浅谈多高层建筑钢结构连接节点

文章编号:100926825(2007)1120098202浅谈多高层建筑钢结构连接节点收稿日期:2006211228作者简介:王国强(19802),男,助理工程师,山西省建筑设计研究院,山西太原　030013王国强摘　要:介绍了钢结构构件节点和杆件接头处的三种杆件连接方式,并对其性能及适用范围进行了分析比较,然后对梁与柱、柱与柱、梁与梁的连接方式进行了阐述,对钢结构的制作、安装和造价以及保证结构安全等方面均有重要的意义。

关键词:高层建筑,钢结构,连接节点,安装中图分类号:TU391文献标识码:A 多高层建筑钢结构中的各种构件需要在工厂或工地结合在一起,才能成为完整的结构系统。

钢结构之间的连接,即钢结构节点连接是钢结构工程中的重点。

许多钢结构事故及震害都表明,钢结构大多是由于节点首先破坏而导致结构的整体破坏。

节点设计不仅对结构安全有重要的影响,而且直接影响钢结构的制作、安装和造价。

因此,节点设计是整个钢结构设计工作的重要环节。

1　杆件连接1.1　连接方式1.1.1　连接类型建筑钢结构的构件节点和杆件接头处的杆件连接可采用:1)全焊连接;2)高强度螺栓连接;3)焊缝和高强度螺栓混合连接。

1.1.2　性能比较1)全焊连接,传力最充分,不会滑移。

良好的焊接构造和焊接质量可以为结构提供足够的延性。

缺点是焊接部位常留有一定的残余应力。

2)高强度螺栓连接,施工较方便。

但是,杆件的接头若全部采用高强度螺栓时,接头尺寸较大,钢板用量较多,费用较高;而且强烈地震时,接头可能产生滑移。

3)栓焊混合连接,应用比较普遍。

先用螺栓安装定位,然后施焊,操作方便。

实验表明,此类连接的滞回曲线,与完全焊接情况相近;但翼缘焊接将使螺栓预拉力平均降低10%左右。

因此,连接腹板的高强度螺栓实际预拉应力要留有一定富裕。

1.1.3　工程实践在已建的多高层钢结构工程中,柱的工地接头多采用全焊连接;梁的工地接头以及支撑斜杆的工地接头和节点,多采用全栓连接;梁与柱的连接多采用栓焊混合连接。

1.2　焊缝连接1.2.1　拼接形式1)选定构件节点和杆件接头的连接形式时,应尽可能避免采用约束性强、容易产生板件层状撕裂的连接构造。

2)构件实验和工程实践经验表明,层状撕裂主要发生在T 型连接、十字型连接和角部连接等拼接形式处。

这些部位的较强约束程度,使焊缝收缩时引起母材厚度方向产生较大拉应力,而且由于延性有限,无法得到调整,导致钢板件层状撕裂。

1.2.2　对接焊缝1)构件节点、杆件接头和板件拼装,依其受力条件,可采用全熔透焊缝或部分熔透焊缝。

2)遇到下列情况之一时,应采用全熔透焊缝。

a.要求与母材等强度的焊缝连接;b.框架节点梁端、柱端塑性区段内的焊缝连接。

1.2.3　焊接材料1)焊缝熔敷金属应与母材强度相匹配。

2)不同强度的钢材相互焊接时,焊接材料应按强度较低的钢材选用。

3)一般情况下,焊缝材料的屈服强度要比母材高出较多。

为使焊缝具有较好的延性,在满足承载力要求的前提下,宜尽量选用屈服强度较低的焊条。

4)厚板焊接时,特别是板厚大于25mm 的低合金结构钢,应采用碱性(低氢)焊条;不能采用酸性焊条,以免因焊缝金属大量吸收氢而导致焊缝开裂。

1.3　螺栓连接1.3.1　连接类型多高层建筑钢结构要承受风荷载的反复作用和地震的往复作用,承重构件或承力构件(支撑)的杆件连接采用高强度螺栓时,应采取摩擦型连接,不得采用承压型(剪压型)连接。

以免在设计荷载下连接部位产生滑移,加大节点变形。

1.3.2　螺栓受剪承载力1)强烈地震作用下,高强度螺栓摩擦型连接的板件之间的摩阻力有可能被克服,此时,高强度螺栓连接的最大受剪承载力将取决于螺栓的极限抗剪能力。

2)实验研究成果指出,螺栓连接的最终受剪破坏时,不是全部发生在螺纹净截面处,其中部分螺栓的破坏是发生在螺杆上,从而使螺栓连接的最大受剪承载力在总体上有所提高。

2　吊装件钢结构安装单元的划分,应根据吊装件尺寸、自重、运输和吊装设备等条件确定。

1)当框架的梁—柱节点采用“柱贯通型”时,柱的安装单元宜采用三层为一根,梁的安装单元为每跨一根。

2)为便于工人现场操作,柱的工地接头位置,一般设在楼板顶面1.0m ～1.3m 处。

3)当采用带悬臂梁段的柱单元(树型柱)时,悬臂梁段长度的确定,应使梁接头的内力较小,并能满足支撑连接设置要求及运输方便,一般情况,悬臂梁段自柱轴线算起的外伸长度取0.9m ～1.6m 。

4)框架筒体采用带悬臂梁段的柱安装单元时,梁的接头可设置在跨中。

3　梁与柱的连接梁与柱的连接节点构造应与连接类别的受力特征假定相符,・89・第33卷第11期2007年4月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.33No.11Apr.　2007 通常采用柱贯通的形式。

