南方某大酒店擴建工程節(jié)點設計

鄭 正，李文興

(桂林理工大學土木與建筑學院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

建筑物加固、改造工程是一項技術性很強的工作，然而節(jié)點設計又是整個設計的關鍵環(huán)節(jié)，所以設計過程中對節(jié)點設計要求很高，一般的節(jié)點連接形式的確定應遵守以下原則：a.在節(jié)點處內力傳遞簡捷明確，安全可靠；b.確保連接節(jié)點有足夠的強度和剛度；當有抗震設防時，節(jié)點的承載力應按有關規(guī)定大于桿件(梁、柱、斜桿)的承載力.c.節(jié)點加工簡單、施工安裝方便；d.應該是經(jīng)濟合理的.

1 工程概況

南方某大酒店為一框架結構，在二層設有一面積為6.5 m 12.0 m的天井.本工程是把天井進行改造，把它改造成幾個獨立的房間，改造目的：可以充分利用使用面積，從而增加酒店房間數(shù)量，造成更多的經(jīng)濟效益.改造結構圖如圖1.

圖1 改造后平面布置圖

2 節(jié)點設計

節(jié)點作為傳遞內力構件，其受力比較復雜，是應力集中區(qū)域，但主要是承受剪力和壓力的組合作用，只要防止節(jié)點過早地出現(xiàn)剪切和壓縮的脆性破壞，梁柱構件的延性設計才有實際意義，所以在整個設計工程中，首先要實現(xiàn)強節(jié)點的設計理念，以抵抗相鄰構件承受的各種荷載，保證整個結構體系堅固和安全可靠；在實際工程中，節(jié)點細部構造設計要細致，施工要精心，不然容易給工程留下隱患.本工程新增構件與原結構的連接，是屬于型鋼暗牛腿的設計范疇，在原結構與新增構件交接處設置角鋼，就是將角鋼直接伸出來而不用混凝土包裹，直接做成暗牛腿，梁端的剪力可以直接通過牛腿傳遞，彎矩也可以通過梁端和牛腿頂部設置的預埋件傳遞[4].節(jié)點處采用型鋼作為傳遞內力構件，是因為鋼材具有良好的力學性能和較高的強度，能做到使構件穩(wěn)定、受力明確；鋼材又是很好的勻質材料，制成的構件延性好，結構施工速度快，這遵循了施工方便、經(jīng)濟合理等設計原則.

2.1 新增板與原結構梁連接

在節(jié)點設計過程中，主要進行型鋼和螺栓設計，根據(jù)連接型鋼和螺栓的物理性能的不同，型鋼連接節(jié)點的極限承載力狀態(tài)有很大的不同，此種連接達到極限承載力時，主要產(chǎn)生的是型鋼剪切破壞和螺栓剪切破壞等幾種破壞形式，在設計時，應按下列承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行設計：1)承載能力極限狀態(tài)包括：構件和連接強度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續(xù)承載，結構和構件喪失穩(wěn)定，結構轉變?yōu)闄C動體系和結構傾覆.2)正常使用極限狀態(tài)包括：影響結構、構件和非結構構件正常使用或外觀的變形，影響正常使用的振動，影響正常使用或耐久性能的局部損壞.

2.1.1 型鋼設計 在本工程中節(jié)點的屈服主要就是角鋼的破壞，因此角鋼強度對節(jié)點強度有很大的影響，然而隨著角鋼強度的增大，連接的剛度、承載能力得到了顯著的提高，故在設計時，要優(yōu)先保證有足夠的角鋼厚度，較大的角鋼厚度，還可以減小螺栓由于受拉而引起的撬力.

本工程節(jié)點處型鋼規(guī)格為L100×10的通長角鋼，以確保有足夠的強度，每隔0.4 m還布置規(guī)格為-80×80×10的橫向加勁肋，加勁肋設置的目的：可以防止受力作用下的局部失穩(wěn)和保證節(jié)點處內力更好的傳遞.

2.1.2 螺栓設計 角鋼與混凝土梁的連接，采用普通螺栓釘入混凝土梁內，而對角鋼固定，通過對螺栓連接工作機理分析知道，普通螺栓連接時的荷載是通過螺栓桿受剪，連接板孔壁受壓來傳遞的，由于在連接螺栓和連接板之間有間隙，接頭受力后會產(chǎn)生較大的滑移變形，因此，遇有受力較大的結構或動荷載的結構時，應用精制螺栓以減小接頭的變形量.在螺栓設計過程中：1)螺栓直徑應結合連接受力需要和螺栓排列，緊固厚度等構造要求進行考慮，不宜太大，亦不宜太小，小直徑螺栓的緊固力將很難使板疊貼緊，但直徑太大亦會使握持和緊固不便，這些現(xiàn)象都會影響連接受力性能；2)根據(jù)受力情況對螺栓進行計算，按連接承受的單個螺栓承載力求出需要的螺栓數(shù)目，然后按排列要求進行布置；3)最后對構件開孔截面的凈截面強度進行驗算.其節(jié)點連接結構大樣圖(如圖2).

