124-朱恒-PKPM钢结构节点设计与施工图

第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年
PKPM钢结构节点设计与施工图
朱恒
（中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司设计软件事业部北京100013）
提要：本文介绍了PKPM钢结构模块的节点库，列举了有代表性的节点类型，对类型特点做了简单介绍。

同时就节点设计中常见的一些问题和程序的处理方法做了详细介绍，探讨了合理的解决方案。

本文最后还就钢结构框架施工图的三种表达方式，以及其他相关的施工图方式做了介绍。

关键词：钢结构节点施工图
1前言
钢结构和其他结构的最显著的区别就在于节点，由于连接的构件截面、构件数量、角度、位置、变形要求等等情况的不同，使得钢结构的节点形式也是五花八门，形态各异。

虽然节点连接形式的任意性很大，但是一般常用的节点都通过图集或者设计手册的形式将其构型规范化。

PKPM钢结构软件在编制过程中参考了目前市面上常见的图集和设计手册，尽可能多的完善软件的节点系统，应该说，只要是常用的节点形式，都能在PKPM钢结构软件中找到。

2 PKPM目前所能设计的节点形式
由于PKPM钢结构软件的节点库是一个比较庞大的体系，跨越了钢结构软件的多个模块，所以这里也是分模块来介绍各个节点库。

节点库的关系可以用下面一张图来说明：
作者简介：朱恒（1981—）, 男, 本科, 工程师
图1 节点库与模块的关系
2.1框架节点
这个节点库是钢结构软件最基本的节点库，为各个模块所共享，也是内容最丰富最庞大的节点库。

