大跨度鋼結(jié)構(gòu)梁梁端與混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)

陳亞洲

（廣東新廣廈建筑設(shè)計(jì)院有限公司　廣東省　佛山市　528031）

大跨度鋼結(jié)構(gòu)梁梁端與混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)

陳亞洲

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根據(jù)不同形式的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接及鋼構(gòu)件與混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接的內(nèi)力傳遞特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)基本假定、受力形式、施工等因素分析探討大跨度鋼結(jié)構(gòu)梁梁端與混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)，提出相應(yīng)設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)。

鋼結(jié)構(gòu)；混凝土結(jié)構(gòu)；連接節(jié)點(diǎn)；設(shè)計(jì)

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鋼材產(chǎn)量及質(zhì)量大幅提高，建筑工程設(shè)計(jì)及施工等方面的技術(shù)得到進(jìn)一步改進(jìn)，鋼結(jié)構(gòu)越發(fā)廣泛應(yīng)用于高層、大跨度、體型復(fù)雜等建筑結(jié)構(gòu)，如大廈、體育場館等。同時，混凝土結(jié)構(gòu)的改造或加固中也會經(jīng)常應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到各類大跨度建筑物中，而大跨度的鋼結(jié)構(gòu)梁梁端與混凝土結(jié)構(gòu)的連接一般采用的形式是梁柱連接和構(gòu)件拼接節(jié)點(diǎn)，其連接節(jié)點(diǎn)的基本原則是必須能安全地傳遞被連接板件的軸力、彎矩以及剪力等。由于鋼結(jié)構(gòu)梁梁端和混凝土的結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的安全與否直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的整體性和可靠性，因此其連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是一個迫切需要探討和解決的問題。

1　大跨度鋼結(jié)構(gòu)梁梁端與混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)分類及內(nèi)力傳遞分析

根據(jù)節(jié)點(diǎn)處傳遞荷載的情況、所采用的連接方法以及細(xì)部構(gòu)造，連接節(jié)點(diǎn)的類別可分為剛性連接、半剛性連接和鉸接連接[1]。①剛性連接節(jié)點(diǎn)，根據(jù)受力特性，連接節(jié)點(diǎn)處的受力情況保持原有的完全連續(xù)性，即為剛性連接節(jié)點(diǎn)。剛性連接節(jié)點(diǎn)所有連成構(gòu)建之間的接頭在承載力范圍之內(nèi)不會發(fā)生任何的變化，連接強(qiáng)度也不能低于被連接構(gòu)件的屈服強(qiáng)度。②半剛性連接節(jié)點(diǎn)，半剛性連接節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)中并不經(jīng)常采用。主要是該類構(gòu)件是利用細(xì)部構(gòu)件的方式，其承載力不低于構(gòu)件的承載力，而構(gòu)件的彈性剛度也比連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件彈性要大。③鉸接連接節(jié)點(diǎn)從理論知識角度來理解，此類方式的連接節(jié)點(diǎn)完全不能承受彎矩。因此，鉸接連接節(jié)點(diǎn)通常只用于連接構(gòu)件端部，而不能用于連接構(gòu)件拼接。比如柱腳、梁、桁架和網(wǎng)架桿件的端部連接等。但在工程實(shí)際應(yīng)用中，它的特性并非完全鉸接，對彎矩并不是完全不能承受，只是抗彎剛度遠(yuǎn)低于構(gòu)件的抗彎剛度。工程機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般把連接當(dāng)成理想剛性連接或者鉸接，由于計(jì)算方法得到簡化，在實(shí)際的計(jì)算結(jié)果中存在著一定的偏差，因此可采用調(diào)整系數(shù)來減少偏差。

2　大跨度鋼結(jié)構(gòu)梁梁端與混凝土結(jié)構(gòu)連接的主要形式及其設(shè)計(jì)分析

2.1全焊接連接節(jié)點(diǎn)