圖2 板與原結構梁連接節(jié)點大樣圖

2.2 新增結構梁與原結構梁(柱)連接

節(jié)點處角鋼的設計理念與新增現(xiàn)澆板連接節(jié)點處角鋼的設計理念類似，此處節(jié)點承受較大的集中力，設計時角鋼須要較高的強度，則角鋼的尺寸規(guī)格選用L180×16，而角鋼寬度的選定取決于新增結構的截面尺寸.而對于角鋼與原結構的固定，選用4根φ16的鋼筋穿過原結構，施工時必須用鋼筋探測器探明原結構梁(柱)鋼筋位置，且應避開鋼筋保證原結構鋼筋不受損壞[5]；然后使用螺母擰緊，而且必須使用雙螺母擰緊，以防止螺栓的松動.螺母與混凝土之間使用-10×180×250的鋼電板，主要是為了防止接觸面發(fā)生局壓現(xiàn)象，即混凝土局部被壓碎，這樣做可以增大支承面防止支承面不平衡或傾斜時，造成螺栓承受偏心荷載，引起附加彎曲力，為遮蓋較大的孔眼，以及防止損傷零件表面，防止螺栓連接松動，還孔眼防止螺母因超擰而引起的螺紋脫扣現(xiàn)象.鉆孔是使用φ18的鋼筋，則穿完鋼筋后鉆孔中的縫隙需要用環(huán)氧膠泥填塞密實，不然鋼筋容易被腐蝕，鋼材性能就會受影響.其結構大樣圖(如圖3).

圖3 新增梁與原結構梁(柱)連接節(jié)點大樣圖

從結構大樣圖可以看出，角鋼上肢與加勁肋連接部分長度為80 mm，未連接長度為100 mm，連接部分可以看作一個固定支座，未連接部分可以看作一個懸臂構件，通過受力分析可知(圖4)，構件最先破壞位置將出現(xiàn)在固定端.

圖4 型鋼受力圖

2.3 節(jié)點計算

現(xiàn)對本工程中梁與原結構連接節(jié)點處角鋼強度進行計算.角鋼的規(guī)格為L180×16，L=250 mm，材料使用Q235.角鋼上支撐一跨度為7.2 m的簡支梁，梁的截面尺寸為250×450，樓板厚度設計為100 mm，混凝土等級都為C30，鋼材的設計強度為215 N/mm2, 抗剪設計強度為125 N/mm2. 樓面活荷載查規(guī)范取3.0 kN/m2. 在工程設計時，荷載系數(shù)對恒載取1.2，對活載取1.4.

(1)計算荷載

板上荷載(設計值)： 8.7 kN/m2

板上荷載傳至梁上荷載(設計值)：22.36 kN/m

梁上荷載傳至節(jié)點的荷載(設計值)：80.5 kN

(2)強度驗算

角鋼與混凝土接觸面受力均勻，則角鋼面上所受力簡化為節(jié)點所受荷載化成均布面荷載作用進行計算[4]

橫向線荷載：1.79×250=447.5 N/mm

① 正應力f=215 N/mm2

固定端截面彎矩最大，按邊緣屈服準則：

209.4 N/mm2<215 N/mm2

滿足要求

若按有限塑性發(fā)展準則(取γx)得，

199.4 N/mm2<215 N/mm2

滿足要求

② 剪應力fν=125 N/mm2

固定端截面剪力最大，剪力由2個加勁肋來承受，加勁肋最邊緣位置剪應力最大：

滿足要求

3 結 語

a.節(jié)點處是應力集中區(qū)域，很容易引起周圍混凝土開裂，而致使整個構件的破壞，應引起設計人員足夠重視.

b.隨著角鋼強度的增大，連接的剛度、承載能力得到了顯著的提高，故在設計時，要優(yōu)先保證有足夠的角鋼厚度.

c.鋼材具有較高的強度和延性，在本項目設計方案中使用角鋼作為支撐構件，使結構安全可靠，施工更加簡捷方便.該項目使用至今情況良好，說明其改建的成功性.

參考文獻：

[1] 周學軍. 鋼結構設計規(guī)范(GB50017)應用指導[M]. 濟南:山東科學技術出版社, 2004.

[2] 沈蒲生. 混凝土結構設計[M].2版. 北京:高等教育出版社, 2005.

[3] 王國凡.鋼結構連接方法及工藝[M]. 北京:化學工業(yè)出版社, 2005.

[4] 黃祥海,梁書亭,朱筱俊. 全預制鋼筋混凝土干式框架節(jié)點中暗牛腿的分析[J]. 工業(yè)建筑, 2008,38(2)：35-38,48.

[5] 金凌志,曹霞,付強, 等. 某辦公樓牛腿的裂縫分析與處理[J]. 桂林工學院學報, 2008(1):64-67.