目前程序可以进行设计的框架节点可分为梁柱节点、柱脚节点、支撑节点等，每个种类中又根据其连接的关系、连接柱的截面又可细分为多个小类。

下面表格列举了比较有代表性的节点：
2.2门式刚架节点
门式刚架节点在节点库中分为两类，一类是主刚架节点，有梁柱、柱脚、牛腿等节点。

图2 自动生成的主刚架节点
另一类是围护构件节点，主要有檩托、隅撑等节点。

图3 程序内置的围护连接节点
2.3网架节点
网架节点主要是球节点和支座节点，其中球节点分为螺栓球和焊接球两种。

网架节点在STWJ模块中
提供。

图4 螺栓球节点
图5 焊接球节点
2.4格构式节点
格构式节点是针对格构式截面所采用的节点，主要有肩梁、柱脚、人孔等节点。

图6 厂房中的格构式节点
2.5桁架节点
桁架节点按采用的桁杆截面可分为普通角钢槽钢的节点板式节点和管桁架节点。

图7普通桁架节点
图8 管桁架节点
3节点设计的方法和要点
各个节点的设计原则都是来自于规范、设计手册以及教科书。

大部分的连接的设计方法都可以视为最基本连接的组合。

比如说一个铰接的梁柱连接，其实就可以拆解为一个螺栓群设计、一个连接板强度设计、一道垂直焊缝设计。

但是在具体的设计中，除了简单的拆解基本连接，也有一些特别的设计原则需要注意的，下面就列举一些比较常见但又不容易理解的设计原则。

3.1框架节点
3.1.1等强原则
等强设计是在框架节点设计中经常会遇到的一种方式，即连接设计时所用的组合内力取被连接构件的承载力。

此时连接设计结果和被连接构件的内力无关，而和其截面的尺寸直接相关。

一般在构件拼接中是默认按等强原则来设计的，因为要满足假定的构件刚度连续的原则，必须保证连接与构件等强。

而像在《建筑抗震设计规范》[1]的8.2.8条第一款中也提到了，抗侧力构件连接的承载力设计值，不应小于相连构件的承载力设计值。

也就是说，规范也建议抗侧力构件连接按等强设计。

目前程序中对于支撑连接是始终按等强连接的，而像梁柱连接，则可以通过选项来打开等强连接设计。

图9 程序提供了等强连接的开关
3.1.2极限承载力
极限承载力验算一直都是框架节点设计中的难点。

该项的验算来自于抗震规范中的8.2.8条：“钢结构抗侧力构件连接的极限承载力应大于相连构件的屈服承载力”。

这里的抗侧力构件便是指代框架节点中的梁柱刚接节点、柱脚节点以及支撑节点，同时由于构件的拼接节点本身需要做到等强，也列入了极限承载力的验算范畴。

纵观8.2.8条，实际上自始至终体现了一个“强连接、弱构件”的原则。

在8.2.8条中，不
等式的左边是连接的极限承载力，这个力是连接破坏时的极限强度，而不等式的右边，是构件的塑性承载力，和考虑到构件的硬化系数和施工条件等的连接系数。

当极限承载力大于塑性承载力时，可以保证在连接破坏前，在连接构件上已经出现塑性铰了，此时结构刚度下降，就可以缓解对于连接的破坏作用了。

对于梁柱刚接节点，程序在极限承载力验算不满足的情况下，提供了三种方法来加强连接的极限承载力。

一种方法是上下翼缘贴焊板，增加翼缘的极限承载力。

图10 盖板加强
另一种方法类似，将梁翼缘加宽。

但这两种方法都有一定的局限性：前一种板厚不能超过翼缘，后一种宽度不能大于柱翼缘。

图11 加宽翼缘加强
当前两者都不能采用时，程序会采用最后一种方案：加腋。

图13 加腋加强
3.1.3节点域加强方式
节点域的验算按两个规范来控制，对于非地震组合，程序按《钢结构设计规范》[2]的7.4.2条进行节点域的抗剪验算，对于地震组合，则按照《建筑抗震设计规范》中的8.2.5条第二款进行节点域的抗剪和极限承载力验算。

对于不满足验算要求的，按规范公式，可以增加节点域的板厚来实现。

由于不同的截面类型，实现的加厚方式也有所不同：对于工字型截面，可以采用换板加厚和贴板加厚的方式，而对于其他类型的截面，则只能做换板加厚。

图14 替换板加强
图15 贴焊板加强
3.1.4常用设计法与精确设计法
这两种设计方法会在梁柱连接节点设计中出现，区别在于是否考虑腹板承担弯矩。

程序目前采用常见的0.7为界限的判断准则，即如果翼缘的塑性模量占到了全截面的塑性模量的70%以上时，则考虑采用翼缘承担所有弯矩的常用设计法，反之则采用精确设计法。

采用精确设计法以后，腹板连接需要承担一部分弯矩（按惯性矩分配），如果此时腹板采用了螺栓连接的话，会较纯剪情况下需要的螺栓数量增加数倍。

所以如果翼缘较窄或截面较高的话，可以尝试在根部加宽翼缘来规避精确设计法的判断。

3.2门式刚架节点
3.2.1两种不同的受弯假定
在实际端板式梁柱连接的计算中，目前存在着两种不同的考虑方法。

一种的是钢结构教科书上介绍的方法，即认为螺栓的弯曲中心就在螺栓群的中心。

另一种假定则是陈绍蕃老师在2000年的钢结构杂志上提出来的[3]，即假定中和轴在受压翼缘的中心，
此时弯矩主要由另一侧翼缘两侧的螺栓来承担，而其余的螺栓，则只承受剪力。

图16 中和轴在受压翼缘中心
图17 中和轴在螺栓群中心
目前这两种设计方法的使用也存在着较多的争议，一般认为第一种设计方法由于锚栓的力臂都比较短，在弯矩较大时很容易不满足计算要求，但是符合平截面假定；而第二种设计方法相对锚栓数量更少，但不适合连接处还存在轴力情况。

程序对于两种假定都给出了选择，用户完全可以按照自己的理解来选择适合的验算方法。

3.2.2新门规中对节点刚度验算的要求
在2012年的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》[4]局部修订版中，新增了节点刚度的验算。

