淺談多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)

PAGE淺談多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)摘要：介紹了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)和桿件接頭處的三種桿件連接方式，并對(duì)其性能及適用范圍進(jìn)行了分析比較，然后對(duì)梁與柱、柱與柱、梁與梁的連接方式進(jìn)行了闡述，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的制作、安裝和造價(jià)以及保證結(jié)構(gòu)安全等方面均有重要的意義。關(guān)鍵詞：高層建筑，鋼結(jié)構(gòu)，連接節(jié)點(diǎn)，安裝多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中的各種構(gòu)件需要在工廠或工地結(jié)合在一起，才能成為完整的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。鋼結(jié)構(gòu)之間的連接，即鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接是鋼結(jié)構(gòu)工程中的重點(diǎn)。許多鋼結(jié)構(gòu)事故及震害都表明，鋼結(jié)構(gòu)大多是由于節(jié)點(diǎn)首先破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體破壞。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不僅對(duì)結(jié)構(gòu)安全有重要的影響，而且直接影響鋼結(jié)構(gòu)的制作、安裝和造價(jià)。因此，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的重要環(huán)節(jié)。1桿件連接1.1連接方式1.1.1連接類型建筑鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件節(jié)點(diǎn)和桿件接頭處的桿件連接可采用：1）全焊連接；2）高強(qiáng)度螺栓連接；3）焊縫和高強(qiáng)度螺栓混合連接。1.1.2性能比較1）全焊連接，傳力最充分，不會(huì)滑移。良好的焊接構(gòu)造和焊接質(zhì)量可以為結(jié)構(gòu)提供足夠的延性。缺點(diǎn)是焊接部位常留有一定的殘余應(yīng)力。2）高強(qiáng)度螺栓連接，施工較方便。但是，桿件的接頭若全部采用高強(qiáng)度螺栓時(shí)，接頭尺寸較大，鋼板用量較多，費(fèi)用較高；而且強(qiáng)烈地震時(shí)，接頭可能產(chǎn)生滑移。3）栓焊混合連接，應(yīng)用比較普遍。先用螺栓安裝定位，然后施焊，操作方便。實(shí)驗(yàn)表明，此類連接的滯回曲線，與完全焊接情況相近；但翼緣焊接將使螺栓預(yù)拉力平均降低10%左右。因此，連接腹板的高強(qiáng)度螺栓實(shí)際預(yù)拉應(yīng)力要留有一定富裕。1.1.3工程實(shí)踐在已建的多高層鋼結(jié)構(gòu)工程中，柱的工地接頭多采用全焊連接；梁的工地接頭以及支撐斜桿的工地接頭和節(jié)點(diǎn)，多采用全栓連接；梁與柱的連接多采用栓焊混合連接。1.2焊縫連接1.2.1拼接形式1）選定構(gòu)件節(jié)點(diǎn)和桿件接頭的連接形式時(shí)，應(yīng)盡可能避免采用約束性強(qiáng)、容易產(chǎn)生板件層狀撕裂的連接構(gòu)造。2）構(gòu)件實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，層狀撕裂主要發(fā)生在T型連接、十字型連接和角部連接等拼接形式處。這些部位的較強(qiáng)約束程度，使焊縫收縮時(shí)引起母材厚度方向產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，而且由于延性有限，無(wú)法得到調(diào)整，導(dǎo)致鋼板件層狀撕裂。1.2.2對(duì)接焊縫1）構(gòu)件節(jié)點(diǎn)、桿件接頭和板件拼裝，依其受力條件，可采用全熔透焊縫或部分熔透焊縫。2）遇到下列情況之一時(shí)，應(yīng)采用全熔透焊縫。a.要求與母材等強(qiáng)度的焊縫連接；b.框架節(jié)點(diǎn)梁端、柱端塑性區(qū)段內(nèi)的焊縫連接。1.2.3焊接材料1）焊縫熔敷金屬應(yīng)與母材強(qiáng)度相匹配。2）不同強(qiáng)度的鋼材相互焊接時(shí)，焊接材料應(yīng)按強(qiáng)度較低的鋼材選用。3）一般情況下，焊縫材料的屈服強(qiáng)度要比母材高出較多。