对于刚性连接,梁上下翼缘均应与柱相连;而铰接连接可仅梁腹板或一侧翼缘与柱相连。

而由于半刚性连接结构的分析与设计,至今尚无很方便的工程实用方法,因此目前在实际工程中还很少采用。

3.1　刚性连接梁柱的刚性连接应具有足够的刚度,可以承受设计要求的弯矩,在达到承载能力之前所连接的梁柱之间不发生相对转动。

凡是需要抵抗水平力的框架,主梁和柱的连接均应采用刚性连接形式。

常用的梁柱刚性连接构造形式有:1)全焊接连接,梁的上下翼缘和腹板均与柱用焊接连接在一起,通常翼缘与柱用全熔透坡口焊,腹板用角焊缝与柱相连;2)栓焊混合节点,梁的上下翼缘用全熔透坡口焊,腹板则用高强螺栓与柱相连;3)全栓接节点,梁翼缘与腹板均用高强度螺栓与柱相连。

全焊接节点一般在工厂加工时采用,而栓焊混合节点和全栓接节点通常在现场安装条件下采用。

三种节点形式中,虽然连接的承载力相同,但在地震时吸收和耗散能量的能力差别较大。

全焊连接的滞回曲线呈稳定纺锤形,节点的延性和刚度最好。

栓焊混合节点,虽然由于腹板螺栓滑动而不完全刚性,但其性能与全焊连接相差不大。

全栓接节点,由于翼缘和腹板均发生滑动,滞回曲线呈滑动形。

因而,在地震作用下,全栓连接难以满足刚性连接的要求,一般只适用于非地震区的多层框架。

3.2　铰接连接梁与柱的铰接连接,又称为柔性连接。

铰接连接构造简单、传力简捷、施工方便,在工程中也有广泛的应用。

非地震区多层或高层钢框架如果用剪力墙一类构件承受水平荷载(框架仅承受重力荷载)和提供抗侧刚度的结构体系,梁与柱连接即可采用铰接方案。

铰接连接只能承受很小的弯矩,要求梁能够较自由地转动,但没有线位移,能传递剪力和轴力。

实际上绝对的铰接是不存在的,节点板的刚度和螺栓对梁端的旋转仍有一定的约束度,估计节点对梁转动的约束度,约为全刚性抗弯节点的10%。

这些连接能传递有限的弯矩,但在设计中可不予考虑,他们的延性足以容许被连接梁的充分转动。

4　柱与柱的连接钢结构制作和安装过程中,由于运输条件的限制,或者柱截面发生变化,需要将柱和柱拼接起来。

柱的拼接节点一般都是刚性节点,为便于现场安装操作,柱拼接接头一般设置在距楼板1.0m ～1.3m 的位置,同时避开水平荷载下的大弯矩区。

考虑运输方便及吊装条件等因素,柱的安装单元一般采用三层一根,长度10m ～12m 左右。

根据设计和施工的具体条件,柱的拼接可采用焊接或高强度螺栓连接。

焊接接头没有拼接节点板,传力简洁,外形整齐,节省材料。

但高空焊接作业,需要采取措施保证焊接质量。

5　梁与梁的连接5.1　主梁与主梁的拼接主梁的工地拼接,其形式主要有:1)翼缘为全熔透连接,腹板用高强度螺栓连接;2)翼缘和腹板都用高强度螺栓连接;3)翼缘和腹板均为全熔透焊连接。

主梁的拼接接头应设在框架节点塑性区段以外,以及内力较小的位置,考虑施工安装的方便,通常设在距梁端1.0m ～1.6m 处。

当翼缘或腹板均采用全熔透的坡口对接焊连接,并采用引弧板施焊时,可视焊缝与翼缘板和腹板是等强的,可不进行连接焊缝的强度计算。

高强度螺栓的计算可按以下两种方法计算。

a.等强度设计。

为保证梁截面刚度和强度的连续性,对于有抗震设防要求或按塑性设计的梁的拼接,应按被连接梁翼缘和腹板的净截面面积的等强度条件进行拼接连接设计。

b.非等强度设计。

对于无抗震设防要求的梁的拼接,可按梁拼接处的实际内力进行设计。

弯矩分别由翼缘和腹板根据弯矩刚度比分担,剪力由腹板承担。

为保证构件的连续性,即使拼接处的内力较小,拼接的强度也不得小于原截面承载力的50%。

5.2　次梁与主梁的连接次梁与主梁的连接应将主梁作为次梁的支点,可有两种做法:1)将主次梁的节点设计为铰接,即次梁为简支梁;2)将主次梁的节点设计为刚接,此时,次梁相当于连接梁。

铰接节点构造简单,制作安装方便,因而实际工程中主次梁节点一般采用铰接。

主次梁刚性连接构造和制作上比铰接连接要复杂。

如果次梁跨数较多、荷载较大,或者结构为井字梁,或者次梁带有悬挑梁,则次梁与主梁做成刚性连接可使次梁成为连续梁,从而可节约较多的钢材,并且可减少次梁的挠度。

此时,次梁剪力仍传给主梁,次梁梁端的弯矩直接在两相邻跨的次梁之间传递。

因此,次梁上翼缘应由拼接板跨过主梁相互连接,或将次梁上翼缘与主梁上翼缘垂直相互焊接,连接的强度可按与次梁截面等强度原则进行计算。

6　结语迄今,钢结构建筑已经历了多次强烈地震的考验,正如人们所预料的,钢结构的抗震性能远比钢筋混凝土结构优越。

但是,由于设计特别是构造上的不当,也发生了一些破坏,构件节点连接的破坏更是比较普遍。

因此,节点是整个钢结构设计工作的重要环节。

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