多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)建議

李峰召 李賀林 王華民

（中國(guó)聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052）

保證多高層鋼結(jié)構(gòu)安全可靠的關(guān)鍵就是鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，要使多高層鋼結(jié)構(gòu)按照“節(jié)點(diǎn)等強(qiáng)”或“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，才能保證多高層鋼結(jié)構(gòu)整體性和可靠性，從而確保多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全可靠，以及滿足使用需要。

1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)概述

節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)最薄弱的環(huán)節(jié)之一，是確定結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的關(guān)鍵，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是否合理不僅直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)整體的可靠性，還對(duì)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、工程進(jìn)度以及整個(gè)工程的造價(jià)都有直接的影響，所以處理好節(jié)點(diǎn)的連接至關(guān)重要。

2 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理

2.1 節(jié)點(diǎn)的連接方式

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最主要的設(shè)計(jì)方法是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，它通常是指將鋼架的斷點(diǎn)處進(jìn)行連接處理，最傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)連接方式是對(duì)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行高溫焊接，這種連接方式可以很好地對(duì)鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行延展，但是焊接的節(jié)點(diǎn)會(huì)相對(duì)沒(méi)有靈活性，剛性強(qiáng)，對(duì)于抗震方面來(lái)說(shuō)，沒(méi)有震動(dòng)緩沖導(dǎo)致抗震性較差，不能滿足現(xiàn)在建筑對(duì)于抗震能力的標(biāo)準(zhǔn)。另外，采用焊接的方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接，通常使用全熔透技術(shù)。另一種節(jié)點(diǎn)連接方式是提前在鋼架上打孔，適合放進(jìn)螺釘，進(jìn)行螺栓連接，這種連接方式在現(xiàn)在的多高層建筑中使用的也很頻繁，雖然連接方式上比較簡(jiǎn)單，但是由于使用的是螺栓連接，在打孔上成本較高，又由于螺栓與螺釘直接通過(guò)螺紋摩擦結(jié)合，所以在高強(qiáng)度震動(dòng)時(shí)，螺栓會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，形成很大的安全隱患，所以這種連接方式的抗震性能也很差。綜合來(lái)說(shuō)，就產(chǎn)生了第三種將以上兩種方式相結(jié)合的栓焊混合連接方式，這種方式將兩種連接上的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)，靈活性更強(qiáng)，在實(shí)際的工程操作中，要注意這種連接方式所承受的溫度范圍的影響。

2.2 節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)要求

在多高層建筑的設(shè)計(jì)中，使用鋼結(jié)構(gòu)的連接方式最主要的問(wèn)題在于鋼本身的特性會(huì)限制工程中鋼結(jié)構(gòu)的自由度，所以在連接上經(jīng)常使用節(jié)點(diǎn)連接方式，使用節(jié)點(diǎn)連接方式時(shí)，要注意連接設(shè)計(jì)的使用要求，首先在建筑施工上要能最大程度的提高工程的進(jìn)度，且比較易于安裝，所以在鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接選擇上，螺栓的連接方式是最合適的選擇。當(dāng)然，如果在工程中發(fā)現(xiàn)工程的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的時(shí)候，為了避免螺栓的松動(dòng)，給工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性帶來(lái)影響，造成很大的安全隱患，我們應(yīng)該選擇用焊接連接節(jié)點(diǎn)的方式。除此之外，如果在工程中使用的預(yù)埋件或者其他構(gòu)件時(shí)也要選擇焊接節(jié)點(diǎn)連接的方式。

另外，多高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)還要滿足一個(gè)要求，即使用螺栓焊接混合連接方式的時(shí)候，必須要滿足兩種焊接方式結(jié)合所產(chǎn)生的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的外力，這樣整體結(jié)構(gòu)才會(huì)更加的穩(wěn)定。除此之外，在必要的時(shí)候，對(duì)于工程設(shè)計(jì)中小構(gòu)件的處理，還可以使用混凝土進(jìn)行最后的加固。

