高层钢框架结构梁柱节点设计研究

　　摘要：钢结构设计技术在我国的发展比较晚，特别是节点构造设计不仅需要满足强度安全要求，而且需要考虑钢构件的加工、运输、安装和施工质量。根据实际工程条件针对节点设计中的一些技术上的难点，探索一种既安全可靠又经济合理的节点设计技术。
　　关键词：钢结构；节点设计；梁柱节点
　　
　　1.前言
　　随着我国经济的发展和综合国力的增强，近几年钢结构工程的发展势头很猛，其自重轻、强度高、抗震性能好等优点被越来越多的建设单位认可和青睐。但是钢结构设计技术在我国的发展比较晚，我国的钢结构技术在上个世纪九十年代前，缺乏成功实施的工程实例，其节点构造设计远远滞后于国外同行及实际需要，因此，探索一种既安全可靠又经济合理的节点设计技术，是非常必要的。
　　2.工程概况
　　本工程为王府井富阳广场，位于王府井商业步行街的北端，占地1.51万平方米，总建筑面积10万平方米，地下四层，混凝土结构；地上七层，为纯钢结构框架结构。钢结构框架的典型柱网为8.1x8.4米，见图一；钢柱采用截面为500mmx500mm，壁厚30mm～20mm，钢梁主要采用截面高度为480mm的焊接工字钢，翼缘宽180mm～300mm。
　　
　　
　　图一
　　
　　
　　
　　3.节点设计
　　3.1．抗震区的高楼采用钢框架结构体系，其纵横向框架钢梁与钢柱的连接，一般均应为刚性连接，以充分发挥结构整体的抗侧能力，避免竖向抗侧构件的截面过大造成经济上的浪费。
　　王府井富阳广场本工程的框架梁柱节点设计主要从以下几个方面考虑入手。
　　a.强度和塑性要求。
　　b.经济合理。
　　c.便于加工和运输。
　　d.易于施工并保证施工质量。
　　3.2．常规的节点设计一般有栓焊混合连接，全焊接，全栓接几种形式，连接节点型式的确定和设计须考虑多种因素进行比选，针对不同条件分别对待，不可固化。
　　3.3.1栓焊混合连接
　　栓焊混合连接，即为钢梁翼缘与钢柱翼缘之间采用焊缝连接，梁腹板与焊于柱翼缘上的竖向连接板间，采用高强螺栓摩擦型连接。见附图二。此类型梁柱节点设计条件是：由翼缘焊缝抗弯，腹板螺栓连接抗剪。
　　附图二
　　王府井富阳广场工程钢结构框架梁柱节点大部分拟采用此种类型，由于北京地区为8度抗震区，故梁柱翼缘焊缝均为熔透焊缝。
　　常用的工字形截面梁，当处于弹性阶段时，翼缘和腹板分别承担截面受弯承载力的85%和15%，如果再考虑现场焊缝强度的折减系数0.9，翼缘焊缝连接的受弯承载力则仅为梁全截面受弯承载力的77%，此一情况说明：
　　a. 对于梁柱的栓焊连接通常采用的“翼缘焊缝抗弯，腹板螺栓抗剪”的设计假定不适用于抗震结构。
　　b. 腹板螺栓除承受竖向剪力外，还要承受腹板部分弯矩引起的水平剪力，当螺栓不足以承受合成剪力，而产生较大变形时，就会使翼缘焊缝中点附近产生超应力而开裂，出现安全事故。众多的试验结果及美国的框架实例震害都证实了这一点。
　　所以我国的抗震规范规定：
　　①当梁翼缘的塑性截面模量大于梁全截面塑性模量的70%时，
　　可按梁翼缘传递全部弯矩，腹板只传递剪力设计。
　　②当梁翼缘的塑性截面模量小于梁全截面塑性模量的70%时，则应该在梁端的上下翼缘加设楔形盖板，盖板的截面按腹板的抗弯能力确定，也即增大了翼缘的抗弯能力，此时工字梁的连接可按翼缘（连同盖板在内）承受全部弯矩，腹板承受剪力设计，盖板的厚度不得小于6mm，如图三。
