試談建筑鋼結構節點設計要點

董靜萍

（云南省設計院集團有限公司，云南昆明 650228）

0 引言

鋼結構具有強度較高、穩定性好以及成本低廉等諸多優勢特點，因此，在我國建筑工程中得到了廣泛應用。而實現對建筑鋼結構節點的優化設計，則能夠進一步鞏固鋼結構的應用優勢，全面提升建筑結構質量水平。本研究旨在豐富該領域理論研究的同時，也能夠為相關工作人員完成建筑鋼結構節點優化設計，提供必要實踐指導與幫助。

1 工程概況

為有效說明建筑鋼結構節點設計要點，本文選擇以某地區的大型室內沖浪場為例。該室內沖浪場的總占地面積超過86000m2，建筑基礎為典型的樁基礎。建筑結構為鋼結構，且其平面尺寸長度超過460m，為了避免出現建筑結構單體長度過長，導致結構受力十分復雜，設計人員提出需要將建筑本體和其下混凝土結構、停車樓、超市等相分離，同時設置分隔縫，將其劃分成低、中、高三個區域。三個區域的平面尺寸依次為150m×150m、151m×（150～120）m、170m×（120～100）m。該建筑結構的最低與最高立面高度分別為40m與120m。在沖浪場的高區，其最大高差超過85m，樓面傾角超過25°，兩側結構具有較大水平剛度差。高區采用由鋼筒體、框架梁柱等共同構成的框架結構。側面大桁架的支撐力來源于設置在高區左側兩端的混凝土筒體，該混凝土筒體同時需要承擔豎向荷載。中區跨度介于120～150m，低區跨度為150m，中區與低區均采用橫縱桁架相結合的鋼結構體系，圖1展示的就是建筑高區的鋼結構體系。

圖1 高區鋼結構體系平面

2 建筑鋼結構節點設計的方法與策略

2.1 科學選擇節點連接方式

考慮到該沖浪場結構特殊，節點尺寸最大可達1800mm×1800mm，構件厚度最大超過50mm，翼緣板的厚度相對較大，且在節點交匯處有眾多桿件。因此，完全使用全焊接或全螺栓連接的節點連接方式均缺乏較高的適用性。例如：在該沖浪場K形節點中，當翼緣板厚度達到25mm時，使用全螺栓連接方式下，節點質量將會超過1300kg，而采用栓焊混合連接方式下，節點質量則不足800kg。本建筑中起連接作用的雙夾板厚度普遍超過25mm，相較于栓焊混合節點，結構質量增幅明顯更大，且需要眾多高強螺栓。在實際進行施工安裝時，結構構件需要保障極高的安裝精度，施工難度相對較大，工作人員開展施工質量管理的難度也頗大[1]。因此，經過綜合考量，在該建筑鋼結構節點連接方式設計中，相關工作人員最終選擇以翼緣焊接為主，配合使用腹板螺栓連接的方式，同時適當外移連接段，防止出現焊縫交叉而出現焊接冷脆的情況。在有效控制節點用鋼量的同時，也有助于避免結構自重過重而影響后續現場施工作業。

2.2 建立模型分析節點受力

在建筑鋼結構節點設計中，相關工作人員需要對各結構構件以及節點的受力情況進行準確分析，以此為基礎有針對性地制定科學、合理的節點設計方案。為有效提升節點受力分析的準確性和分析效率，在該建筑項目中，工作人員設計采用專業的建模軟件，根據工程實際建立三維模型，并對其進行有限元分析。在此過程中，工作人員在運用有限元軟件完成建筑鋼結構節點三維實體模型的建立后，對其進行四面體單元網格劃分，并將節點模型中的相關信息數據直接導入至MIDAS軟件中。利用該軟件建立該建筑三維實體節點模型，再將該節點模型和結構計算分析構件相對應的線性模型進行耦合，從而運用有限元分析的方式，使得工作人員能夠對節點實體模型邊界及其具體荷載條件等進行準確把握。全方位地掌握建筑各區域變形情況與應力情況[2]。