3 鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用

節(jié)點(diǎn)往往是多高層建筑中最薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的合理性，直接關(guān)系到整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以節(jié)點(diǎn)的選擇方式上必須要合理慎重。多高層建筑中常用的節(jié)點(diǎn)連接方式有：柱腳之間的節(jié)點(diǎn)連接，柱與柱之間的連接，柱與梁之間的節(jié)點(diǎn)連接，梁與梁之間的節(jié)點(diǎn)連接等。

3.1 梁與柱的節(jié)點(diǎn)連接

按照工程中節(jié)點(diǎn)施工工藝的要求，對(duì)于30 層以上的多高層住宅，通常采用的是梁與柱之間的節(jié)點(diǎn)剛性連接，特別是在地震高發(fā)地帶，為了避免強(qiáng)大的震動(dòng)會(huì)使梁與柱之間的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生脆性破壞，通常設(shè)計(jì)人員應(yīng)該注意設(shè)計(jì)中的塑性問(wèn)題。常見(jiàn)的節(jié)點(diǎn)形式如圖1 所示。

圖1 梁與柱之間節(jié)點(diǎn)連接

從圖1 中我們可以清楚的看出，梁與柱之間的節(jié)點(diǎn)連接方式有三種，通常節(jié)點(diǎn)位置是在橫梁與柱體的接縫處，所以無(wú)論采用哪一種方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，都必須要考慮到節(jié)點(diǎn)連接后，翼緣部位的受彎承受力要比梁本身的受彎力大，這樣才能保證梁的重心穩(wěn)定，柱腹板的局部抗壓承載力也要高于梁端的剪切力。其中，進(jìn)行梁端彎矩的計(jì)算時(shí)，所參考的標(biāo)準(zhǔn)是：

梁端彎矩：M=Mc-Vd/3 ≥0.7Mc

力偶：N=±M/h

對(duì)于管壁剪力的計(jì)算，國(guó)際“規(guī)程”中的(DL/T5085-1999) 也 有 標(biāo) 準(zhǔn) 的 公 式：T=0.6(Vmax/hjt)log(2ro/bj) ≤fv，bj=tw+2hj。

除此之外，現(xiàn)在的建筑施工尤其是多高層建筑，必須要考慮房屋的抗震性，所以在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接之后，還要對(duì)框架和起支撐作用的梁柱之間進(jìn)行連接。

3.2 梁與梁的節(jié)點(diǎn)連接

梁與梁之間的節(jié)點(diǎn)連接，通常是指主梁與次梁之間的連接方式，主梁的作用通常是作為次梁的支座，對(duì)上方的次梁起到支撐作用，主梁與次梁之間的連接通常為鉸鏈連接，主梁作為次梁的支座，次梁可視作簡(jiǎn)支梁，有時(shí)直接將主梁的豎向加勁板和次梁的腹板用螺栓連接起來(lái)，但是當(dāng)次梁的截面積較小的時(shí)候也可以直接將其與主梁的腹板相嵌入，這兩種方式都可以統(tǒng)稱為主梁與次梁的簡(jiǎn)支連接。

圖2 次梁與主梁的鉸鏈連接

然而，當(dāng)次梁數(shù)量較多的時(shí)候，那么次梁在鋼結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的跨度，包括承載能力都會(huì)比較大，在使用螺栓連接的方式成本就會(huì)比較大，且穩(wěn)定性較低，此時(shí)為了節(jié)約成本，次梁與主梁之間的連接方式通常直接使用剛性連接，其連接方式如圖3所示。

圖3 次梁與主梁的剛性連接

梁與梁之間的連接節(jié)點(diǎn)，除了主梁與次梁之外，還有一種是次梁與連梁之間的連接。這種連接方式最需要考慮的因素就是橫梁框架所帶來(lái)的側(cè)向壓力，為了避免橫梁的承受能力過(guò)大，而對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)造成不穩(wěn)定的影響，在進(jìn)行次梁與連梁的鉸鏈連接設(shè)計(jì)時(shí)，我們還要對(duì)橫梁設(shè)置一個(gè)起支撐作用的構(gòu)件，通常是在翼緣的位置增加一個(gè)側(cè)向的支撐。