為使焊縫具有較好的延性，在滿足承載力要求的前提下，宜盡量選用屈服強(qiáng)度較低的焊條。4）厚板焊接時(shí)，特別是板厚大于25mm的低合金結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)采用堿性（低氫）焊條；不能采用酸性焊條，以免因焊縫金屬大量吸收氫而導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂。1.3螺栓連接1.3.1連接類型多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)要承受風(fēng)荷載的反復(fù)作用和地震的往復(fù)作用，承重構(gòu)件或承力構(gòu)件（支撐）的桿件連接采用高強(qiáng)度螺栓時(shí)，應(yīng)采取摩擦型連接，不得采用承壓型（剪壓型）連接。以免在設(shè)計(jì)荷載下連接部位產(chǎn)生滑移，加大節(jié)點(diǎn)變形。1.3.2螺栓受剪承載力1）強(qiáng)烈地震作用下，高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的板件之間的摩阻力有可能被克服，此時(shí)，高強(qiáng)度螺栓連接的最大受剪承載力將取決于螺栓的極限抗剪能力。2）實(shí)驗(yàn)研究成果指出，螺栓連接的最終受剪破壞時(shí)，不是全部發(fā)生在螺紋凈截面處，其中部分螺栓的破壞是發(fā)生在螺桿上，從而使螺栓連接的最大受剪承載力在總體上有所提高。2吊裝件鋼結(jié)構(gòu)安裝單元的劃分，應(yīng)根據(jù)吊裝件尺寸、自重、運(yùn)輸和吊裝設(shè)備等條件確定。1）當(dāng)框架的梁—柱節(jié)點(diǎn)采用“柱貫通型”時(shí)，柱的安裝單元宜采用三層為一根，梁的安裝單元為每跨一根。2）為便于工人現(xiàn)場(chǎng)操作，柱的工地接頭位置，一般設(shè)在樓板頂面1.0m~1.33）當(dāng)采用帶懸臂梁段的柱單元（樹(shù)型柱）時(shí)，懸臂梁段長(zhǎng)度的確定，應(yīng)使梁接頭的內(nèi)力較小，并能滿足支撐連接設(shè)置要求及運(yùn)輸方便，一般情況，懸臂梁段自柱軸線算起的外伸長(zhǎng)度取0.9m~1.4）框架筒體采用帶懸臂梁段的柱安裝單元時(shí)，梁的接頭可設(shè)置在跨中。3梁與柱的連接梁與柱的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)與連接類別的受力特征假定相符，通常采用柱貫通的形式。對(duì)于剛性連接，梁上下翼緣均應(yīng)與柱相連；而鉸接連接可僅梁腹板或一側(cè)翼緣與柱相連。而由于半剛性連接結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)，至今尚無(wú)很方便的工程實(shí)用方法，因此目前在實(shí)際工程中還很少采用。3.1剛性連接梁柱的剛性連接應(yīng)具有足夠的剛度，可以承受設(shè)計(jì)要求的彎矩，在達(dá)到承載能力之前所連接的梁柱之間不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。凡是需要抵抗水平力的框架，主梁和柱的連接均應(yīng)采用剛性連接形式。常用的梁柱剛性連接構(gòu)造形式有：1）全焊接連接，梁的上下翼緣和腹板均與柱用焊接連接在一起，通常翼緣與柱用全熔透坡口焊，腹板用角焊縫與柱相連；2）栓焊混合節(jié)點(diǎn)，梁的上下翼緣用全熔透坡口焊，腹板則用高強(qiáng)螺栓與柱相連；3）全栓接節(jié)點(diǎn)，梁翼緣與腹板均用高強(qiáng)度螺栓與柱相連。全焊接節(jié)點(diǎn)一般在工廠加工時(shí)采用，而栓焊混合節(jié)點(diǎn)和全栓接節(jié)點(diǎn)通常在現(xiàn)場(chǎng)安裝條件下采用。三種節(jié)點(diǎn)形式中，雖然連接的承載力相同，但在地震時(shí)吸收和耗散能量的能力差別較大。全焊連接的滯回曲線呈穩(wěn)定紡錘形，節(jié)點(diǎn)的延性和剛度最好。栓焊混合節(jié)點(diǎn)，雖然由于腹板螺栓滑動(dòng)而不完全剛性，但其性能與全焊連接相差不大。全栓接節(jié)點(diǎn)，由于翼緣和腹板均發(fā)生滑動(dòng)，滯回曲線呈滑動(dòng)形。因而，在地震作用下，全栓連接難以滿足剛性連接的要求，一般只適用于非地震區(qū)的多層框架。3.2鉸接連接梁與柱的鉸接連接，又稱為柔性連接。鉸接連接構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力簡(jiǎn)捷、施工方便，在工程中也有廣泛的應(yīng)用。非地震區(qū)多層或高層鋼框架如果用剪力墻一類構(gòu)件承受水平荷載（框架僅承受重力荷載）和提供抗側(cè)剛度的結(jié)構(gòu)體系，梁與柱連接即可采用鉸接方案。鉸接連接只能承受很小的彎矩，要求梁能夠較自由地轉(zhuǎn)動(dòng)，但沒(méi)有線位移，能傳遞剪力和軸力。