力。為了防止楔形蓋板截面積過大，需要在塑性鉸位置與梁端加設楔形蓋板位置，仿照狗骨式連接節(jié)點，適當削弱梁翼緣。

2.2加寬梁端上下翼緣

通過局部加寬梁端上下翼緣，可以將加強板和翼緣板設置在同一平面內，應用懸臂式短梁連接方式，保證梁和柱應用工廠焊縫方式連接，確保焊接質量。

2.3梁端下翼緣加設腋梁

將腋梁加設在梁端下翼緣，可以明顯提升根部連接位置的抗彎能力，加腋高度控制在150mm-250mm即可。其次，鋼結構需要進行防火涂層施工，提升在梁下設置管線與管道，做好吊頂施工處理，在具體施工中，不會由于加腋梁而影響建筑美觀性，施工人員也比較青睞于此種加腋高度和節(jié)點形式。

3、梁柱節(jié)點設計的注意事項

第一，在設計非抗震框架結構時，針對帶有懸臂段框架梁節(jié)點，拼接位置的承載力必須按照梁中實際內力和平面假定進行設計，拼接位置抗彎承載力應當高于50%梁截面抗彎承載力。

第二，針對非抗震框架結構來說，梁柱剛性節(jié)點連接必須按照梁截面等強度設計，如果在構造內截面中，梁內力和梁截面承載力的差異比較大，則采用上述原則優(yōu)化節(jié)點連接設計。

第三，針對帶有懸臂段框架梁節(jié)點，在施工現(xiàn)場進行拼接，為了便于后期運輸，拼接點必須與柱邊距離比較短。在選擇拼接點時，可以選擇跨長1/10位置與梁高塑性鉸區(qū)段周邊。其次，拼接承載力可以按照梁截面等強度設計。然而對于狗骨式連接節(jié)點來說，則應當選擇梁翼緣削弱后的截面抗彎設計值，優(yōu)化設計節(jié)點拼接。

第四，在建筑抗震結構中，梁柱剛性連接需要應用加強式連接方式，或者可以應用削弱翼緣的狗骨式連接節(jié)點。

4、未來展望

在建筑抗震結構中，梁柱剛性連接位置抗彎承載力設計值，必須高于框架梁設計值，且二者之比應當高于連接承載力抗震調整系數(shù)—框架梁抗震調整系統(tǒng)比值。在房屋建筑設計規(guī)范中，鋼結構不劃分地震烈度，且建筑高度和結構類型不同，所以會出現(xiàn)設計值取值不合理問題。因此，在具體設計中，應當在設計規(guī)范中分離節(jié)點連接抗震調整系數(shù)，按照不同地震烈度、建筑高度與結構類型，采用對應額建筑抗震等級，按照鋼結構建筑抗震等級，采用連接加強系數(shù)處理。

5、結束語

綜上所述，對于多高層房屋鋼結構來說，在設計梁柱剛性節(jié)點時，需要比對不同設計方案，合理應用強節(jié)點設計原則，優(yōu)化改進框架節(jié)點設計措施，掌握梁柱節(jié)點設計的注意事項，這樣才可以確保梁柱剛性節(jié)點設計的有效性。

參考文獻：

[1]趙俊釗，趙斌，匙文成.不間斷運營條件下裝配式鋼結構在商場裝飾施工中的應用[J].建筑施工，2020，42（03）：383-386.

[2]張磊，史瑞英，劉歷波.設計變截面交叉柔性力學的模型在裝配式鋼構建筑梁柱預應力中的分析[J].地震工程學報，2019，41（04）：873-879.

[3]吳水根，王玲玲，韓曉丹.BIM技術在多層裝配式鋼結構住宅建筑設計與施工中的應用[J].建筑施工，2019，41（04）：691-693.

[4]商文念，吳瓊堯，劉小云，等.鋼結構變電站配電裝置樓鋼結構梁柱節(jié)點力學性能研究[J].工業(yè)建筑，2018，48（06）：156-161.

[5]王海濤，張素清，霍靜思.狗骨式鋼結構梁柱節(jié)點的沖擊荷載試驗研究和有限元分析[J].振動與沖擊，2018，37（11）：107-114.