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钢结构节点设计中应注意的主要问题探讨
作者: 发布于:2013-11-14 16:55:35 点击量:
由于钢结构具有强度高、重量小、抗震性能好、施工速度快等优点,同时在设计上灵活方便,容易实现通风、采光的要求,近年来在民用及商用的中低层、高层及超高层建筑中得到了越来越广泛的应用。而实际表明,钢结构的破坏往往是焊接钢框架连接节点的广泛破坏所引起的,以往的室内试验及现场检验发现,节点破坏与加劲板、补强板附加焊缝等的变动没有直接关系,其破坏的直接原因是节点本身存在根本性缺陷。因此在设计过程中,除了要满足结构整体计算要求、保证结构整体受力合理外,更不能忽视数量巨大的细小节点的设计。
2节点连接的主要形式及其特点
建筑钢结构的节点连接可采用焊接、高强度螺栓连接,也可采用焊接与高强度螺栓的混合连接。
1)焊接连接
焊接连接的传力最充分,有足够的延性,但焊接连接存在较大的残余应力,对节点的抗震设计不利。焊接连接可采用全熔透或部分熔透焊缝。但对要求与母材等强的连接和框架节点塑性区段的焊接连接,必须采用全熔透的焊接连接。
2)高强度螺栓连接
高层钢结构承重构件的高强度螺栓连接应采用摩擦型。高强度螺栓连接施工方便,但连接尺寸过大,因而造价较高,且在大震下容易产生滑移。
对于抗震设计的结构,摩擦型高强度螺栓连接在罕遇地震作用下,考虑高强度螺栓连接间的摩擦力已被克服,此时连接的抗剪承载力取决于螺栓的抗剪能力,故高强度螺栓的最大抗剪承载力需按下式计算:
式中:——一个高强度螺栓的最大抗剪承载力;
n——连接的剪切面数目;
——螺栓螺纹处的净截面面积;
——螺栓钢材的极限抗拉强度最小值。
3)栓—焊混合连接
栓—焊混合连接在高层钢结构中应用最普遍,一般受力较大的翼缘部分采用焊接,腹板采用高强度螺栓。这种连接可以兼顾两者的优点,在施工上也具有优越性。由于施工时一般先用螺栓定位然后对翼缘施焊,翼缘焊接时会对螺栓预拉力有一定降低,因而腹板连接的高强度螺栓数目应留有富裕。
3节点设计中应注意的主要问题
3.1节点设计的基本原则
钢结构的节点设计是结构设计的重要环节,一般应遵循以下原则:
1)节点传力应力求简洁明了,受力的计算分析模型应与节点的实际受力情况一致,节点构造应尽量与设计计算的假定相符合;
2)保证节点连接有足够的强度和刚度,避免由于节点强度或刚度不足而导致整体结构破坏;
3)节点连接应具有良好的延性,避免采用约束程度大和易产生层状撕裂的连接形式,以利于抗震;
4)尽量简化节点构造,以便于加工、安装时的就位和调整,并减少用钢量;
5)尽可能减少工地拼装的工作量,以保证节点质量并提高工作效率。
3.2梁与柱的连接
建筑钢结构中梁与柱的连接一般采用刚性连接,其构造形式有柱贯通式和梁贯通式两种,通常采用柱贯通式。梁与柱的刚性连接不仅要求连接节点能可靠地传递剪力,而且能够有效地传递弯矩。为使翼缘连接焊缝能在平焊位置施焊,要在柱侧焊上衬板,同时在梁腹板端部预先留出槽口,上槽口是为了让出衬板的位置,下槽口是为了满足施焊的要求。
框架梁与柱刚性连接时,应在梁翼缘的对应位置设置柱的水平加劲肋。对抗震设防的结构,水平加劲肋应与梁翼缘等厚。对非抗震设防的结构,水平加劲肋应能传递梁翼缘的集中力,其厚度不得小于梁翼缘厚度的1/2,并应符合板件宽厚比限值。水平加劲肋的中心线应与梁翼缘的中心线对齐。当柱两侧的梁高不等时,对应两个方向的梁翼缘处均设置柱的水平加劲肋。加劲肋间距不应小于150mm,且不应小于水平加劲肋的宽度。当不能满足此要求时,应调整梁的端部宽度,将截面高度较小的梁腹板高度局部加大。当与柱相连的梁在柱的两个相互垂直的方向高度不等时,同样也应分别设置柱的水平加劲肋。
梁与柱的连接除了验算节点处在弯矩的剪力作用下的承载力外,尚需进行节点域的抗剪强度计算。在周边弯矩和剪力的作用下,H型截面柱节点的剪应力为:
为简化计算,可略去第二项(略去第二项虽使剪应力偏高,但考虑边缘构件的存在,节点域的抗剪强度应有较大提高),则节点域的抗剪强度可按下式计算:
式中:Mb1、Mb2——节点域两侧梁端弯矩设计值;
——节点域腹板体积;
——钢材的抗剪强度设计值。
抗震设计的结构节点域的承载力尚应符合下式要求:
其中,——抗震系数,6度设防Ⅳ类场地和7度设防的结构可取0.6,按8、9度设防的结构可取0.7。
当节点域的厚度不满足上述要求时,应将节点域的柱腹板局部加厚或加焊贴板。
3.3柱与柱的连接
柱的连接主要指工地拼接,常用的连接方法有对齐坡口焊接以及高强度螺栓与焊缝的混合连接。
非抗震设防的高层建筑钢结构,当柱的弯矩较小且不产生拉力时,若将柱的上下端磨平顶紧,则可能通过接触面直接传递25%的压力和25%的弯矩,因而可采用部分熔透焊缝。但坡口焊缝的有效深度不宜小于厚度的1/2。
柱截面改变时,应优先采用保持截面高度不变而只改变翼缘厚度的方法。若必须改变截面高度时,对边柱宜采用图3-1(a)的做法,不影响贴挂外墙板,但应考虑上下柱偏心产生的附加弯矩。对内柱宜采用图3-1(b)的做法,变截面的上下端均应设隔板。当变截面段位于梁柱接头时,变截面两端距梁翼缘不宜小于150mm。
(a)(b)
图3-1柱的变截面连接
此外,梁与梁的连接主要指主梁的工地接头和主梁与次梁的连接。主梁的工地接头主要采用柱带悬臂梁段与梁的连接形式。次梁与主梁的连接宜采用铰接连接,将次梁搁在主梁上面,用螺栓或焊接连接。


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