　　
　　附图三
　　
　　③抗震规范第8.2.8条规定：梁与柱连接性设计时，梁上下翼缘的端截面应满足连接的弹性设计要求，梁与柱连接的极限受弯、受剪承载力应满足以下公式。
　　
　　且
　　若要满足以上要求，对于此种类型的连接节点，则必须加设盖板，否则绝大部分节点设计计算均无法通过。
　　针对王府井富阳广场钢结构框架结构，经过计算和比较，以及对施工企业施工能力的考察，对其梁柱刚性节点设计，我们主要选用了此种梁柱翼缘在现场熔透焊接、腹板与连接板为高强螺栓摩擦连接、在梁上下翼缘加设楔形盖板的节点设计。这种节点设计的优点在于，钢构件在工厂加工制作简便、效率高，便于运输，施工安装方便，也为现在多数钢结构工程设计及施工所采用。但其缺点是由于楔形盖板的加设在钢材上造成微量的浪费，而且对于现场焊接的施工操作要求比较高。特别是当梁翼缘较厚时，节点焊接须注意应按正确的施焊顺序进行焊接，方可更好地保证焊接质量、消除隐患，如图四所示。这一点在设计中应给予充分考虑，对现场的施工给予严格要求和规定。
　　
　　附图四
　　3.3.2全拴连接
　　在设计的初期，为了方便施工，加快施工进度，减少现场施焊工作量，尝试采用全栓接连接的节点设计，即钢梁通过T形连接件或通过端板与钢柱进行高强螺栓摩擦型连接。如图五。
　　
　　附图五
　　但是经过计算比较及现场施工调研，发现此类节点设计虽然有着安装便捷的优点，但其不利的方面却更多。首先全栓连接在梁柱节点设计内力较大时，连接螺栓个数将会很多，T形连接件或连接端板截面过大，连接节点钢材浪费较多，而且在现有的施工技术条件下，不管是连接接触面的处理，还是高强螺栓的安装实施，其质量均不易得到保证。全栓连接节点处，局部会高出梁面，使钢结构楼板施工困难。
　　综合以上因素的考虑，节点设计上最终摒弃了全栓连接的节点设计。
　　4结论及发展趋势
　　4.1、 对于多高层钢框架结构的梁柱刚性节点的设计，当框架
　　柱网为规则正交，柱网间距接近经济柱距时，梁柱节点应设计成梁柱翼缘现场熔透焊、梁上下翼缘加设楔形盖板，腹板与连接板为高强螺栓摩擦连接的栓焊混合连接节点，以便于加工、运输、安装和保证质量；而对于斜交柱网的非正交梁柱节点，或当柱网跨度较大使钢框架梁的翼缘厚度接近柱翼缘厚度时，则可采取钢梁与柱上悬臂钢短梁栓焊混合连接的节点设计。而无论何种情况下全栓连接节点设计应该慎用或不采用。
　　4.2、美国北岭地震和日本阪神地震经验表明，梁与柱全焊连接的受弯承载力和塑性变形能力均优于栓焊混合连接。采用坡口全熔透焊缝将梁腹板直接焊在柱翼缘上，或是通过较厚连接板焊接，使腹板参与抗弯，从而减小梁翼缘焊缝的应力。随着我们国家施工和加工技术的不断提高，对于如北京地区这样的高裂度抗震区的钢结构梁柱刚性节点，全焊接的节点连接设计应该是一种趋势和方向。
　　参考文献：
　　[1]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].2003[2]徐珂,熊挺,孙惠敏.钢结构梁柱刚性节点抗震设计探讨[J].建筑结构.2006(09)[3]石永久,李兆凡,陈宏,王元清.高层钢框架新型梁柱节点抗震性能试验研究[J].建筑结构学报.2002(03)

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