如何做好鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

如何做好鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)該該遵循簡潔，可可靠，便于施施工的原則，并并且要考慮當(dāng)當(dāng)前的施工水水平。發(fā)達(dá)國國家的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)節(jié)點(diǎn)多考慮慮盡量用高強(qiáng)強(qiáng)度螺栓，少少用焊接，因因?yàn)樗麄兊娜巳斯べM(fèi)用很高高，工廠加工工的機(jī)械化程程度和精度較較高。而目前前我們還達(dá)不不到這一點(diǎn)，還還是安裝螺栓栓加焊接用得得多。這是中中國的特色。因因此很多情況況不能照搬國國外。下面介介紹的是筆者者在工作中經(jīng)經(jīng)常遇到的節(jié)節(jié)點(diǎn)問題，力力求對(duì)新手有有所啟發(fā)和幫幫助，偏重于于構(gòu)造，具體體計(jì)算，都有有章可循，就就不贅述了。7.1

柱腳柱腳有多種形式式，一般考慮慮與基礎(chǔ)嵌固固比較合適，近近幾年的實(shí)踐踐證明，插入入式的柱腳是是一種比較好好的形式。無無論是設(shè)計(jì)，還還是施工，都都很簡單。盡盡管有時(shí)材料料會(huì)稍多一些些，但如考慮慮加工及安裝裝費(fèi)用的節(jié)省省，可能總的的造價(jià)還低一一些。另外還還可以免去交交叉施工時(shí)對(duì)對(duì)地腳螺栓防防護(hù)的煩惱。有有一些參考圖圖集中，柱腳腳要求預(yù)先焊焊上抗剪栓釘釘，筆者認(rèn)為為大可不必，除除非是柱子受受到極大的拉拉力。但柱腳腳下部加焊一一塊底板是必必要的，一是是便于找平，二二是可以增加加嵌固的能力力，二次澆灌灌層的厚度宜宜>100mmm，便于找找平。按抗震震規(guī)范的要求求，凡是考慮慮抗震設(shè)防，柱柱腳插入深度度應(yīng)是兩倍柱柱高。7.2

操作平平臺(tái)小尺寸的操作平平臺(tái)(如長向向尺寸<5米米)，應(yīng)按一一個(gè)構(gòu)件整體體考慮為好，在在現(xiàn)場地面上上將整個(gè)平臺(tái)臺(tái)焊好，然后后再安裝到支支乘構(gòu)件上，不不必將平臺(tái)中中的每一個(gè)小小梁都考慮為為一個(gè)構(gòu)件在在高空進(jìn)行現(xiàn)現(xiàn)場拼裝。7.3梁與梁的的連接梁與梁的連接最最常用到的是是鉸接。一角角一板幾乎是是中國的經(jīng)典典連接方式，見見圖10中的的(a)，角角鋼是在工廠廠焊在主梁上上的，它除了了起連接作用用外，還有定定位的作用。板板是用安裝螺螺栓臨時(shí)固定定在次梁上，在在現(xiàn)場用三道道焊縫將次梁梁連接于主梁梁上，因此，有有兩條工廠焊焊縫，有三條條工地焊縫，不不可混淆。在在次梁與主梁梁為斜交的情情況，角鋼的的一個(gè)肢要彎彎折，不如改改成兩個(gè)板的的連接，此時(shí)時(shí)，位于主梁梁上的定位板板還可以兼作作加勁肋，如如(b)所示示。這個(gè)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)要注意，如如果是用高強(qiáng)強(qiáng)度螺栓連接接，次梁與主主梁腹板的間間隙s不小于于20mm即即可，但是如如果采用焊接接，考慮施焊焊的可行，ss則必須大于于70mm，再再加上螺栓的的孔距80mmm，因此梁梁要160mmm以上才行行。如果次梁梁不是太大的的話，不如采采用如(d))所示的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)，更為簡單單。許多設(shè)計(jì)計(jì)手冊(cè)更喜歡歡如(c)所所示的節(jié)點(diǎn)，理理由是次梁傳傳來的剪力的的作用點(diǎn)離腹腹板近，因此此附加彎矩小小一些，其實(shí)實(shí)除非是主梁梁位于邊跨，如如果是中間，再再考慮有鋪板板的情況，這這一附加彎矩矩是很小的。如如(d)所示示的節(jié)點(diǎn)可以以節(jié)省次梁材材料，且加工工，安裝都很很方便。事實(shí)上，上面的的連接都不是是真正的鉸接接，兩條垂直直焊縫可以傳傳遞不小的彎彎矩，因此考考慮次梁的剪剪力所產(chǎn)生的的附加彎矩可可能在大多數(shù)數(shù)情況下沒有有什么實(shí)際意意義。工程中經(jīng)常遇到到彎矩不大的的懸臂梁，如如休息平臺(tái)梁梁，習(xí)慣的做做法是在兩個(gè)個(gè)梁的上部加加焊一條鋼板板，這樣做鋪鋪設(shè)平臺(tái)鋼板板的時(shí)候，要要切口，而且且如果是上翼翼緣寬度較小小小型槽鋼梁梁，鋼條的尺尺寸會(huì)很小，此此時(shí)可以用((e)的做法法，簡單省事事。7.4