3.3 柱與柱的節(jié)點(diǎn)連接

柱與柱之間節(jié)點(diǎn)的連接設(shè)計(jì)，通常從兩個(gè)角度考慮。一種是兩個(gè)柱體的截面積是相等的時(shí)候可以直接考慮在空中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的焊接工作，通常兩個(gè)主體之間的距離應(yīng)該保持在1.3m 左右，因?yàn)榻?jīng)過(guò)考究這個(gè)距離對(duì)焊接操作人員來(lái)說(shuō)是進(jìn)行焊接操作時(shí)是比較方便的。這種情況下，最常采用的是等截面H 柱對(duì)接。另一種情況是，兩個(gè)柱體的截面不相等的時(shí)候進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接，通常采用的方法是保持柱截面的高度不變，但是改變翼緣的厚度來(lái)平衡重心。在進(jìn)行不相等截面柱體的節(jié)點(diǎn)拼接時(shí)要考慮上下柱體之間，重心偏移所產(chǎn)生的附加彎矩。為了保證多高層的穩(wěn)定性，無(wú)論是等截面還是不相等截面柱體之間的連接，均可在外部加上套管進(jìn)行柱體的固定。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的節(jié)點(diǎn)連接

鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的連接通常指的是鋼結(jié)構(gòu)柱和混凝土梁之間的處理方式，其節(jié)點(diǎn)的處理分為三種情況：

(1)進(jìn)行混凝土的澆筑時(shí)在混凝土梁上的特定位置預(yù)埋連接件，待混凝土澆筑完成柱體穩(wěn)固后，就可以直接與鋼梁焊接，通常采用螺栓連接或者焊接的方法。

(2)在澆筑混凝土之前，就先將鋼梁與混凝土梁內(nèi)的鋼筋進(jìn)行連接形成一個(gè)完整的鋼梁框架，然后再進(jìn)行混凝土的澆筑。

(3)如果是對(duì)舊建筑進(jìn)行改造，則以上兩種方式都不再合理，此時(shí)可以選擇在混凝土梁上進(jìn)行打孔，然后利用螺栓固定一塊鋼板或者安裝一個(gè)固定底座，最后將鋼梁固定或者焊接到底座上即可完成鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的連接。

3.5 鋼管柱與鋼梁的節(jié)點(diǎn)連接

除上述方法外，還有一種節(jié)點(diǎn)連接為鋼管柱與鋼梁的連接，生活中常見(jiàn)的為方鋼管混凝土柱與工字鋼梁節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)，包括方鋼管混凝土柱與工字鋼梁，其特征在于：工字鋼梁腹板貫通方鋼管混凝土柱，方鋼管混凝土柱內(nèi)設(shè)有內(nèi)設(shè)鋼板，內(nèi)設(shè)鋼板在方鋼管混凝土柱內(nèi)的放置方式為豎置，并和工字鋼梁的腹板平行，內(nèi)設(shè)鋼板邊緣和工字鋼梁的翼緣平齊。在節(jié)點(diǎn)的連接選擇上常用的兩種方式是焊接或者螺栓固定，前者屬于剛性連接，而后者屬于柔性連接，剛性連接成本造價(jià)低，但一旦完工再出現(xiàn)問(wèn)題不容易維修，而螺栓連接雖然建造成本高，但維修方便。

4 結(jié)語(yǔ)

多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑越來(lái)越受到人們的青睞，而保證多高層鋼結(jié)構(gòu)安全、實(shí)用、抗震效果好就需要從節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上牢牢把握好這個(gè)關(guān)鍵所在，既要符合多高層鋼結(jié)構(gòu)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，又要滿足設(shè)計(jì)需要，而且還要經(jīng)濟(jì)合理，因此多高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的研究課題，需要技術(shù)人員、設(shè)計(jì)施工人員積極參與到節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中來(lái)，依照理論聯(lián)系實(shí)際將多高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的更加合理。