这项增加的目的主要是考虑到一般门式刚架的连接节点如果不做刚度要求，应该是一种半刚性的连接，即梁柱之间可以出现一定的转动变形的释放，而这种释放的效果则会导致端部的弯矩减少，相应的增大跨中的弯矩，导致实际跨中挠曲变形会大于计算结果。

这种变形释放显然是不利的，所以规程也特别以局部修订的方式来规定节点的转动刚度。

对于刚度不满足要求的节点，程序提供了三种加强的方式：1.厚板替换，2.增加斜加劲肋，3.贴焊板补强。

3.3格构式节点
对于格构式节点，由于本身构造比较复杂，所以一般在验算时都会做一定的前提假定。

比如像肩梁节点，一般偏安全的假定是将其上盖板、腹板以及下盖板视为一个整体，构成一个工字形截面，同时忽略两个分肢对腹板的约束作用，仅按铰接考虑。

这样，一个复杂的节点就可以简化为一个简支梁模型。

图18 肩梁的计算简图
还有像人孔节点，由于开孔后截面削弱较强，所以此时已经不能作为一个整体截面来对待了，常用的设计方法是将其视为两个短柱，上下转动完全约束，且端部存在剪力。

图19 人孔的计算简图
4施工图表达
一个好的钢结构软件，精确的节点设计固然重要，但是更重要的还在于施工图的表达。

因为节点设计过程只是设计者头脑中的想法的产生，但是准确的把设计者的意图表达出来，变为实际的连接，还是要通过施工图。

而且由于钢结构本身的特点，如果没有合适的施工图表达，就很难让施工人员进行操作。

4.1二维施工图表达
二维施工图主要用于二维平面模型，当然也包括三维建模二维分析的模型。

二维表达的方式比较多，但主要是以立面图配以剖面为主。

图20 门式刚架施工图
对于门式刚架结构，程序还会给出详细的加工图。

图21 门式刚架零件图
当然，在工具箱中也有简单的二维施工图表达，比如像吊车梁。

这里就不再累述了。

4.2三维施工图表达
在框架全楼节点设计中，使用了三维的施工图表达方式。

程序提供了三种风格不同的施工图表达方式，每种方式都各有特点，适合不同的人群的需要。

图22 三种施工图模式
4.2.1设计图
设计图是这三种施工图中最简练的一种表达形式，她只表达构件之间的连接关系。

简单的举例来说，如果一个柱节点上连接有四根梁，这四根梁两两相对各是一种截面，暂时可以称之为梁截面A，梁截面B。

此时用设计图来表达时，会有两个连接图样，一个是柱与梁截面A，另一个是柱与梁截面B。

看起来似乎是连接图反而变多了，但其实如果在一个框架中的话，除了柱连四根梁的节点以外，还可能存在着连一根、两根、三根的情况，此时如果每个节点都去表达的话，显然会很啰嗦；但是如果只用设计图先表达出最基本的两种连接后，其余的节点实际上就是这两种基本连接的排列组合了，这样表达的图样实际上就能减少不少。

设计图由于其表达语言简练，图纸量少，适合设计单位出图用。

图23 设计图的表达方式
4.2.2节点图
节点图的表达是以节点为单位，表达各个构件在节点位置的连接关系。

节点图的表达原则就不类同与设计图了，节点图更注重将节点上的各构件之间的连接关系说清楚，通过三视图和轴测图来表达节点的各个连接情况。

应该说节点图更适合用来展示节点的连接情况。

图24 节点图的三维表达
4.2.3构件图
构件图则是以构件为单位来进行表达，节点连接不再是重点，而是要以构件为线索，来体现各个零件之间的相互关系。

所以构件图的侧重点是加工，所以更加偏向于详图设计单位。

图25 构件图的表达
参考文献
[1] GB50011-2010建筑抗震设计规范 [S].北京，2010
[2] GB50017-2003 钢结构设计规范 [S].北京，2003
[3] 陈绍蕃，门式刚架端板螺栓连接的强度和刚度[J]，钢结构，2000，47(1):6-11
[4] CECS 102：2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 [S].北京，2012。