實(shí)際上絕對(duì)的鉸接是不存在的，節(jié)點(diǎn)板的剛度和螺栓對(duì)梁端的旋轉(zhuǎn)仍有一定的約束度，估計(jì)節(jié)點(diǎn)對(duì)梁轉(zhuǎn)動(dòng)的約束度，約為全剛性抗彎節(jié)點(diǎn)的10%。這些連接能傳遞有限的彎矩，但在設(shè)計(jì)中可不予考慮，他們的延性足以容許被連接梁的充分轉(zhuǎn)動(dòng)。4柱與柱的連接鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝過(guò)程中，由于運(yùn)輸條件的限制，或者柱截面發(fā)生變化，需要將柱和柱拼接起來(lái)。柱的拼接節(jié)點(diǎn)一般都是剛性節(jié)點(diǎn)，為便于現(xiàn)場(chǎng)安裝操作，柱拼接接頭一般設(shè)置在距樓板1.0m~1.3m的位置，同時(shí)避開(kāi)水平荷載下的大彎矩區(qū)?？紤]運(yùn)輸方便及吊裝條件等因素，柱的安裝單元一般采用三層一根，長(zhǎng)度10m~12m左右。根據(jù)設(shè)計(jì)和施工的具體條件，柱的拼接可采用焊接或高強(qiáng)度螺栓連接。焊接接頭沒(méi)有拼接節(jié)點(diǎn)板，傳力簡(jiǎn)潔，外形整齊，節(jié)省材料。但高空焊接作業(yè)，5梁與梁的連接5.1主梁與主梁的拼接主梁的工地拼接，其形式主要有：1）翼緣為全熔透連接，腹板用高強(qiáng)度螺栓連接；2）翼緣和腹板都用高強(qiáng)度螺栓連接；3）翼緣和腹板均為全熔透焊連接。主梁的拼接接頭應(yīng)設(shè)在框架節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)段以外，以及內(nèi)力較小的位置，考慮施工安裝的方便，通常設(shè)在距梁端1.0m~1.6m處。當(dāng)翼緣或腹板均采用全熔透的坡口對(duì)接焊連接，并采用引弧板施焊時(shí)，可視焊縫與翼緣板和腹板是等強(qiáng)的，a.等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。為保證梁截面剛度和強(qiáng)度的連續(xù)性，對(duì)于有抗震設(shè)防要求或按塑性設(shè)計(jì)的梁的拼接，應(yīng)按被連接梁翼緣和腹板的凈截面面積的等強(qiáng)度條件進(jìn)行拼接連接設(shè)計(jì)。b.非等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。對(duì)于無(wú)抗震設(shè)防要求的梁的拼接，可按梁拼接處的實(shí)際內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)。彎矩分別由翼緣和腹板根據(jù)彎矩剛度比分擔(dān)，剪力由腹板承擔(dān)。為保證構(gòu)件的連續(xù)性，即使拼接處的內(nèi)力較小，拼接的強(qiáng)度也不得小于原截面承載力的50%。5.2次梁與主梁的連接次梁與主梁的連接應(yīng)將主梁作為次梁的支點(diǎn)，可有兩種做法：1）將主次梁的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為鉸接，即次梁為簡(jiǎn)支梁；2）將主次梁的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為剛接，此時(shí)，次梁相當(dāng)于連接梁。鉸接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作安裝方便，因而實(shí)際工程中主次梁節(jié)點(diǎn)一般采用鉸接。主次梁剛性連接構(gòu)造和制作上比鉸接連接要復(fù)雜。如果次梁跨數(shù)較多、荷載較大，或者結(jié)構(gòu)為井字梁，或者次梁帶有懸挑梁，則次梁與主梁做成剛性連接可使次梁成為連續(xù)梁，從而可節(jié)約較多的鋼材，并且可減少次梁的撓度。此時(shí)，次梁剪力仍傳給主梁，次梁梁端的彎矩直接在兩相鄰跨的次梁之間傳遞。因此，次梁上翼緣應(yīng)由拼接板跨過(guò)主梁相互連接，或?qū)⒋瘟荷弦砭壟c主梁上翼緣垂直相互焊接，連接的強(qiáng)度可按與次梁截面等強(qiáng)度原則進(jìn)行計(jì)算。6結(jié)語(yǔ)迄今，鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)歷了多次強(qiáng)烈地震的考驗(yàn)，正如人們所預(yù)料的，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能遠(yuǎn)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)越。但是，由于設(shè)計(jì)特別是構(gòu)造上的不當(dāng)，也發(fā)生了一些破壞