建筑工程師職稱論文鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點抗震設(shè)計

　　【摘要】：鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點受力復雜，是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，必須引起足夠的重視，本文以下內(nèi)容將對鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點抗震設(shè)計進行分析和探討，僅供參考。

　　【關(guān)鍵詞】：鋼結(jié)構(gòu),梁柱節(jié)點,抗震設(shè)計

　　1、前言

　　改革開放以來,隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展，以及鋼結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能、便于安裝、工期短、輕質(zhì)高強等特點，其在我國的應(yīng)用越來越廣泛，如上海的金茂大廈、深圳地王大廈、深圳太平金融大廈等。在鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，梁柱節(jié)點是需要著重考慮的組成部分，由于其受力復雜、施工繁雜，而一旦破壞則甚至能引起整個建筑結(jié)構(gòu)的倒塌，造成財產(chǎn)損失和人員傷亡，必須引起足夠的重視。本文以下內(nèi)容將對鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點抗震設(shè)計進行分析和探討，僅供參考。

　　2、鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點破壞分析

　　根據(jù)作者多年的實踐經(jīng)驗，認為鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點破壞的形態(tài)主要有如下幾種：

　　第一，梁翼緣的應(yīng)力不均勻分布引起的脆性破壞。鋼結(jié)構(gòu)連接主要采用內(nèi)隔板式、外隔板式和內(nèi)外隔板式等3種方式，而在工程實際中普遍使用的是第3種連接，在大量的地震中，內(nèi)外隔板式梁柱節(jié)點的脆性破壞都是從焊縫端部的焊趾開始。同時，試驗表明梁體的翼緣在靠近節(jié)點焊縫處的應(yīng)力分布極其不均勻，在距離柱邊一個翼緣寬度以外，應(yīng)力分布逐漸均勻。根據(jù)試驗繪制的翼緣應(yīng)力分布圖，靠近焊縫處梁體中軸線處的應(yīng)力小，邊緣的應(yīng)力大;距離節(jié)點焊縫距離越遠應(yīng)力分布越均勻。普通節(jié)點在梁端豎向荷載作用下的應(yīng)力分布圖也可以看出粱的翼緣的應(yīng)力分布，既邊緣應(yīng)力大，中間應(yīng)力小。梁翼緣處出現(xiàn)這種應(yīng)力分布情況，主要是由于梁腹板對翼緣的嵌固作用導致梁邊緣部位的應(yīng)變小于中軸線的。在地震作用下，由于這種應(yīng)力分布的不均勻性，梁將首先從邊緣進入塑性狀態(tài)。同時由于鋼材的應(yīng)變硬化效應(yīng)，在中軸線處梁翼緣達到屈服應(yīng)力并剛剛形成塑性鉸或還沒有形成塑性鉸之前，邊緣處的應(yīng)力可能已經(jīng)達到『鋼材的極限強度或焊縫的破壞應(yīng)力，產(chǎn)生裂紋。另外在梁腹板與柱連接處沒有豎向加勁肋，由于柱翼緣平面外的彎曲變形使得梁腹板承受的彎矩減小，引起梁翼緣應(yīng)力增加。因此在塑性變形很小的情況下，節(jié)點就發(fā)生了破壞。

　　第二，焊接質(zhì)量引起的梁柱連接破壞。在美國Northridge地震中梁柱節(jié)點最多的斷裂主要發(fā)生在焊透的對接焊縫連接的梁柱節(jié)點上，多為脆性斷裂，破壞形式有下列幾種：①裂縫從焊趾處向梁腹板擴展;②裂縫穿過柱翼緣向腹板擴展;③裂縫從下翼緣墊板與柱的連接處向柱翼緣中部擴展，甚至使翼緣劈裂;④下翼緣焊縫與柱子翼緣完全脫或下翼緣焊縫裂縫一直擴展到柱腹板或梁腹板，這是梁柱節(jié)點的主要震害形式。這些破壞形式是由于焊縫質(zhì)量缺陷使焊接節(jié)點發(fā)生斷裂破壞造成的。在破壞的節(jié)點斷面上可以觀察到熔渣及不完全熔化等現(xiàn)象，這些缺陷是節(jié)點脆性破壞的直接原因。而不恰當?shù)暮附覶藝容易在材料中產(chǎn)生大的焊接殘余應(yīng)力，使熱影響區(qū)在收縮時產(chǎn)生裂紋，從而造成焊縫的不連續(xù)性，這也被認為是梁下翼緣首先出現(xiàn)裂縫的主要原因。

