建筑钢结构节点主要分类及设计要点

龚鹏

摘要：钢结构为建筑工程的设计提供了便利的施工条件。为了促进建筑钢结构更好地发展，应该以建筑整体发展与社会关注度为发展起点，探讨创造出以钢结构选型、钢结构布置、钢结构节点为核心的建筑整体功能与钢结构之间的新型关系。文章通过分析建筑钢结构节点的主要分类，探讨了我国建筑钢结构设计所需要关注的重点。

关键词：高层建筑；建筑钢结构；节点分类；钢结构设计；建筑工程 文献标识码：A

中图分类号：TU391 文章编号：1009-2374（2015）35-0022-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.011

随着我国钢材产量的连年增加，钢结构在建筑结构的使用也日趋广泛，因为钢材具有延性好、轻质高强和安装方便等特点，建筑钢结构日益受到人们的青睐。虽然钢材有较好的延性性能，但材料的延性并不能保证结构的延性，钢结构良好的塑性变形能力还需要强大的节点来保证。

1 建筑钢结构总体概述

所谓建筑钢结构简单来说就是一种利用先进的加工工艺及技术水平制作而成的建筑结构。钢结构具有其他建筑结构不可比拟的优势，例如，钢结构的强度较高、稳定程度好、成本较为低廉。目前，在我国为了充分发挥建筑物的功能、提高建筑物的整体质量，经常会选用钢结构作为建筑的主体结构。通过调查发现，当前在我国建筑设计领域中，钢结构所占的比例是逐年上升的，由此可知，钢结构已经发展成为提高建筑物质量的重要结构形式。因此，在实际建筑结构设计中，要合理选用钢结构作为建筑结构，同时要以稳定性、生态性、成本低廉的角度对钢结构进行选型、布置以及设置钢结构的节点。

2 建筑钢结构节点分类

2.1 刚性连接节点

只有在连接的节点处保证结构的完全连续性，才符合建筑结构的力学特征。在这种情况下，节点连接的各个构件所形成的角度不会在其最大承载力范围内产生变化。另外，刚性连接节点的强度大小应该超过被连接的构件所产生的屈服强度大小。

2.1.1 梁的拼接。梁的拼接一般分为螺栓连接和焊接，螺栓连接虽其刚度比焊接较小，但是螺栓连接的制作却非常简便，能保证质量，常现场进行拼接，焊接刚度相对较大，适用于工厂拼接。梁的连接在工地常采用螺栓连接，螺栓施工较方便，但连接或拼接全部采用螺栓，会使接头尺寸过大，板材消耗较多，且螺栓价格也较高，此外，螺栓连接不能避免在罕遇地震作用时滑移。

2.1.2 边柱与梁的连接。属于刚性连接的还包括边柱与梁的连接，通常情况下，都会采用端板连接的方式作为边柱与梁连接的主要方式。所谓端板连接简单来说就是一种通过两个建筑构件之间的端板进行节点连接的方式。在欧美等国家和地区，端板连接主要应用于低层和高层框架结构中，具有连接性能好、质量容易控制、焊接质量高、抗震性能好、无需现场焊接、安装施工简单等优点。

2.1.3 中柱与梁的连接。一般情况下，柱中节点的刚性连接包括：采用焊缝连接的方式焊接柱和梁端；采用焊缝连接的形式焊接柱和梁翼缘；螺栓连接柱和梁腹板；选择T形连接件螺栓连接的形式连接柱和梁端。而箱形焊接组合柱和钢梁的连接形式包含：梁端与柱的连接全部选择焊缝连接；梁翼缘与柱的连接选择焊缝连接，梁腹板通过摩擦型高强度螺栓与钢板相连，钢板的另一端应焊在柱翼缘上。

2.1.4 柱与柱的连接。在施工中，柱子和柱子之间的连接可根据柱截面的变化程度划分为变截面柱拼接和等截面柱拼接。一般柱和柱之间等截面焊接拼接，实际上是和梁的拼接相一致的。