2.3 立足實際優化設計節點

2.3.1 框架柱的交叉節點

在完成建筑鋼結構節點受力有限元分析后，工作人員需要從工程實際出發，針對建筑鋼結構中的各關鍵節點對其進行優化設計。如本工程中，巨柱之間相互連接時形成了眾多呈“X”形的交叉節點，在該類節點處有6根桿件進行相互連接，構件截面尺寸最大可以達到1800mm×1800mm，節點板厚度最大值超過50mm。因此，選擇將栓焊連接節點作為鑄鋼節點顯然并不適用，為了有效增強節點區承載力，使其能夠至少達到構件承載力，工作人員通過將通長縱向加勁肋與適量橫向加勁肋，一并增設在節點內部，以此有效達到節點強化的效果。通過將適量具有一定厚度的加勁肋設置在節點桿件“X”形交叉位置處，可以使得交角處的倒角在一定程度上得到有效增加，配合使用增加設置加勁板等方式，可以進一步實現節點加強的效果。在本建筑項目中，為了實現鋼結構節點連接的安全可靠，同時有效降低現場施工難度，工作人員最終在連接巨柱交叉主桿件時，設計使用全熔透焊接連接的方式，并要求焊接質量等級達到一級。在分肢連接中需要使用強度等級達到10.9級的高強度螺栓，以此有效保障連接的緊固度與安全可靠性。

2.3.2 桁架上弦節點設計

該室內沖浪場高區樓面的桁架節點，使得主桁架弦桿截面成為箱形截面，從而避免在節點區域需要增設大量加勁肋。但為保障上弦所在斜平面完全相同，還需要使用斜墊板墊，令節點區局部位置可以保持一定角度，從而和該區域的其他構件進行順利連接。但此時斜墊板在連接各個構件的交界處往往會出現應力過于集中的情況，因此，為了能夠對應力集中進行有效控制，同時，盡量避免節點區域出現眾多焊縫，在該節點設計中，直接使用一整塊碟形斜向大板作為上弦節點區域，用各弦桿上翼緣厚度包絡作為碟形斜向大板的厚度[3]。外移和各個弦桿之間的連接焊縫，以此有效提升碟形節點上，應力分布的均勻性，從根本上防止出現應力集中的情況，圖2展示的就是該建筑鋼結構中的碟形節點。

2.3.3 屋面節點優化設計

圖2 碟形節點設計平面

在該室內沖浪場的屋面上弦節點設計中，工作人員在與桿件肢數以及截面尺寸等方方面面進行全面考量下，最終選擇運用相貫焊接連接的方式。在運用前期建設的沖浪場三維整體模型的基礎上，針對屋面上弦節點開展有限元分析，可知包括工況應力最大值超過310MPa，該最大應力出現在圓鋼管連接H型鋼腹板的位置處。同樣，為有效防止該相交處焊縫出現應力過于集中的情況，工作人員在對該節點進行優化設計時，采用封箱的方式，即在節點區局部封板成箱形。經過后期檢測與應力計算可知，運用封箱方式下，H型鋼腹板、鋼翼緣板和圓鋼管相互連接的位置處，應力最大值從最初的310MPa以上降至不足220MPa。此時節點位移最大值不超過29mm，與規定標準要求相符。

2.3.4 桁架連接屋面節點

本室內沖浪場高區轉換樓面和屋面的中間位置處設有抗風桁架，其傾角為70°，總長度超過20m。在結合工程實際，并參照相關設計規定要求下，工作人員在連接屋面和抗風桁架的節點設計中，選擇使用銷軸連接的方式，銷軸直徑為60mm。在上銷軸中使用長圓孔，使得在重力荷載作用下的軸力可以得到有效釋放，從而有效減小屋面桁架下弦所需承受的荷載。為有效提升節點連接強度，工作人員選擇使用40Cr材質的銷軸，這主要是由于該種材質具有良好的耐磨損性能，且硬度相對較高。此外，工作人員還通過將兩道厚度為20mm的加勁肋加設在耳板位置處，進而在有效控制耳板厚度的同時，也可以使得耳板局部具有更好的安全穩定性，圖3展示的就是本建筑鋼結構中的抗風桁架位置圖。

圖3 抗風桁架位置

3 結束語

綜上，在實際開展建筑鋼結構節點設計時，相關工作人員需要充分結合工程實際與鋼結構具體特征，在嚴格遵循相關標準要求下，合理選擇與之相適宜的節點連接方式。并主動運用建模思想，配合使用各種專業工具軟件建立該模型，對各鋼結構節點受力情況進行準確分析。在此基礎上，對建筑鋼結構中的各個節點進行科學優化設計，對其中各項設計要點進行嚴格把控。從而有效完成建筑鋼結構節點設計工作，并獲得理想的設計效果。