　　第三，塑性鉸范圍小引起的整個節(jié)點的脆性破壞。鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本原則是“強柱弱梁，強點強錨固”。但是在強調(diào)節(jié)點強度的同時忽略了節(jié)點的延性。在地震作用下梁柱節(jié)點處的粱首先屈服，形成延性很好的塑性鉸。這段塑性鉸區(qū)也包括靠近節(jié)點處的一小段梁翼緣。盡管鋼材具有很好的延性性能，但因為節(jié)點處延性較差，因此會在塑性鉸形成前焊縫處的應(yīng)力就達到了焊縫的破壞應(yīng)力或是端部翼緣達到粱鋼材的極限強度，造成節(jié)點的脆性破壞。因此在設(shè)計時，要保證節(jié)點塑性區(qū)的長度范圍，以使鋼材的延性充分發(fā)揮。

　　3、鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點抗震設(shè)計應(yīng)注意的問題

　　根據(jù)作者多年的實踐經(jīng)驗，認為鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點抗震設(shè)計應(yīng)注意如下幾個方面的問題：

　　第一，選擇合理的鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點形式。目前，在實際工程中常用的梁柱節(jié)點形式主要有：

　　①梁端加強或加腋式梁柱節(jié)點。這兩種節(jié)點即為增大梁端及其與鋼柱焊接的截面，使梁端及節(jié)點承載能力高于正常鋼梁截面承載能力，在地震作用下，加強的梁端及梁柱節(jié)點尚未進入全截面塑性受力狀態(tài)時，接近梁端的正常鋼梁截面因截面較小，先形成塑性鉸，從而起到保護梁柱剛性連接節(jié)點的作用。

　　②梁端削弱式(犬骨式)梁柱節(jié)點。其是對靠近梁柱節(jié)點的鋼梁翼緣進行圓弧削弱，在地震作用下，翼緣削弱處先于梁柱節(jié)點出現(xiàn)塑性鉸，實現(xiàn)塑性鉸外移，起到保護梁柱剛性連接節(jié)點的作用，這種處理對節(jié)點處結(jié)構(gòu)特性沒有改變，當梁翼緣被削弱50%時，結(jié)構(gòu)剛度降低6%～7%左右;被削弱40%時，降低4%～5%，設(shè)計時需考慮剛度變化對整體分析的影響。該節(jié)點形式因處理點在鋼梁上，符合“強連接弱桿件”設(shè)計思路，對梁柱連接處節(jié)點設(shè)計、安裝無影響。在構(gòu)件加工時，處理圓弧削弱要求加工尺寸準確，切割面光滑無尖角，避免應(yīng)力集中，磨平時應(yīng)順翼緣長度方向加工，對加工工藝有較高要求。

　　③腹板開槽型節(jié)點：實驗和理論研究表明, 腹板上開槽對腹板的削弱和梁的彈性階段的荷載—位移曲線影響不十分明顯, 在此原理下產(chǎn)生此種節(jié)點。其設(shè)計特點為: 能有效地使梁柱節(jié)點在地震作用下的塑性鉸外移, 起到保護焊接節(jié)點、防止發(fā)生脆性破壞的目的; 能夠減小梁與柱翼緣焊接焊縫處的應(yīng)力集中。從而有利于節(jié)點抗震性能的發(fā)揮, 使節(jié)點的破壞模式從原來的焊縫的塑性屈曲破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榱阂砭壈宓木植壳茐摹＿@種結(jié)構(gòu)的不足之處也是明顯的, 類似狗骨式節(jié)點, 也有工藝復雜, 要求精度較高, 在槽型孔底部容易形成應(yīng)力集中點的問題, 削弱后的腹板在安裝過程中易受到外力沖擊而發(fā)生變形。

