1、浅析高层钢结构连接节点设计摘要：目前钢结构在国内外的建筑领域已经占据了很大的市场，然而在钢结构的设计中,连接的设计非常重要。以往的发生的震害给人留下的深刻印象，因此钢结构抗震设计中的一些重要问题的研究引起学界高度重视。本文浅析高层钢结构连接节点设计，以供同行参考。 关键词:弹性设计;塑性设计;塑性铰;节点构造 中图分类号：TU291 文献标识码：A 前言：钢结构的连接方法主要为焊缝连接、螺栓连接和高强度螺栓连接。根据受力变形特征,连接又可分为三类:刚性连接、铰接连接、半刚性连接。钢结构连接节点抗震验算主要包括强柱弱梁验算、节点域验算和构件连接验算。次梁与主梁的连接一般设为铰接,可不考虑抗震验算
2、,而在其余需要进行抗震验算的连接节点中,梁与柱的连接最为关键。做好高层钢结构连接节点的设计工作，对建筑有着深远的意义。 1、设计原则和方法 钢结构构件的节点应遵循，强节点弱构件的基本设计原则,保证钢框架梁柱节点在地震作用下少发生甚至不发生脆性破坏,且能充分发挥钢材的塑性性能,使结构整体具有较好的延性。具体设计中采用弹性设计和塑性设计的二次设计法,此法不仅可以保证连接质量,还可以实现连接节点的规格化,方便施工、节约成本。 1.1 弹性设计法 按构件的承载力设计值进行连接节点的承载力验算,这就是俗称的等强设计。同时要保证连接螺栓不得滑移,即螺栓连接的钢板承压型破坏要不先于构件的弹性破坏,以此实现三
3、水准抗震设防中，小震不坏的设防目标，值得注意的是,在等强设计中,利用构件承载力而非设计内力进行连接节点设计。因此,只要构件截面特性和材质确定,构件的承载力即可确定。另外,无论是构件的承载力计算还是连接节点的承载力计算,均使用钢材或连接节点的强度设计值。 1.2 塑性设计法 按连接节点的极限承载力进行二次验算,即要求钢结构抗侧力构件连接节点的极限承载力应大于相连构件的屈服承载力。以此保证节点连接在大震时不先于构件的塑性破坏而破坏,可以使构件的屈服截面避开容易发生脆性破坏的节点区域而位于钢板之中,充分利用钢材的天然延性,提高结构的整体延性,实现三水准抗震设防中，大震不倒的设防目标。必须要注意的是,
4、塑性设计中,计算连接节点承载力时使用连接螺栓或焊缝的强度极限值,而计算构件承载力时使用构件的强度屈服值。这样可以充分利用钢材材料本构关系中的屈服段,既让钢材的塑性性能得到充分发挥,又不至于出现构件的极限破坏,为连接节点留有一定的安全度。 2、钢结构连接方法的发展历程 钢结构工程连接工艺最早采用的是普通螺栓连接,随后才釆用铆钉连接、爆接连接和高强度螺栓连接。 由于螺栓连接紧密性差,滑移大,维护费用高,从上世纪 20 年代开始,螺栓连接在结构中逐渐被铆钉连接所取代。在以后近一百年期间,铆钉连接成为钢结构中最主要的且几乎是唯一的连接方法。 1881 年幵始在工业上应用弧揮。本世纪初出现了用电掉将板连
5、接的方法。20 年代,揮接开始用于建筑钢结构。 高强螺栓的首次试验是 1938 年在美国进行的。1951 年美国制订了第一本高强螺栓规范。在美国研究和普及的推动下,德国和日本几乎同时于50 年代开始对高强螺栓进行研究,并分别于 1956 年和 1964 年制。 目前,钢结构中用得最多的是辉接和高强度螺栓连接。 3、梁柱节点抗震构造 3.1 梁塑性较外移 为了减少梁柱连接在强震下的破坏,国内外普遍采用梁塑性铰外移的方式,常用的塑性铰外移方式有以下几种： 1)梁端加强型连接,如翼缘加宽式，盖板式等,以此增大焊缝的抗弯能力。国内设计和 施工人员倾向采用翼缘加宽或盖板式连接,认为加强型连接对钢材利用更
