钢框架结构的节点设计

侯广伟 陈立杰

摘要：钢框架主要是钢梁与钢柱相结合组成的，并能够承受水平荷载以及垂直的的结构，同时，也是在多层钢的结构建筑当中较为普遍的结构体系，而梁柱节点的连接则是确保钢结构的重要安全部位。通过多次震害证明得出，钢框架结构由于在地震当中极易受到一定的损坏，其受到损坏严重的位置就在于刚性梁柱节点。对此,就如何针对节点设计进行研究探讨。

关键词：钢框架结构 节点设计

中图分类号：TU2文献标识码：A文章编号：

引言：

随着社会的不断进步和技术的不断发展，框架结构不再是采用单一的钢筋混凝土.全钢结构具有自重轻、结构面积小、工期短、延性大、承载能力大等优点，因而越来越多地被应用到工程实践中.常用的钢框架结构主要有下列几种：纯框架结构体系、框架－支撑体系以及钢框架－核心筒体系、带伸臂桁架的钢框架－核心筒体系和筒体结构体系等较复杂的结构体系.

1.设计原则

1.1平面设计原则

全钢框架结构的设计应力求建筑平面简单规则，平面和空间划分合理，外形简洁便于结构布置。结构布置应力求使结构各层的抗侧力中心与水平作用合力中心接近重合，以减小结构受扭的影响.抗侧力构件宜沿平面纵横布置，做到分散、均匀、对称。柱距不宜过大.柱网宜采用6～9m.结构布置还应尽量避免平面和竖向不规则，结构计算时应采用符合实际的结构计算模型并考虑扭转影响，对于特别不规则的结构宜采用弹性时程分析法作为补充计算。

1.2节点设计原则

钢结构的抗震设计应符合“强节点弱构件、强柱弱梁、强焊缝弱钢材”的“三强”设计原则.对于框架、支撑等杆系构件，使节点的承载力高于构件的承载力，防止节点的破坏先与构件的破坏，是确保构件整体性的必要条件.但对于框架，节点又不必过强，应允许地震时梁柱节点域的板件能产生一定量的剪切屈服变形，以提高整个框架的延性。“强柱弱梁”型框架，易于实现构件总体屈服机制。地震时构件的坍塌，最终原因是由于其构件受地震作用损伤后承载力低于所承担的重力荷载.一般情况下，框架梁仅承担本楼层的重力荷载，而框架柱则需承担本层以上更多楼层的重力荷载，强柱有利于提高框架的防坍塌能力。构件焊缝的延性一般均低于被连接件的钢材延性，“强焊缝弱钢材”即要求焊缝的承载力应高于被连接件钢材板件的承载力，可以使构件的屈服截面避开焊缝而位于钢板之中，从而提高构件以至整个构件的延性。

2.对于节点连接的主要形式

通常梁柱节点的连接形式主要表现在几个方面：

2.1在梁和柱所应用的是丁字形的连接形式，在柱上会焊有安装的用支托，而柱的腹板可以应用横向的加劲肋进行加强。其优点具有较大的刚度，而缺点就是具有较大的施工难度，并且不易确保质量。

2.2在梁和柱之间以角钢与盖板的连接形式。在根据梁腹板和竖直角钢的连接，从而传递剪力。在柱上会焊有用支托，可以避免仰焊，而在上部的水平板必须要小于梁翼缘，下其部要大于梁翼缘。

2.3应用宽翼缘T形钢的连接形式。其优点就是可以提高柱的抗扭刚度，而缺点就是耗钢量较多。

3.在钢框架结构中的节点连接

根据梁柱连接转动的构造以及与刚度之间可以把梁柱的连接节点主要分为以下几类。

3.1刚性连接

一般在刚性连接当中主要包括了栓焊连接、全焊连接以及全栓连接。而对于这种构造如果是在梁柱连接中是具有一定的刚性，而在梁柱间没有相对的转动，所以可以承受弯矩。但是,在通常的情况下，如果框架是抵抗侧力时，一般都是应用刚性连接，但是,刚性连接如果从理论上讲，它所承受的剪力与弯矩的能力都不会小于梁的承载力，也就是不会低于腹板全塑性剪力以及塑性铰弯矩。

3.2柔性连接

在设计和分析的过程中,如果该构造在承受重力的荷载时它不会传递弯矩，只会传递剪力，所以，应用这种方法其实就是为了达到简支梁支撑条件，也就是在梁端并没有发生线位移，却可以转动。