梁與柱柱的連接梁與柱的連接通通常有剛性連連接和半剛性性連接，如圖圖11中(aa)是剛性連連接，(b))、(c)是是半剛性連接接，其中(bb)是接近于于鉸接的半剛剛性連接，((c)是接近近于剛接的半半剛性連接。有有的書中稱((b)為柔性性連接，其實(shí)實(shí)所謂的半剛剛性連接(SSemi-RRigid))就是指能抵抵抗彎矩的同同時(shí)又產(chǎn)生不不可忽視的節(jié)節(jié)點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)角角的連接節(jié)點(diǎn)點(diǎn)，所以沒必必要再增加一一個(gè)柔性連接接的稱呼。有有不少資料和和手冊(cè)將(bb)稱之為鉸鉸接，顯然是是不妥當(dāng)?shù)?，正正如我們?cè)谏仙厦嬷v梁與梁梁的連接時(shí)所所提到的：兩兩條垂直焊縫縫或兩排螺栓栓都可以傳遞遞不小的彎矩矩，因此不可可能是鉸接節(jié)節(jié)點(diǎn)。只有象象(d)所表表示的置于牛牛腿上的連接接(類似吊車車梁)才接近近于鉸接。半半剛性連接節(jié)節(jié)點(diǎn)的研究是是目前的一個(gè)個(gè)熱門，尤其其是在結(jié)構(gòu)抗抗震研究方面面，一些地震震災(zāi)害的調(diào)查查顯示，在抗抗震性能方面面半剛性連接接較比剛性連連接有很多優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。圖中梁腹板與柱柱的連接是用用安裝螺栓，一一些資料中是是用高強(qiáng)度螺螺栓摩擦型連連接，兩種形形式都是可以以的。對(duì)于剛性連接，這這次新規(guī)范規(guī)規(guī)定的比較細(xì)細(xì)致(見GBB500177的7.4節(jié)節(jié))這一節(jié)是是老規(guī)范沒有有的，基本上上參考國外的的居多。尤其其是柱腹板節(jié)節(jié)點(diǎn)域規(guī)定的的比較嚴(yán)格，對(duì)對(duì)于輕型鋼結(jié)結(jié)構(gòu)，此處柱柱的腹板厚度度往往不夠，需需要局部加厚厚。7.5

吊車梁梁帶有制動(dòng)板吊車車梁，以往制制動(dòng)板與吊車車梁上翼緣的的連接無論噸噸位大小和工工作制的級(jí)別別的等級(jí)如何何，都采用高高強(qiáng)度螺栓摩摩擦型連接，而而且螺栓的排排列較密，現(xiàn)現(xiàn)在正在使用用的鋼吊車梁梁的標(biāo)準(zhǔn)圖集集(00G5514-)也也是如此處理理的。這實(shí)在在是費(fèi)工費(fèi)料料。本次新規(guī)規(guī)范有大的改改動(dòng)，在規(guī)范范8.5.88條和此條的的條文說明中中都明確地指指出，制動(dòng)板板與吊車梁上上翼緣的連接接可以采用普普通螺栓和焊焊縫連接。小小的吊車梁甚甚至可以只用用單面焊縫連連接。當(dāng)遇到抽柱子的的情況，對(duì)于于跨度的吊車車梁，有時(shí)是是剛度控制斷斷面，就得增增加梁的高度度，但支座處處高度要保持持一致，就要要采用變斷面面的吊車梁。這這種吊車梁的的端部通常有有三種形式。如如圖12所示示的(a)、((b)、(cc)。(a))是過去常用用的一種處理理方法，采用用逐步變化高高度，但下翼翼緣彎折處加加工和焊接比比較困難，容容易開裂，現(xiàn)現(xiàn)在已很少用用。近來國內(nèi)內(nèi)外趨向采用用突變式。((b)是日本本人通常采用用的形式。根根據(jù)我國的實(shí)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和實(shí)實(shí)驗(yàn)研究[33]發(fā)現(xiàn)這種種端部形式的的抗疲勞性不不太理想，在在圓弧段容易易出現(xiàn)疲勞裂裂縫，圓弧的的半徑愈小主主拉應(yīng)力愈大大，某煉鋼車車間在用這種種形式的吊車車梁十余年后后即出現(xiàn)疲勞勞裂縫，修復(fù)復(fù)后繼續(xù)開裂裂，最后只好好更換。(c)是我國和和德國常用的的直角變化端端部構(gòu)造，端端部的下翼緣緣板切口插入入腹板后焊接接，梁下部加加封頭板。這這種節(jié)點(diǎn)施工工方便，受力力性能比較好好。顯而易見見，變截面的的凹角處是應(yīng)應(yīng)力集中的地地方，試驗(yàn)研研究也證明了了應(yīng)力高峰部部位就是插入入板附近的腹腹板。該區(qū)域域的應(yīng)力分布布非常復(fù)雜，如如用普通材料料力學(xué)的方法法計(jì)算出該處處腹板下端點(diǎn)點(diǎn)a點(diǎn)的主拉拉應(yīng)力，再與與用有限元法法計(jì)算的該點(diǎn)點(diǎn)和附近的主主拉應(yīng)力結(jié)果果相比較，發(fā)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中中系數(shù)與變截截面的幾何參參數(shù)有關(guān)，其其應(yīng)力集中系系數(shù)K=1..37~4..6，如果按按附表1的幾幾何參數(shù)進(jìn)行行設(shè)計(jì)的話，KK=1.377~2.322，平均為11.74，簡簡單起見，可可以取K=22。因此可以以用普通材料料力學(xué)的方法法計(jì)算出a點(diǎn)點(diǎn)的主拉應(yīng)力力，再乘以22就可以得到到突變點(diǎn)的實(shí)實(shí)際主拉應(yīng)力力的近似值。試驗(yàn)的結(jié)果表明明該種節(jié)點(diǎn)有有如下的特點(diǎn)點(diǎn)：1.

