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

　　【摘要】：鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)受力復(fù)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(diǎn)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探討，僅供參考。

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

　　1、前言

　　改革開放以來,隨著經(jīng)濟(jì)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(qiáng)等特點(diǎn)，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(jì)中，梁柱節(jié)點(diǎn)是需要著重考慮的組成部分，由于其受力復(fù)雜、施工繁雜，而一旦破壞則甚至能引起整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的倒塌，造成財(cái)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(diǎn)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探討，僅供參考。

　　2、鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)破壞分析

　　根據(jù)作者多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)的脆性破壞都是從焊縫端部的焊趾開始。同時(shí)，試驗(yàn)表明梁體的翼緣在靠近節(jié)點(diǎn)焊縫處的應(yīng)力分布極其不均勻，在距離柱邊一個(gè)翼緣寬度以外，應(yīng)力分布逐漸均勻。根據(jù)試驗(yàn)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(diǎn)焊縫距離越遠(yuǎn)應(yīng)力分布越均勻。普通節(jié)點(diǎn)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(dǎo)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(jìn)入塑性狀態(tài)。同時(shí)由于鋼材的應(yīng)變硬化效應(yīng)，在中軸線處梁翼緣達(dá)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(dá)到『鋼材的極限強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(kuò)展;②裂縫穿過柱翼緣向腹板擴(kuò)展;③裂縫從下翼緣墊板與柱的連接處向柱翼緣中部擴(kuò)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(kuò)展到柱腹板或梁腹板，這是梁柱節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)生斷裂破壞造成的。在破壞的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)脆性破壞的直接原因。而不恰當(dāng)?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(shí)產(chǎn)生裂紋，從而造成焊縫的不連續(xù)性，這也被認(rèn)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(gè)節(jié)點(diǎn)的脆性破壞。鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則是“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)點(diǎn)強(qiáng)錨固”。但是在強(qiáng)調(diào)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的同時(shí)忽略了節(jié)點(diǎn)的延性。在地震作用下梁柱節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處的一小段梁翼緣。盡管鋼材具有很好的延性性能，但因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處延性較差，因此會在塑性鉸形成前焊縫處的應(yīng)力就達(dá)到了焊縫的破壞應(yīng)力或是端部翼緣達(dá)到粱鋼材的極限強(qiáng)度，造成節(jié)點(diǎn)的脆性破壞。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要保證節(jié)點(diǎn)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(diǎn)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

　　根據(jù)作者多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)注意如下幾個(gè)方面的問題：

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

　　①梁端加強(qiáng)或加腋式梁柱節(jié)點(diǎn)。這兩種節(jié)點(diǎn)即為增大梁端及其與鋼柱焊接的截面，使梁端及節(jié)點(diǎn)承載能力高于正常鋼梁截面承載能力，在地震作用下，加強(qiáng)的梁端及梁柱節(jié)點(diǎn)尚未進(jìn)入全截面塑性受力狀態(tài)時(shí)，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(hù)梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)的作用。

　　②梁端削弱式(犬骨式)梁柱節(jié)點(diǎn)。其是對靠近梁柱節(jié)點(diǎn)的鋼梁翼緣進(jìn)行圓弧削弱，在地震作用下，翼緣削弱處先于梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)塑性鉸，實(shí)現(xiàn)塑性鉸外移，起到保護(hù)梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)的作用，這種處理對節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)特性沒有改變，當(dāng)梁翼緣被削弱50%時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度降低6%～7%左右;被削弱40%時(shí)，降低4%～5%，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮剛度變化對整體分析的影響。該節(jié)點(diǎn)形式因處理點(diǎn)在鋼梁上，符合“強(qiáng)連接弱桿件”設(shè)計(jì)思路，對梁柱連接處節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、安裝無影響。在構(gòu)件加工時(shí)，處理圓弧削弱要求加工尺寸準(zhǔn)確，切割面光滑無尖角，避免應(yīng)力集中，磨平時(shí)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(diǎn)：實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)為: 能有效地使梁柱節(jié)點(diǎn)在地震作用下的塑性鉸外移, 起到保護(hù)焊接節(jié)點(diǎn)、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(diǎn)抗震性能的發(fā)揮, 使節(jié)點(diǎn)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(diǎn), 也有工藝復(fù)雜, 要求精度較高, 在槽型孔底部容易形成應(yīng)力集中點(diǎn)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(jì)階段，要重視抗震概念設(shè)計(jì)的思想應(yīng)用，在整體設(shè)計(jì)時(shí)就要預(yù)先考慮到節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造做法，看其是否能滿足整體設(shè)計(jì)的假定;在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，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(diǎn)的極限受彎、受剪承載力要求。這都是實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件” 抗震概念設(shè)計(jì)思想的保證。現(xiàn)在，新的抗震規(guī)范已經(jīng)開始實(shí)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(diǎn)的連接，可采用焊接、高強(qiáng)度螺栓連接或?qū)⒑附雍透邚?qiáng)度螺栓連接混合應(yīng)用，即在一個(gè)連接節(jié)點(diǎn)中各自的連接面上，分別采用焊接連接和高強(qiáng)度螺栓連接。具體的設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：①栓接，高強(qiáng)螺栓,使用日益廣泛。常用8.8和10.9兩個(gè)強(qiáng)度等級。根據(jù)受力特點(diǎn)分承壓型和摩擦型。兩者計(jì)算方法不同。高強(qiáng)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(qiáng)制規(guī)定,應(yīng)嚴(yán)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(shí),應(yīng)該選擇低強(qiáng)度的E43,而不是E50。焊接設(shè)計(jì)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(xì)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(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局部承壓。另外節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(yùn)到現(xiàn)場無法安裝是初學(xué)者長犯的錯(cuò)誤。④連接板,需驗(yàn)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(yàn)算抗剪。接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)不但要遵循簡潔、可靠、便于施工的原則，而且要考慮當(dāng)前的施工水平，應(yīng)盡可能使工人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場定位與臨時(shí)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(jì)中應(yīng)注意連接節(jié)點(diǎn)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(dāng)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(shí)，梁腹板與柱的連接螺栓不得小于二列，當(dāng)計(jì)算僅需一列時(shí)，仍應(yīng)布置二列，且此時(shí)螺栓總數(shù)不得小于計(jì)算值的1.5倍;④柱在兩個(gè)互相垂直的方向都與梁剛接時(shí)，宜采用箱形截面，當(dāng)僅在一方向剛接時(shí)，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(diǎn)破壞形態(tài)進(jìn)行了分析，隨后對鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題進(jìn)行了研究和探討，表達(dá)了自己的觀點(diǎn)，提出了自己的見解。但是作者深知，作為一名設(shè)計(jì)人員，應(yīng)在實(shí)踐中不斷總結(jié)和學(xué)習(xí)，只有這樣才能為提高鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)水平做出更大的貢獻(xiàn)。

　　【參考文獻(xiàn)】

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

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

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