全焊接連接原理，是由梁的上下翼緣用全熔透坡口對接焊縫，腹板用角焊縫與柱翼緣連接。翼緣對應(yīng)處應(yīng)加水平加勁肋，箱形柱內(nèi)應(yīng)設(shè)加勁肋隔板。加勁肋應(yīng)按與梁翼緣等強(qiáng)設(shè)計(jì)，其連接焊縫亦應(yīng)滿足等強(qiáng)傳力的要求。梁柱剛性連接中，梁端內(nèi)力向柱傳遞時，梁端彎矩主要由梁翼緣承擔(dān)，梁端剪力則主要由梁腹板承擔(dān)。目前在多數(shù)多高層鋼結(jié)構(gòu)工程中，全焊節(jié)點(diǎn)連接方式在梁柱節(jié)點(diǎn)中應(yīng)用比較廣泛，為減少結(jié)構(gòu)的剛度和接頭部分的應(yīng)力集中過大的情況，一般根據(jù)“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的原則適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)節(jié)點(diǎn)。同時可適當(dāng)?shù)叵魅趿旱目箯濓L(fēng)度使其出現(xiàn)“塑性鉸”，但必須要保證無失穩(wěn)情況發(fā)生[2]。此外，可保持腹板上工藝孔的平滑過渡，也可盡量減少結(jié)構(gòu)和焊接接頭部位的應(yīng)力集中。同時，也可在不減小腹板連接強(qiáng)度的條件下，適當(dāng)加大工藝孔，便于施焊，提高焊縫質(zhì)量。

2.2高強(qiáng)度螺栓連接節(jié)點(diǎn)

近年來，高層、大跨度以及超高層建筑物鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)中出現(xiàn)了一種新型方式，即高強(qiáng)度螺栓連接。這種連接方式有利于結(jié)構(gòu)動載的承接，并簡化制造和安裝，但施工要求十分嚴(yán)格。目前，高強(qiáng)度螺栓連接方式已被廣泛應(yīng)用到各類高層、大型的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)中。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，高強(qiáng)度螺栓受剪力時可分為兩種類型：①摩擦型；②承壓型。

摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接主要運(yùn)行原理是利用螺栓預(yù)壓力使板件壓緊，兩者之間產(chǎn)生最大大限度的摩擦力，而板件接的接觸是由外剪力提供。其次，為了完全承受兩者之間的摩擦力，而且板間不會出現(xiàn)任何滑動或者移位導(dǎo)致的變形，在進(jìn)行摩擦型高強(qiáng)度螺栓的設(shè)計(jì)時，應(yīng)保證連接點(diǎn)在整個使用期間外剪力不超過最大摩擦力，進(jìn)而使螺栓桿和孔壁間的空隙保持原有的狀態(tài)。而承壓型高強(qiáng)度螺栓連接在抗剪設(shè)計(jì)時，如果不再正常使用荷載作用，剪力超過了最大摩擦力，那么其受力性能和摩擦型就可能不會相同，進(jìn)而導(dǎo)致連接板件間發(fā)生相對滑移變形，致使螺栓桿與孔壁一側(cè)進(jìn)行接觸，之后的連接只能以螺栓桿身剪切和孔壁承壓以及板件接觸面間摩擦力進(jìn)行傳力。因此，需要在正常使用荷載作用下進(jìn)行承壓型高強(qiáng)度螺栓連接在抗剪設(shè)計(jì)。

高強(qiáng)度螺栓連接設(shè)計(jì)要點(diǎn)：目前，我國的鋼結(jié)構(gòu)工程使用承壓型高強(qiáng)度螺栓連接較摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接少，因而實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要點(diǎn)并沒有完全掌控，因此其應(yīng)用依據(jù)主要以我國現(xiàn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范為主。在對承壓型高強(qiáng)度螺栓連接進(jìn)行計(jì)算時，其主要依據(jù)是抗剪連接沿桿軸方向的受拉連接，然后按照規(guī)范計(jì)算桿軸方向拉力和承受剪力。同時，由于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的匱乏，一般采用承壓型高強(qiáng)度螺栓的承載力不超過按摩擦型計(jì)算的1.3倍進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。此外，按規(guī)范規(guī)定結(jié)構(gòu)的平均荷載分項(xiàng)系數(shù)約為1.3，以保證承壓型高強(qiáng)度螺栓在荷載標(biāo)準(zhǔn)值情況不致產(chǎn)生滑移，進(jìn)而保證結(jié)構(gòu)的有利變形[3]。其次，在使用承壓型高強(qiáng)度螺栓時，為保證其全部的效能發(fā)揮，結(jié)構(gòu)中可允許發(fā)生一定滑移變形的連接，進(jìn)而對承載力進(jìn)行控制。