凡是h//a≥2的支支座都沒有發(fā)發(fā)生過破壞。2.

裂紋的起起點(diǎn)都在端封封板與插入板板相連的角焊焊縫上，然后后裂縫沿插入入板擴(kuò)展，到到插入板端點(diǎn)點(diǎn)后再向上4450擴(kuò)展。3.

在凹角處處加焊構(gòu)造角角鋼(見圖112中c)，對(duì)對(duì)降低突變點(diǎn)點(diǎn)附近的應(yīng)力力峰值有較大大效果。其他一些關(guān)于吊吊車梁節(jié)點(diǎn)的的合適的建議議：吊車梁橫橫向加勁肋與與上翼緣還是是以焊接為好好;橫向加勁勁肋與下翼緣緣的距離宜≥≥100為好好(規(guī)范是550~1000)。7.6

關(guān)于焊焊縫目前還有一些資資料，要求吊吊車梁下翼緣緣的對(duì)接融透透焊縫采用斜斜焊縫，其目目的是想通過過延長焊縫的的長度來保證證焊縫能承受受母體所承受受拉力。其實(shí)實(shí)對(duì)于對(duì)接的的融透焊縫，只只要達(dá)到了二二級(jí)焊縫質(zhì)量量標(biāo)準(zhǔn)，則可可以認(rèn)為該焊焊縫與母體金金屬等強(qiáng)，因因此一塊鋼板板在對(duì)接時(shí)，采采用斜焊縫就就沒有任何意意義了。也沒沒有必要要求求對(duì)接焊縫非非要避開梁的的中部受力大大的區(qū)域。還有一個(gè)是關(guān)于于十字焊縫的的問題，不知知從何時(shí)開始始，板的對(duì)接接焊縫不能采采用十字焊縫縫的觀點(diǎn)就被被認(rèn)為是絕對(duì)對(duì)正確的觀點(diǎn)點(diǎn)，以至于一一直流傳至今今還被不少設(shè)設(shè)計(jì)人員認(rèn)同同。其實(shí)在上上一本規(guī)范((GBJ177-88)中中，已經(jīng)規(guī)定定了對(duì)接焊縫縫可以用十字字焊縫，但是是用的小字注注解。這次新新規(guī)范還是用用小字的注解解(見GB550017中中8.2.22條的注)，似似乎還是有些些底氣不足。事事實(shí)上焊縫的的殘余應(yīng)力總總是最后一道道起作用，因因此如果先焊焊了一條縱向向焊縫，再焊焊橫向焊縫，在在交叉點(diǎn)處，縱縱向焊縫的殘殘余應(yīng)力受后后焊的橫向焊焊縫的熱影響響，已經(jīng)釋放放了大部分，只只可能稍許增增加一些而已已，不存在兩兩者迭加的問問題。相反，如如果將一條十十字焊縫改變變?yōu)閮蓷l丁字字焊縫，殘余余應(yīng)力較大的的區(qū)域卻增加加