　　第二，在整體設(shè)計階段，要重視抗震概念設(shè)計的思想應(yīng)用，在整體設(shè)計時就要預先考慮到節(jié)點的構(gòu)造做法，看其是否能滿足整體設(shè)計的假定;在節(jié)點設(shè)計時，要緊扣規(guī)范，規(guī)范規(guī)定的承載力要求、構(gòu)造要求必須滿足，如梁柱節(jié)點的極限受彎、受剪承載力要求。這都是實現(xiàn)“強節(jié)點弱桿件” 抗震概念設(shè)計思想的保證。現(xiàn)在，新的抗震規(guī)范已經(jīng)開始實施，極限承載力的放大系數(shù)比以前有所提高，不再局限于1.2。

　　第三，采用合理的連接形式。多層及高層鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的連接，可采用焊接、高強度螺栓連接或?qū)⒑附雍透邚姸嚷菟ㄟB接混合應(yīng)用，即在一個連接節(jié)點中各自的連接面上，分別采用焊接連接和高強度螺栓連接。具體的設(shè)計中應(yīng)注意以下幾個方面：①栓接，高強螺栓,使用日益廣泛。常用8.8和10.9兩個強度等級。根據(jù)受力特點分承壓型和摩擦型。兩者計算方法不同。高強螺栓最小規(guī)格M12。常用M16~M30。超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定,應(yīng)慎重使用。②焊接，對焊接焊縫的尺寸及形式等,規(guī)范有強制規(guī)定,應(yīng)嚴格遵守。焊條的選用應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng)，E43對應(yīng)Q235,E50對應(yīng)Q345。Q235與Q345連接時,應(yīng)該選擇低強度的E43,而不是E50。焊接設(shè)計中不得任意加大焊縫，焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近。其他詳細內(nèi)容可查規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定。③梁腹板,應(yīng)驗算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強螺栓連接還需驗算孔壁局部承壓。另外節(jié)點設(shè)計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。構(gòu)件運到現(xiàn)場無法安裝是初學者長犯的錯誤。④連接板,需驗算栓孔削弱處的凈截面抗剪等。連接板厚度可簡單取為梁腹板厚度加4mm，則除短梁或有較大集中荷載的梁外，常不需驗算抗剪。接節(jié)點的設(shè)計不但要遵循簡潔、可靠、便于施工的原則，而且要考慮當前的施工水平，應(yīng)盡可能使工人能方便的進行現(xiàn)場定位與臨時固定。另外，要注意在多層及高層鋼結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件的內(nèi)力較大，板件較厚，因此在設(shè)計中應(yīng)注意連接節(jié)點的合理構(gòu)造，避免采用易于產(chǎn)生過大約束應(yīng)力和層狀撕裂的連接形式和連接方法，使結(jié)構(gòu)具有良好的延性，而且便于加工制造和安裝。

　　第四，應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定的抗震構(gòu)造要求。①梁翼緣與柱翼緣應(yīng)采用全熔透坡口焊縫;②當梁翼緣的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70%時，梁腹板與柱的連接螺栓不得小于二列，當計算僅需一列時，仍應(yīng)布置二列，且此時螺栓總數(shù)不得小于計算值的1.5倍;④柱在兩個互相垂直的方向都與梁剛接時，宜采用箱形截面，當僅在一方向剛接時，宜采用工字型截面，并將柱腹板置于剛接框架平面內(nèi);③梁與柱的連宜采用柱貫通型; ⑤柱在梁翼緣對應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置橫向加勁肋，且加勁肋厚度不應(yīng)小于梁翼緣厚度。

　　4、結(jié)尾

　　以上內(nèi)容首先對鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點破壞形態(tài)進行了分析，隨后對鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點抗震設(shè)計應(yīng)注意的問題進行了研究和探討，表達了自己的觀點，提出了自己的見解。但是作者深知，作為一名設(shè)計人員，應(yīng)在實踐中不斷總結(jié)和學習，只有這樣才能為提高鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點抗震設(shè)計水平做出更大的貢獻。

　　【參考文獻】

　　[1]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計》張耀春等，高等教育出版社

　　[2] 《鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》李愛群等，中國建筑工業(yè)出版社

　　[3] 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》蘇彥江等，中國鐵道出版社