2.2 半刚性连接节点

半刚性连接节点应该保障节点的承载能力不能低于其所连接的建筑构件的承载能力。但是半刚性连接节点在实际设计中一般不予运用，主要是因为半刚性连接节点选用的连接方式与建筑构造设计之间的关系导致建筑构件的弹性刚度要大于连接节点的弹性刚度。

2.3 铰接连接节点

一般情况下，铰接连接节点是不可以用在连接建筑构件的，主要是因为其不能够承受弯矩。而通过实际工程分析发现，铰接连接节点一般都用于建筑构件端部的连接，举例来说，连接柱脚、桁架、梁体的端部。不过，经调研发现，铰接连接节点的方式不是实现完全铰接。

2.3.1 主梁与次梁的连接。在我国建筑施工过程中，处理主梁与次梁的连接采用比较多的方式是选择简支连接，但是如建筑要求较高亦可选择刚性连接。这种连接方式虽较为复杂，但其对次梁不需进行翼缘处理，因而这种连接方式也比较受建筑师们的青睐。

2.3.2 斜梁的拼接节点。跨度较大的斜梁设计，为了便于施工运输常把斜梁分段设计，再在施工现场进行现场拼接。

2.3.3 桁架节点。板节点主要采用板节点连接，其节点连接处理简单网架结构节点。网架属空间桁架形式，是施工较为常见的空间结构，其受力性能较好，多应用于民用建筑中。

2.3.4 柱脚节点。柱脚在钢结构设计时要加强重视。实际工程中，因柱脚不稳定造成工程事故的案例不胜枚举。对于民用建筑，刚架所受的侧向力较小，常采用铰接形式。平板式铰接因其受力合理、连接方便而成为铰接的常用形式。带有加劲肋的柱脚，都可用于荷载很大的情况。钢管混凝土柱脚钢管混凝土柱脚连接分为插入式和端承式，但插入式柱脚连接为刚性连接。

3 建筑钢结构设计要点

3.1 判断建筑物采用钢结构的适用性

钢结构并不是可以适用在任何建筑工程中的。因此，在设计建筑工程结构之前，要结合建筑工程的实际情况以及建筑工程周遭的环境进行合理的判别，以防止由于钢结构不适用于建筑中而导致后期建筑设计方案与实际工程施工不符，从而增加了施工的成本，降低了施工单位的经济效益。通过实际研究发现，在比较大型的厂房车间、抗震要求较高的建筑中适用钢结构是合理的。

3.2 刚结构的选型、布置

目前，可将钢结构的建筑划分为六大类型，即塔桅、桁架、索膜、框架、网壳以及轻钢。在对这六种结构进行选择的时候，要依据建筑工程的实际施工条件进行确定。举例来说，网架结构一般适用于高度比较高且其荷载较大的建筑物。巨型SRC柱与钢筋混凝土混合结构一般适用于抗震条件要求较为严格的建筑物。在进行钢结构设计时，要充分结合当地的天气状况，如果是冬天，要充分考虑到下雪天雪压对建筑物的荷载，保障建筑的屋顶荷载与重力坠落曲线的相关规范标准相符合。如果建筑工程的跨度相对较大，在进行钢结构设计的时候，要充分考虑设置建筑物的拉索或者是设置建筑物的支撑物，以防止出现建筑物坍塌事件。除此之外，在进行钢结构选型时都要考虑到建筑钢结构受力路线的清晰性，同时要保证其受力分布状况是均匀的。

3.3 考虑钢结构的变形限值

一般情况下，如果抗侧力结构选用的是钢桁架制作组合而成的纯钢结构，需要遵循以下原则：第一，如果是在地震环境下，要保证其顶点位移在1/300，而其层间位移要保证在1/250；第二，如果是在风力作用的环境下，要保证其顶点位移在1/500，而其层间位移要保证在1/400。通过实际研究发展，抗侧力结构选用钢桁架制作组合而成的纯钢结构会大大提高刚性指标，进而增加工程成本。

