基于多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性節(jié)點的設(shè)計

曾振云

摘 要：多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋在遭受地震災(zāi)害影響后，梁柱剛性連接節(jié)點會出現(xiàn)嚴重破壞問題。因此在鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點抗震設(shè)計中，必須遵循基本設(shè)計原則。此次研究主要是基于多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)，提出梁柱剛性節(jié)點的優(yōu)化設(shè)計措施，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員起到參考性價值。

關(guān)鍵詞：多高層房屋;鋼結(jié)構(gòu);梁柱剛性節(jié)點;設(shè)計

在多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，梁柱剛性節(jié)點屬于重要設(shè)計內(nèi)容。當(dāng)前所設(shè)計的節(jié)點圖紙中，梁端翼緣屬于全熔透的坡口對接焊，腹板包含單見受力的摩擦螺栓，連接位置翼緣板沒有進行加強處理。因此梁柱連接僅考慮到受剪力問題，沒有考慮到受彎問題。通過計算常用截面可知，在非抗震結(jié)構(gòu)中，抗側(cè)移動框架梁體為工字型截面，強度等級為Q355。計算腹板時，應(yīng)用螺栓單剪連接方式，將梁端作用的彎矩設(shè)計值假設(shè)為梁截面可承受的最大彎矩設(shè)計值0.95倍，在分配腹板連接作用彎矩作用時。則按照腹板扣除螺栓孔的凈截面慣性矩和梁凈截面慣性之比;在計算腹板連接作用剪力時，按照腹板可承受最大剪力的50%，同時按照3倍螺栓孔間距進行排列，此時需要應(yīng)用摩擦型螺栓，梁腹板與連接板在連接位置的摩擦系數(shù)達到0.55，表面應(yīng)用噴砂處理才可以滿足要求，在抗震連接中，連接抗力應(yīng)當(dāng)大于梁截面的最高抗力，腹板連接布設(shè)單剪受力螺栓，此時將無法滿足結(jié)構(gòu)要求。

當(dāng)前所應(yīng)用的工字型截面梁中，如果處于彈性狀態(tài)，翼緣一般要承受80%的全截面抗彎承載力，腹板承受20%全截面抗彎承載力。上述方式對于采用摩擦型螺栓連接的梁柱節(jié)點而言，翼緣對接焊縫只可以承受與自身強度等級相同的彎矩。當(dāng)腹板連接沒有考慮彎矩問題，則抗彎承載力僅為80%框架橫梁抗彎承載力。在具體施工期間，當(dāng)高空施焊環(huán)境差，且焊縫存在缺陷，則連接抗彎承載力只可以達到70%框架橫梁抗彎承載力，不滿足建筑抗震設(shè)計要求。

1、強節(jié)點設(shè)計原則

在設(shè)計梁柱連接節(jié)點期間，為了滿足“強節(jié)點、弱桿件”目標，必須準確計算地震災(zāi)害的節(jié)點承載力極限值，同時計算彈性節(jié)點承載力。在具體設(shè)計期間，需要滿足以下原則：

第一，在彈性狀態(tài)下，梁柱連接位置抗彎能力應(yīng)當(dāng)高于框架梁抗震能力。為了避免地震災(zāi)害發(fā)生時，由于梁柱連接位置的缺陷問題，導(dǎo)致框架橫梁沒有出現(xiàn)塑性鉸之前，節(jié)點連接出現(xiàn)脆性破壞問題。

第二，在滿足上述原則后，在彈塑性狀態(tài)下，塑性鉸會逐漸移動到柱面外，因此在設(shè)計期間必須預(yù)測塑性鉸的人為控制位置，確保高位置梁截面彎曲應(yīng)力，大于梁柱連接位置焊縫的彎曲應(yīng)力，便于在地震災(zāi)害來臨時，框架梁可能存在的塑性鉸部位受到高應(yīng)力影響時，翼緣會最先屈服，從而出現(xiàn)塑性鉸，有效耗散地震能量。

2、改進框架節(jié)點設(shè)計措施

在設(shè)計改進框架節(jié)點時，不僅可以應(yīng)用狗骨式連接節(jié)點，也可以應(yīng)用梁端局部增加梁截面方式，此種方式的原理與狗骨式連接節(jié)點比較類似，并且無需減小梁截面，可以有效提升連接位置的抗彎承載力，充分延展節(jié)點。梁端局部增加梁截面方式和狗骨式連接節(jié)點均可以達到標準要求，且應(yīng)用優(yōu)勢高于狗骨式連接節(jié)點。由于狗骨式連接節(jié)點會減小梁翼緣截面，可以減小梁承載力，以此實現(xiàn)地震災(zāi)害條件下的梁體塑性發(fā)展，提升節(jié)點的延性。在具體應(yīng)用中，梁端局部增加梁截面方式無需改變梁承載力，也可以實現(xiàn)地震災(zāi)害條件下的梁體塑性發(fā)展，提升節(jié)點的延性。

