建筑工程師職稱論文鋼結構梁柱節點抗震設計

　　【摘要】：鋼結構梁柱節點受力復雜，是結構的薄弱環節，必須引起足夠的重視，本文以下內容將對鋼結構梁柱節點抗震設計進行分析和探討，僅供參考。

　　【關鍵詞】：鋼結構,梁柱節點,抗震設計

　　1、前言

　　改革開放以來,隨著經濟和科技的發展，以及鋼結構具有良好的抗震性能、便于安裝、工期短、輕質高強等特點，其在我國的應用越來越廣泛，如上海的金茂大廈、深圳地王大廈、深圳太平金融大廈等。在鋼結構抗震設計中，梁柱節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構的倒塌，造成財產損失和人員傷亡，必須引起足夠的重視。本文以下內容將對鋼結構梁柱節點抗震設計進行分析和探討，僅供參考。

　　2、鋼結構梁柱節點破壞分析

　　根據作者多年的實踐經驗，認為鋼結構梁柱節點破壞的形態主要有如下幾種：

　　第一，梁翼緣的應力不均勻分布引起的脆性破壞。鋼結構連接主要采用內隔板式、外隔板式和內外隔板式等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，內外隔板式梁柱節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點焊縫處的應力分布極其不均勻，在距離柱邊一個翼緣寬度以外，應力分布逐漸均勻。根據試驗繪制的翼緣應力分布圖，靠近焊縫處梁體中軸線處的應力小，邊緣的應力大;距離節點焊縫距離越遠應力分布越均勻。普通節點在梁端豎向荷載作用下的應力分布圖也可以看出粱的翼緣的應力分布，既邊緣應力大，中間應力小。梁翼緣處出現這種應力分布情況，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變小于中軸線的。在地震作用下，由于這種應力分布的不均勻性，梁將首先從邊緣進入塑性狀態。同時由于鋼材的應變硬化效應，在中軸線處梁翼緣達到屈服應力并剛剛形成塑性鉸或還沒有形成塑性鉸之前，邊緣處的應力可能已經達到『鋼材的極限強度或焊縫的破壞應力，產生裂紋。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，引起梁翼緣應力增加。因此在塑性變形很小的情況下，節點就發生了破壞。

　　第二，焊接質量引起的梁柱連接破壞。在美國Northridge地震中梁柱節點最多的斷裂主要發生在焊透的對接焊縫連接的梁柱節點上，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，這是梁柱節點的主要震害形式。這些破壞形式是由于焊縫質量缺陷使焊接節點發生斷裂破壞造成的。在破壞的節點斷面上可以觀察到熔渣及不完全熔化等現象，這些缺陷是節點脆性破壞的直接原因。而不恰當的焊接T藝容易在材料中產生大的焊接殘余應力，使熱影響區在收縮時產生裂紋，從而造成焊縫的不連續性，這也被認為是梁下翼緣首先出現裂縫的主要原因。

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

　　3、鋼結構梁柱節點抗震設計應注意的問題

　　根據作者多年的實踐經驗，認為鋼結構梁柱節點抗震設計應注意如下幾個方面的問題：

　　第一，選擇合理的鋼結構梁柱節點形式。目前，在實際工程中常用的梁柱節點形式主要有：

　　①梁端加強或加腋式梁柱節點。這兩種節點即為增大梁端及其與鋼柱焊接的截面，使梁端及節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點尚未進入全截面塑性受力狀態時，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點的作用。

　　②梁端削弱式(犬骨式)梁柱節點。其是對靠近梁柱節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點出現塑性鉸，實現塑性鉸外移，起到保護梁柱剛性連接節點的作用，這種處理對節點處結構特性沒有改變，當梁翼緣被削弱50%時，結構剛度降低6%～7%左右;被削弱40%時，降低4%～5%，設計時需考慮剛度變化對整體分析的影響。該節點形式因處理點在鋼梁上，符合“強連接弱桿件”設計思路，對梁柱連接處節點設計、安裝無影響。在構件加工時，處理圓弧削弱要求加工尺寸準確，切割面光滑無尖角，避免應力集中，磨平時應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, 在此原理下產生此種節點。其設計特點為: 能有效地使梁柱節點在地震作用下的塑性鉸外移, 起到保護焊接節點、防止發生脆性破壞的目的; 能夠減小梁與柱翼緣焊接焊縫處的應力集中。從而有利于節點抗震性能的發揮, 使節點的破壞模式從原來的焊縫的塑性屈曲破壞轉變為梁翼緣板的局部屈曲破壞。這種結構的不足之處也是明顯的, 類似狗骨式節點, 也有工藝復雜, 要求精度較高, 在槽型孔底部容易形成應力集中點的問題, 削弱后的腹板在安裝過程中易受到外力沖擊而發生變形。

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

　　第三，采用合理的連接形式。多層及高層鋼結構連接節點的連接，可采用焊接、高強度螺栓連接或將焊接和高強度螺栓連接混合應用，即在一個連接節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。具體的設計中應注意以下幾個方面：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。高強螺栓最小規格M12。常用M16~M30。超大規格的螺栓性能不穩定,應慎重使用。②焊接，對焊接焊縫的尺寸及形式等,規范有強制規定,應嚴格遵守。焊條的選用應和被連接金屬材質適應，E43對應Q235,E50對應Q345。Q235與Q345連接時,應該選擇低強度的E43,而不是E50。焊接設計中不得任意加大焊縫，焊縫的重心應盡量與被連接構件重心接近。其他詳細內容可查規范關于焊縫構造方面的規定。③梁腹板,應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。另外節點設計必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空間及構件吊裝順序等。構件運到現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。接節點的設計不但要遵循簡潔、可靠、便于施工的原則，而且要考慮當前的施工水平，應盡可能使工人能方便的進行現場定位與臨時固定。另外，要注意在多層及高層鋼結構中，構件的內力較大，板件較厚，因此在設計中應注意連接節點的合理構造，避免采用易于產生過大約束應力和層狀撕裂的連接形式和連接方法，使結構具有良好的延性，而且便于加工制造和安裝。

　　第四，應滿足規范規定的抗震構造要求。①梁翼緣與柱翼緣應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，仍應布置二列，且此時螺栓總數不得小于計算值的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;③梁與柱的連宜采用柱貫通型; ⑤柱在梁翼緣對應位置應設置橫向加勁肋，且加勁肋厚度不應小于梁翼緣厚度。

　　4、結尾

　　以上內容首先對鋼結構梁柱節點破壞形態進行了分析，隨后對鋼結構梁柱節點抗震設計應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，作為一名設計人員，應在實踐中不斷總結和學習，只有這樣才能為提高鋼結構梁柱節點抗震設計水平做出更大的貢獻。

　　【參考文獻】

　　[1]《鋼結構設計》張耀春等，高等教育出版社

　　[2] 《鋼結構抗震設計》李愛群等，中國建筑工業出版社

　　[3] 《鋼結構設計原理》蘇彥江等，中國鐵道出版社