2.3栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)

高強(qiáng)度螺栓與焊縫組成的混合連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，主要注意以下幾點(diǎn)：①焊縫的破壞強(qiáng)度高于高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度、抗滑極限強(qiáng)度，其比值控制在1～3之間為宜。②不能用于需要驗(yàn)算疲勞的連接中。③根據(jù)板件的厚度進(jìn)行施工，若施工順序是先栓后焊，則高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度應(yīng)考慮焊接影響作一定的拆減，并按照施工條件以及實(shí)際情況適當(dāng)?shù)夭扇》醋冃未胧?。若采取先焊后栓的施工順序，需采用大直徑螺栓，同時將螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值乘以拆減系數(shù)。④在靜力荷載作用下，摩擦型高強(qiáng)度螺栓可與側(cè)角焊縫共同作用，在直接承受動荷載作用的連接中，則不能應(yīng)用此連接形式，施工時一般采用先栓后焊的順序，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要考慮溫度影響，將高強(qiáng)度螺栓的預(yù)應(yīng)力給予適當(dāng)?shù)牟饻p[4]。

3　大跨度鋼結(jié)構(gòu)梁梁端與混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)建議

鋼構(gòu)件與混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)一般采用剛性連接和鉸接連接，在此著重分析剛性連接的相關(guān)要點(diǎn)。在設(shè)計(jì)此類剛性連接節(jié)點(diǎn)時，可首先在鋼梁的上、下翼緣處設(shè)置加強(qiáng)環(huán)以傳遞連段彎矩，提高節(jié)點(diǎn)的整體剛度，加強(qiáng)環(huán)可采用圓環(huán)形，并在上下環(huán)之間增設(shè)加勁肋，減小應(yīng)力集中。其次，四周柱面鋼板采用抱箍埋件形式埋入鋼筋混凝土柱。通過合理的構(gòu)造措施，使鋼結(jié)構(gòu)梁梁端彎矩、軸力以及剪力安全可靠地傳遞到混凝土結(jié)構(gòu)本身。鋼梁連接柱的埋件設(shè)計(jì)首先需要考慮構(gòu)件的拉力、剪力以及彎矩。設(shè)計(jì)中一般采用的是錨筋貫穿混凝土柱與預(yù)埋板塞焊連接，使埋件鋼板互相拉結(jié)。這類方法主要為講鋼板焊接成一個整體，便于混凝土澆筑和振搗，混凝土柱也不必箍筋。其次，柱截面過大時，配錨筋仍可以通過計(jì)算來設(shè)計(jì)，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定預(yù)埋件鋼板尺寸，以減少鋼材用量，節(jié)約造價[5]。

4　結(jié)語

綜上所述，大跨度鋼結(jié)構(gòu)梁梁端與混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)十分復(fù)雜，一定要考慮連接板件傳遞軸力、彎矩以及剪力等內(nèi)力的性能再進(jìn)行設(shè)計(jì)，且根據(jù)實(shí)際的研究表明，鋼結(jié)構(gòu)建筑雖然具有優(yōu)越的抗震能力，但是在構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)上容易發(fā)生破壞。因此，鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)作為重要的環(huán)節(jié)加強(qiáng)控制，以保證鋼結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

[1]鄭廷銀，強(qiáng)寒丹，伏曉煜，等.蜂窩狀鋼骨混凝土十字形柱-鋼梁連接節(jié)點(diǎn)性能[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，33（05）：1～6，18.

[2]鄭廷銀，吳靖宇，伏曉煜，等.蜂窩狀鋼骨混凝土T形柱-鋼梁連接節(jié)點(diǎn)性能分析[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，34（02）：78～84.

[3]何敏娟，焦燏烽，馬人樂，等.鋼梁栓-焊混合連接節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，41（12）：1787～1792.

[4]宋磊.鋼夾層鋼梁與混凝土柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2014，11（03）：63，65.

[5]羅勤.方鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的非線性有限元研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，32（05）：45～47.

TU393.3

A

1673-0038（2015）28-0007-02

2015-5-20

陳亞洲（1977-），男，吉林集安人，中級工程師，大專，從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。