钢结构建筑的细部设计

黄素华　周仁伟　高权泽

摘要：近年来，钢结构建筑的节点构造得到了快速发展和广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先介绍了钢结构节点构造的原则，分析了钢结构节点的一般构造，并结合相关实践经验，分别从将塑性铰的位置外移，以及梁冀缘焊缝衬板缺口效应的处理等多方面，就钢结构节点构造的改进进行了研究，阐述了个人对此的几点看法。

关键词：钢结构建筑；细部设计；节点；构造

前言

作为钢结构建筑细部设计的重要组成部分，节点构造占据着极为关键的地位。该项课题的研究，将会更好地提升对节点构造的掌控力度，从而通过合理化的措施与方法优化钢结构细部设计的整体效果。

一、钢结构节点构造的原则

钢结构节点构造有三强设计原则，主要包括强节点弱结构原则、强柱弱梁原则、强焊缝原则，遵从三强原则对于钢结构框架支撑的承载力有强化的作用，从另一个角度说也可以有效防止建筑遭到破坏时节点的损坏先于构件，确保整体性更加稳固。从设计的实际情况出发也不能让节点太强，要留出一定的空间确保建筑遭遇地震时板件能够承载一定的变形，通过提高韧性确保建筑的安全性，“强柱弱梁”原则就是遵从建筑结构的屈服原则，通过提高架构韧性的方式提高建筑的重力荷载。通常情况下，一层的框架能够承载一层楼的重量，框柱则需要承载盖层建筑及之上的重力，因此提高框架柱的承载力有利于提高监护整体的稳定性，这就要求我们在进行构件焊缝时做到“强焊缝弱钢材”原则，实现焊缝承载力高于板材构建，能够有效促使构件屈服面顺利避开焊缝，坚固的欠于鋼板中，这样整个框架的构件延展性增强。除此之外，为了提高侧力构件的抗震性，要格外注重构件出现的意外状况，如塑性铰部位的转动力与耗能，要防止竖向钢经受测力作用时支撑斜杆发生弯曲，在反复外力作用下多次弯曲会导致刚度退化，再如要注意节点螺栓的连接，连接韧性要强于焊缝，在重要构件与节点链接时要选用高强度螺栓。

二、钢结构节点的一般构造

1.全焊节点

1.1全焊节点连接形式

全焊节点连接：梁的上下翼缘用全熔透坡口对接焊缝，腹板用角焊缝与柱翼缘连接。翼缘对应处应加水平加劲肋，箱形柱内应设加劲肋隔板。加劲肋应按与梁翼缘等强设计，其连接焊缝亦应满足等强传力的要求。梁柱刚性连接中，梁端内力向柱传递时，梁端弯矩主要由梁翼缘承担，梁端剪力则主要由梁腹板承担。

1.2全焊节点的设计

在避免增加结构刚度和接头部位应力集中的情况下，根据“强节点弱杆件”的原则适当加强节点，在不发生失稳的情况下，可适当削弱梁。在梁上出现“塑性铰”时，尽量减少结构和焊接接头部位的应力集中，腹板上的工艺孔应平滑过渡。

2.高强螺栓连接节点

2.1高强螺栓连接形式

高强螺栓连接节点：梁腹板与柱以高强螺栓现场连接，以传递轴力、弯矩与剪力。该种连接形式施工要求十分严格，但是对于结构承受动载十分有利，可简化制造和安装，特别是在高层和超高层钢结构以及承受动载的结构设计中，所有连接节点均采用高强度螺栓连接方式。

2.2高强螺栓连接的类型和受力特点

高强度螺栓受剪力时按照设计和受力要求的不同，可分为摩擦型和承压型两种。摩擦型高强度螺栓连接在受剪设计时，是以外剪力达到板件接触面间由螺栓预压力使板件压紧所提供的最大摩擦力为极限的。在设计摩擦型高强螺栓时，应保证连接点在整个使用期间外剪力不超过最大摩擦力，即能由摩擦力完全承受，使板件间不会发生相对滑移变形，即螺栓杆和孔壁间始终保持原有空隙。连接件按弹性整体受力考虑。承压型高强度螺栓连接在抗剪设计时只保证在正常荷载作用下，剪力一般不会超过最大摩擦力，其受力性能和摩擦型相同。若剪力超过最大摩擦力时，连接板件间将发生相对滑移变形直到螺栓杆与孔壁一侧接触，之后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间摩擦力共同传力。

