談鋼結構節點設計

黃雙鳳  王  明

(1．陜西新陸設計有限責任公司  710001  西安；2．陜西省現代建筑設計研究院710049  西安)

    鋼結構房屋具有強度高、自重輕、施工速度快，抗震性能好及工業化程度高等特點，鋼結構節點設計是結構能否安全可靠的關鍵，應該按照“強節點弱構件”或節點等強設計的原則，節點設計合理對結構整體性、可靠度以及建設周期有著直接影響。

    本文主要介紹鋼結構節點設計的常規做法、國外改進后的節點形式。

1.鋼結構節點設計常規做法：

    1.1在鋼結構連接中最常用的是焊縫連接和螺栓連接，鉚釘連接現已很少采用：

    1.1.1焊縫設計中焊縫大小要通過計算確定，不得任意加大焊縫，焊縫的重心應盡量與被連接構件中心接近；焊絲焊劑應與母材強度相匹配，當兩種材質鋼材焊接時應選用與低標號材質相適應的焊條。如：E43對應Q235，E50對應Q345．；Q235與Q345連接時，應該選擇低強度的E43，而不是ES0。

    1.1.2螺栓連接分普通螺栓連接、高強螺栓連接。普通螺栓抗剪性能差，多用在次要結構部位。高強螺栓根據受力特點分摩擦型連接和承壓型連接，兩種連接方式工作原理不同，可查閱相關資料，目前鋼結構施工上摩擦型高強螺栓的連接應用較廣泛，常用8.8s和10.9s兩個強度等級。高強螺栓最小規格為Ml2，常用Ml6～M30。超大規格的螺栓性能不穩定，設計中應慎重使用。

    1.1.3節點設計必須考慮安裝螺栓、現場焊接等的施工空  間及構件吊裝順序等。構件運到現場無法安裝是初學者常犯的錯誤。此外，還應盡可能使工人能方便的進行現場定位與臨  時固定。

    1.1.4節點設計還應考慮制造廠的工藝水平。比如鋼管  連接節點的相貫線的切口需要數控機床等設備才能完成。

    1.2節點形式的選擇：

    1.2.1在進行結構設計時，在結構分析過程中就應該想好用哪種節點形式，根據結構構件的選用，傳力特性不同判斷用剛節點、鉸節點還是半剛節點，連接方式的不同對結構影響很大，比如：門式剛架結構，為了降低用鋼量，鋼柱選用變截面柱子，那么柱腳節點做成鉸接，梁與柱連接處做成剛接就比較合理。

    1.2.2輕鋼結構形式多樣，近年來，門式剛架鋼結構獲得了迅速發展，這種體系用鋼省、造價低、制作簡便、施工期短、商品化程度高，而且造型美觀，適用面廣，顯示出很強的競爭優勢。門式剛架中，連接節點的設計是整個設計過程中極其重要的一環，節點設計得當與否，對保證結構的整體性、可靠度以及建設周期和成本有著直接影響。輕型門式剛架中普遍采用高強度螺栓的端板連接，一般推薦采用端板連接作為主要的梁柱連接和構件拼接節點。

2.國外改進后的節點形式：

    2.1國內外大量研究和實踐證明，在輕型鋼結構的抗彎連接中，端板連接最為經濟，它比通常的腹板、翼緣連接節省材料和緊固件，而且避免現場焊接，所以目前它己成為抗彎連接的主要形式。端板連接節點是輕型鋼結構中普遍采用的連接形式，它可分為剛性節點、半剛性節點和鉸接節點三類，半剛性節點需要通過實驗來取得較準確的設計數據，國內設計一般不采用。

    同時，一些其他新型的節點連接形式也相應出現；比如帶有加勁肋的剛性節點法蘭連接和無加勁肋的半剛老派性節點法蘭連接等。

    2.2鋼框架結構的梁柱連接多按剛性連接設計，主梁與柱的連接具有足夠剛度。在鋼結構設計中經常會遇到節點不滿足要求的，例如：箱形柱與工字鋼梁剛接時，對于箱形柱，最常見的是該柱強軸方向節點域屈暇承載力不滿足要求，[(Mpbl+Mpb2)／Vpl／[(4／3)]，需加厚腹板厚度；對于工字鋼梁，按抗震規范8.2.8條進行梁柱連接的極限承載力驗算，Mu=<1．2Mp，不滿足，需要加強蓋板的厚度(蓋板厚+梁翼緣厚)>柱翼緣厚!但無法加強!像這種情況整體加厚柱子腹板厚度，會導致過大的浪費。于是我們經常采用節點處換板來加以改進。對于梁柱節點，可以選用楔形蓋板加強框架梁梁端與柱的剛性連接、在梁端下部加腋板加強框架梁梁端與柱的剛性連接、”犬骨式”的連接構造等等。在設計中遇到節點連接不滿足的情況，我們要仔細分析原因，然后選擇合理的節點形式。

    2.3對于國外的一些報道，我們要從中學習，避免類似錯誤再次發生。

    1994年1月17日發生在美國加州圣費南多谷地的嶺地震和1995年1月17日發生在日本兵庫縣南部地區的阪神地震是兩次陸域型強震。都導致了焊接鋼框架梁、柱連接節點的廣泛破壞。震后研究結果表明：兩國鋼框架破壞情況的報道，主要集中在梁柱混合連接的節點上，混合連接是一種現場連接，其中梁翼緣與柱用全熔透坡口對接焊縫連接，梁腹板通過連接板與柱用高強度螺栓連接。美國慣常采用焊接工字型柱，規定在梁翼緣連接處，工字型柱腹板上設置加勁肋。當梁翼緣承受的彎矩小于截面總彎矩的70％或梁腹板承受的彎矩大于截面總彎矩的30％時，要將梁腹板與連接板的角部用角焊縫焊接。日本則廣泛采用箱型柱，規定在箱型柱中設置隔板，腹板螺栓連接應按框架達到塑性階段時的承載力設計，螺栓應設置2—3列，也是為了考慮腹板可能承受的彎矩。我國對鋼結構的研究還處在逐步深入階段，作為鋼結構設計者要在學習中提高自己，在工作中積累經驗。

依據標準及參考文獻：

[1]中國建筑標準設計研究院《多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖》(含2004年局部修改版)

[2]資料《北嶺地震和阪神地震后美日鋼框架節點設計的改進》

[3]國家標準《建筑抗震設計規范》GB 50011—2001(2008年版)中國建筑工業出版社，2008

本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)