2.1梁端翼緣焊接楔形蓋板

第一，按照標準原則，明確楔形蓋板和柱連接位置的截面面積，并且應(yīng)用準確的連接計算方法，按照不同情況，明確蓋板界面劑：首先，翼緣和柱采用完全熔透對接焊方式，腹板與梁翼緣通過摩擦型螺栓相連接。將蓋板增加到梁翼緣后，焊接位置截面面積應(yīng)當(dāng)大于未加蓋板截面積;其次，腹板角焊縫可以承受最大彎矩設(shè)計值和地震效應(yīng)。組合剪力設(shè)計值，確保在角焊縫中可形成合剪應(yīng)力。

第二，按照梁組合彎矩圖紙的反彎點，明確楔形蓋板的截面尺寸，步驟如下：首先，在豎向荷載與水平地震組合影響下，明確框架梁塑性鉸位置。負彎矩圖近似直線，同時向跨內(nèi)傾斜，此時梁端獲得最大彎矩值，遠離梁端的彎矩值比較小。其次，在明確塑性鉸位置后，按照梁上組合彎矩圖反彎點和柱邊間距，明確不同楔形蓋板在梁柱連接位置的截面積，以此確保彈性階段下，塑性鉸位置彎曲應(yīng)力大于梁柱了解位置的彎曲應(yīng)力。為了防止楔形蓋板截面積過大，需要在塑性鉸位置與梁端加設(shè)楔形蓋板位置，仿照狗骨式連接節(jié)點，適當(dāng)削弱梁翼緣。

2.2加寬梁端上下翼緣

通過局部加寬梁端上下翼緣，可以將加強板和翼緣板設(shè)置在同一平面內(nèi)，應(yīng)用懸臂式短梁連接方式，保證梁和柱應(yīng)用工廠焊縫方式連接，確保焊接質(zhì)量。

2.3梁端下翼緣加設(shè)腋梁

將腋梁加設(shè)在梁端下翼緣，可以明顯提升根部連接位置的抗彎能力，加腋高度控制在150mm-250mm即可。其次，鋼結(jié)構(gòu)需要進行防火涂層施工，提升在梁下設(shè)置管線與管道，做好吊頂施工處理，在具體施工中，不會由于加腋梁而影響建筑美觀性，施工人員也比較青睞于此種加腋高度和節(jié)點形式。

3、梁柱節(jié)點設(shè)計的注意事項

第一，在設(shè)計非抗震框架結(jié)構(gòu)時，針對帶有懸臂段框架梁節(jié)點，拼接位置的承載力必須按照梁中實際內(nèi)力和平面假定進行設(shè)計，拼接位置抗彎承載力應(yīng)當(dāng)高于50%梁截面抗彎承載力。

第二，針對非抗震框架結(jié)構(gòu)來說，梁柱剛性節(jié)點連接必須按照梁截面等強度設(shè)計，如果在構(gòu)造內(nèi)截面中，梁內(nèi)力和梁截面承載力的差異比較大，則采用上述原則優(yōu)化節(jié)點連接設(shè)計。

第三，針對帶有懸臂段框架梁節(jié)點，在施工現(xiàn)場進行拼接，為了便于后期運輸，拼接點必須與柱邊距離比較短。在選擇拼接點時，可以選擇跨長1/10位置與梁高塑性鉸區(qū)段周邊。其次，拼接承載力可以按照梁截面等強度設(shè)計。然而對于狗骨式連接節(jié)點來說，則應(yīng)當(dāng)選擇梁翼緣削弱后的截面抗彎設(shè)計值，優(yōu)化設(shè)計節(jié)點拼接。

第四，在建筑抗震結(jié)構(gòu)中，梁柱剛性連接需要應(yīng)用加強式連接方式，或者可以應(yīng)用削弱翼緣的狗骨式連接節(jié)點。

4、未來展望

在建筑抗震結(jié)構(gòu)中，梁柱剛性連接位置抗彎承載力設(shè)計值，必須高于框架梁設(shè)計值，且二者之比應(yīng)當(dāng)高于連接承載力抗震調(diào)整系數(shù)—框架梁抗震調(diào)整系統(tǒng)比值。在房屋建筑設(shè)計規(guī)范中，鋼結(jié)構(gòu)不劃分地震烈度，且建筑高度和結(jié)構(gòu)類型不同，所以會出現(xiàn)設(shè)計值取值不合理問題。因此，在具體設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計規(guī)范中分離節(jié)點連接抗震調(diào)整系數(shù)，按照不同地震烈度、建筑高度與結(jié)構(gòu)類型，采用對應(yīng)額建筑抗震等級，按照鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震等級，采用連接加強系數(shù)處理。

5、結(jié)束語

綜上所述，對于多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)來說，在設(shè)計梁柱剛性節(jié)點時，需要比對不同設(shè)計方案，合理應(yīng)用強節(jié)點設(shè)計原則，優(yōu)化改進框架節(jié)點設(shè)計措施，掌握梁柱節(jié)點設(shè)計的注意事項，這樣才可以確保梁柱剛性節(jié)點設(shè)計的有效性。

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