3.3半刚性连接

该连接是作为转动刚度在刚接与柔性连接之间节点的连接形式。由此可以看出，在这三种接连当中，如果应用柔性连接时，其构造较为简单，然而在耗能与刚度方面性能会较差，而结构的抗震能力与抗风能力不够完善。而应用刚性连接，其具有较好的受力性能，但构造较为复杂，不利于施工，所以难以确保其质量。但是，在应用半刚性连接当中，它所具有柔性连接与刚接的优点，同时也可以减少梁跨中弯矩，而加强了侧向的刚度，并且具有良好的承载能力。此外，在施工过程当中，它的构造较为简单，可以保证其施工质量。

4.材料选取

4.1材料的选取除了满足强度要求，还应具有冲击韧性的指标也要有所要求。可采用夏比冲击试验来选材和进行质量控制，所用材料应严格满足有关结构标准所要求的冲击。

4.2对厚钢板母材的材质要求：厚壁钢材焊接的致命缺陷是发生沿母材板厚方向的层状撕裂与母材的Z向胜能有很大关系，一般认为庄钢材中含有硫、磷等有害杂质使轧制过程中易形成片状硫化夹杂物等材质缺陷只能导致钢材沿板厚方向受力时一通常为焊接收缩应力容易分层撕裂发生层状撕裂后般很难修复。因此，刚颁布的高层民用建筑钢结构技术规范中，特别规定各类板厚度最小值。

改善厚钢板的z向性能与冶炼工艺有关国际上通行的做法有两种：一是提纯法，通过降低钢材中硫、磷的含量达到提高z方向性能的目的，目前我国标准采用此法z向吐能分为三个等级的与含硫量指标有关，在大连远洋大厦高层钢结构的设计中特别将含硫量、磷量统一做了控制。另一种做法是通过特殊的冶炼工艺将硫化物等有害杂质剔除。

4.3焊缝金属应与母材强度相匹配：Q235钢应选用E43型焊条或相应的焊丝；16Mn钢应选用E50型焊条或相应的焊丝；15Mnv钢应选用E55型焊条或相应的焊丝。

5.楼板与梁的节点连接

多高层建筑的楼盖一般为钢与砼组合楼盖，楼板应具有足够的刚性，以传递和分配地震作用.楼盖梁可采用钢－砼组合梁.楼板宜采用压型钢板上现浇钢筋砼的组合楼板或非组合楼板以方便施工.楼板与钢梁之间连接也是节点设计的一个关键，可靠的连接能保证楼盖的整体性，从而有效地传递和分配地震作用.特别是在楼板与钢梁边缘，施工时一定要采取有效的措施，砼一定要振捣密实，避免漏浆.板与钢梁之间必须采用剪力连接件使两种材料连接，连接件根据其变形能力的不同分刚性连接和柔性连接，方钢及T型钢为刚性连接；圆柱头栓钉、槽钢及弯钢筋连接属柔性连接，常用的连接件为圆柱头栓钉连接，栓钉直径为16～25mm.抗剪连接件的设置应符合以下规定：①栓钉连接件钉头高出翼板底部钢筋顶面不宜小于30mm，这主要是为了保证连接件在混凝土翼板与钢梁之间发挥抗掀起作用，并且底部钢筋能作为连接件根部附近混凝土的横向钢筋，防止混凝土由于连接件的局部受压作用而开裂. ②连接件沿梁跨度方向的最大间距不应大于混凝土翼板（包括托板）厚度的4倍，且不大于400mm，这主要是为了防止在混凝土翼板与钢梁接触面间产生过大的裂缝，影响组合梁的整体工作性能和耐久性. ③连接件的外侧边缘与钢梁翼缘边缘之间不应小于20mm. ④连接件的外侧边缘至混凝土板边缘间的距离不应小于100mm. ⑤连接件顶面的混凝土保护层厚度应不小于15mm.

6.结语

钢框架结构越来越多地应用到工程实际中，作为结构工程师必须要根据建筑的特性、使用功能以及设计原则等方面,从而合理的应用结构体系,并且要根据钢结构的重要特性,而选用适当的构件截面。此外,在节点域的范围里,必须要应用合理的措施,既要节约又要安全。在应用其软件时,要按照工程的主要特性,并合理规范地选择计算参数,以保证其准确性。在设计当中,必须要按照设计的依据、技术数据、荷载、选择材料的具体要求、结构的布置、设计要求、选择构件截面以及节点构造等方面都要了解详细,以便编制施工的详图,从而也更好的应用在施工过程当中。

参考文献：

[1] 严佩祥.浅谈钢框架结构节点设计[J].科技与生活,2011(8).

[2] 王国强．浅谈多高层钢结构连接节点设计[J].山西建筑,2007(33).

[3] 黄伟.钢框架结构梁柱性节点抗震设计[J].山西建筑,2007(35).