3.4 结构体系选择

当建筑层数小于六层时，可以选择框架体系或者框架-支撑体系；当建筑层数大于六层时，可以选择框架-混凝土剪力墙支撑体系或者是框架支撑体系。通常情况下，建筑物层数较高的时候，都会选用双重结构体系。目前，组成框架柱的主要有三种，即钢骨砼柱、H型钢柱、钢骨砼柱和钢管砼柱，钢骨砼柱和钢管砼柱是组合型的框架柱，而这种组合柱一般都适用于规模相对较小的多层、高层建筑中，以通过减少材料的使用而获取更多的经济利益。在发生地震时，延性低的话，地震力大，反之地震力小，由于剪力墙的延性比钢支撑要低，因此就抗震性能而言，钢支撑结构更好一点。而对于钢支撑-砼剪力墙结构而言，由于对其的抗震性能研究还不够成熟，所以其抗震能力还不能够确定。在实际应用的过程中，应当对建筑的特点进行分析，通过不断实验和筛选，选择合适的结构体系。

3.5 控制钢结构界面

在选择完钢结构的类型及体系之后，要简单估算建筑物的构件截面。其估算与假定的主要是建筑物的梁体、柱体以及其支撑的尺寸大小以及形状。在选择钢结构的梁时，可以选择利用焊接方式、轧制方式或者是槽钢方式制作而成的H型钢结构截面。在对建筑物的构件截面进行估算时主要考虑以下方面：估算翼缘的宽度大小；估算并设置钢结构梁体、柱体以及支撑面的尺寸大小和形状；根据实际工程条件合理选择钢梁；合理确定建筑物构件截面的高度；合理估算建筑物板件的厚度。

3.6 设计钢结构的构件

在对钢结构进行设计时，其中最为核心的要素就是构件的设计。在设计构件时主要考虑以下三个方面：第一，构件材料的选择。其选择是存在难度的，为了保障构件的质量，在建筑工程正式施工前要科学合理地创建出囊括采购材料、工程施工以及后期管理的监督制度，以此保证建筑构件的材料符合设计要求，也符合国家规定的标准；第二，施工质量与施工技术水平。为了保障施工的质量符合设计方案的要求，施工单位需要尽可能任用经验丰富、技术水平较高的人员进行工程施工，从而防止由于技术原因而导致的建筑物质量问题；第三，控制钢结构的焊接与变形情况。如果钢结构的材质较为特殊、板材较厚并且其屈服强度超过了420兆帕斯卡，为了保障钢结构的质量，应该依据不同的接头形式，合理设置焊接的参数以及坡口的尺寸大小，同时要严格检验、测试接头焊接试件。为了防止因为焊接热量过高而导致的钢结构变形，在焊接钢结构的时候尽可能采用CO2气体保护焊。利用埋弧自动焊技术焊接工型或者是箱型的杆件，可以有效地提高工作效率，降低劳动强度。如果因焊接热量过高而导致钢结构变形，需要对其进行矫正。矫正的主要方式就是热和机械相互作用的方式。

3.7 设计钢结构的节点

由上文所述我们知道，在设计钢结构时最为关键的因素就是节点的设计。当前，钢结构节点可划分为三大类，即上文提到的刚性连接节点、半刚性连接节点以及铰接连接节点。在选择节点时要依据工程实际情况进行选择。在对节点进行设计时需要关注以下方面：第一，在焊接时要严格遵守规定，即焊缝的尺寸大小与形式都要符合国家标准；第二，在选择焊条时，要考虑到其与金属等材料的匹配性；第三，高强螺栓通常情况下作为楼层较高的建筑结构的连接传力螺栓，在对高强螺栓进行连接前要全面验算其孔壁的承载力；第四，严格遵循施工顺序进行施工。

3.8 编制设计图纸

设计图纸的编制主要包括设计图的编制以及施工图的编制。设计图是编制施工图的基础。制造钢结构的厂商会依据设计图制造出符合设计标准的施工图。一般情况下，施工图都是较为详细的。

4 结语

目前，钢结构在我国建筑行业的广泛应用推动了我国住宅产业化的发展。钢结构建筑已经成为了我国甚至是世界住宅建筑发展的主要趋向。主要是因为钢结构有着其他结构不可比拟的优势，包括其强度较高、防震效果好、施工效率高以及便于回收等。文章主要分析了建筑钢结构的节点分类，同时讨论了建筑钢结构设计的要点，以供参考。

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（责任编辑：周 琼）