6、有利;其缺点是为了满足强柱弱梁的要求,必须增大框架柱的截面。 3)悬臂梁段连接,即悬臂梁段与柱采用全焊连接,在梁塑性铰区段外采用梁梁拼接的连接形式。其优点是可以将复杂连接构造放在工厂加工,节点质量比现场施工精度高,可以较好地保证连接破坏不先于梁塑性破坏;其缺点是连接钢材和螺栓用量较大、造价高。 3.2 其余抗震构造 梁与柱刚性连接时,柱在梁翼缘上下各 500的节点范围内,柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的连接焊缝应采用全熔透坡口焊缝,以此保证罕遇地震下进人塑性区的框架节点的整体性。 4 梁梁拼接与柱柱拼接 4.1 梁梁拼接 当设置悬臂梁段时,梁柱连接变为梁梁拼接。由于拼接处的钢梁应力比较小,为满
7、足拼接节点传力的连续性以及统一节点形式,应采用等强度设计法进行计算。为便于运输,其拼接点距离柱边不应太远,宜取在 1/10跨长和 2 倍梁高塑性铰区段外。理论上,当梁梁拼接节点设在梁塑性铰区段外时,2011 版抗震规范公式关于梁梁拼接的塑性验算可不进行,只需按弹性法进行等强设计即可。当梁梁拼接节点设在梁塑性铰区段内时,仍应分二次设计法进行设计,具体思路同梁柱连接。 4.2 柱柱拼接 经验和研究证明, 取 1.3m 和 1/2 柱净高二者的较小值此位置在梁柱节点塑性区域外,受力较小。同时,上下柱的对接接头应采用全熔透焊缝,柱拼接接头上下各 100mm 范围内,工字型柱翼缘与腹板间及箱型柱角部壁板
8、间的焊缝,这时应采用全熔透焊缝“与梁梁拼接相同,当柱柱拼接节点设在塑性铰区段外时,2010 版抗震规范公式关于柱柱拼接的塑性验算也可不进行,只需按弹性法进行等强设计即可。当柱柱拼接节点设在塑性铰区段内时,仍应分为二次设计法进行设计,具体思路同梁柱连接节点。 5、 梁与梁的连接 5.2 次梁与主梁的连接 次梁与主梁的连接应将主梁作为次梁的支点，可有两种做法：（1）将主次梁的节点设计为铰接，即次梁为简支梁；（2）将主次梁的节点设计为刚接，此时，次梁相当于连接梁。铰接节点构造简单，制作安装方便，因而实际工程中主次梁节点一般采用铰接。主次梁刚性 连接构造和制作上比铰接连接要复杂。 6、 抗震剪力墙与框
9、架的连接 在高层钢结构框架中，除支撑外，常采用带缝剪力墙和内藏钢板支撑剪力墙等作为抗侧 力构件，人为控制刚度，增加耗能效果。 6.1 钢筋混凝土带缝剪力墙的形式分开竖缝剪力墙和开水平缝剪力墙两种，常用的为开 竖缝剪力墙。 开竖缝剪力墙是一定的间隔沿竖向设置许多缝，形成缝间墙。缝间墙的受力情况与固端梁相似，从而把性能“强而脆”的剪力墙变成具有延性的构件，在设计上则是控制缝间墙的受弯而不是受剪破坏。 带缝剪力墙的墙板是预制的，墙板与柱之间没有连接，仅用砂浆填塞。墙的上端以连接件与钢梁用高强度螺栓连接，墙的下端沿全长埋置于现浇钢筋混凝土楼板中，钢梁上的抗剪 栓钉和抗剪连接件的设计，座使其能充分传递墙
10、的剪力。 6.2 内藏钢板支撑钢筋混凝土剪力墙，钢板支撑预埋在钢筋混凝土墙板内，墙板周边与 框架梁柱留有一定的空隙( 侧面空隙 25mm)，仅通过钢板支撑在节点处与框架相连。内藏钢 板支撑虽然很薄 (12-19mm)，但外包混凝土墙体和螺旋箍筋能有效地约束钢板支撑的屈曲， 从而大大提高钢板支撑抵抗反复荷载作用的能力， 改善了结构体系的抗震性能，成为一种延性很好的抗侧力结构。 结语 设计特别是构造上的不当，会发生了一些破坏，为了保证结构可靠性，节点的设计是整个钢结构设计工作的重要环节。由于设计问题的复杂性,目前研究成果远未达到成熟阶段,因而需要各国学者联合起来不懈努力去完成。因为预应力钢结构建筑造型新颖!结构性能可靠、材料利用充分、符合绿色创新结构体系的要求。因此,可以依据预应力钢结构中预应力的作用,深人研究基础结构成型理论,以创新建筑结构体系为目标 。 参考文献 【1】月林同炎.预应力混凝土结构 7M.北京:中国铁道出版社,1983. 【2】吕志涛.现代预应力结构体系与设计方法M8.南京:江苏科学技术出版社,2010. 【3】预应力钢结构专题研究工作材料G 了.北京:冶金部建筑研究总院卷宗保管 5708,1957. 【4】张汝骤.预应力钢结构(讲稿)7G8.北京:冶金部建筑研究总院档案编号结字 15 一 49.1959.