3.承压型高强螺栓连接的设计

承压型高强度螺栓连接的计算：抗剪连接沿杆轴方向的受拉连接同时承受剪力和杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓连接计算需按规范进行。原规范中规定的在抗剪连接中以及同时承受剪力和杆轴方向拉力的连接中，作了承压型高强度螺栓的受剪承载力设计值不得大于按摩擦型连接1.3的规定，主要是当时对承压型高强度螺栓的研究还不够深入，尤其是缺乏使用经验。我们采用承压型高强度螺栓的承载力不超过按摩擦型计算的1～3倍确保结构安全可靠。此外按规范规定结构的平均荷载分项系数约为1～3，满足此项要求的承压型高强度螺栓在荷载标准值情况不致产生滑移，则对保证结构的变形是有利的，但不能充分发挥承压型高强度螺栓的效能；而采用承压型高强度螺栓的前提是结构中允许发生一定滑移变形的连接，这相当于对承载力进行了控制。

4.栓焊混合连接节点

栓焊混合连接节点：梁翼缘与柱翼缘完全采用坡口焊接，而梁腹板采用普通或高强螺栓与柱翼缘连接的形式。纯螺栓或栓焊连接只是考虑现场施工方便，国外近期关于的地震破坏的资料表明，定位螺栓联合焊接的方式将是高层、超高层钢结构工程的首选。这种连接的优势在于不但可以保证节点属于刚性连接，同时结构可以承受动力荷载，经过反复加载后节点承载能力基本没有降低。经试验，这种形式的连接在经过多次非常剧烈的反复加载后会突然断裂，表明与柱子腹板的这种连接具有的延性较全焊接连接节点具有的延性稍差，但栓焊混合节点也能满足工程抗震所要求的延性。

三、钢结构节点构造的改进探讨

1.将塑性铰的位置外移

塑性铰出现在柱面附近的梁上，可能在柱翼缘的材料中引起很大的厚度方向应变，并对焊缝金属及其周围的热影响区提出较高的塑性变形要求，这些情况也可能导致脆性破坏。因此，为了取得可靠的性能，最好还是将梁柱连接在构造上使塑性铰外移。将塑性位置从柱面外移有两种方法，一种是将节点部位局部加强，一种是在离开柱面一定距离处将梁截面局部削弱。钢梁中的塑性铰典型长度约为梁高的一半，当对节点局部加强时，可取塑性铰位置为距加强部分的边缘处梁高的1/3。节点局部加强固然也可使塑性铰外移，但应十分注意不要因此出现弱柱，有背强柱弱梁的原则。

2.梁冀缘焊缝衬板缺口效应的处理

由于上翼缘焊缝处衬板的缺口效应不严重，而且它对焊接和超探也没有妨碍，出于费用考虑，割除上翼缘衬板可能不合算，如果将上翼缘衬板边缘用焊缝封闭，试验表明并无不利影响，因此美国现时做法是上翼缘衬板仍然保留并用焊缝封口。坡口焊缝的引弧板，在上下翼缘处通常都切除，因为引弧和灭弧处通常都有很多缺用气切切除后还需打磨，才能消除潜在的裂缝源。

3.选用有较高冲击韧性的焊缝

焊缝冲击韧性不足会引起节点破坏。那么焊缝究竟要有多大的冲击韧性才能防止裂纹出现呢？美国提出，焊缝的恰帕冲击韧性（CVN）最小值取-29℃时27J（相当于-200F时20ft-1bs）是合适的，可以发展成为事实上的标准。在最近美国的实际工程中，采用E71T-8型和E70TG-K2型焊条的普通手工焊电弧焊已表明焊缝最小冲击韧性可满足上述要求，而采用E7018型药芯焊条的“贴紧焊”焊缝冲击韧性值更高，但都必须按AWS规定的焊接和探伤方法操作。

四、结束语

综上所述，加强对钢结构建筑的细部设计节点构造的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的钢结构节点构造中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视，并注重其具体构造实施方案的系统性。

参考文献：

[1]董建设.小议现代建筑钢结构的设计与安装[J].中小企业管理与科技（下旬刊）.2015（03）：88-89.

[2]刘明亮，王超，赵亮.浅谈钢结构设计[J].科技向导.2014（20）：115-116.

[3]谭坚，区彤，李松柏，方国华.钢结构节点研究[J].建筑结构.2014（04）：50-52.