高层建筑钢结构施工技术及钢结构体系梁柱的连接节点设计

2022-01-01李冠东

中国建筑金属结构 2022年11期

李冠东

0 引言

高层建筑结构部分是影响高层建筑安全与稳定的基础，钢结构是现代建筑中常用的结构类型。选择钢结构可以有效减少高层建筑的自重，进而提升高层建筑抗震等级。而且，钢材料具有良好的韧性和塑性，可增加高层建筑的荷载能力，提升高层建筑的稳定性。鉴于钢结构的优势，具体的高层建筑施工中，需要合理应用高层建筑施工技术。具体的应用中，钢结构体系梁柱的连接节点设计问题是影响钢结构应用质量的关键。基于此，本文对高层建筑钢结构施工技术展开分析，再详细地对钢结构体系梁柱的连接节点设计展开探讨，具体内容如下。

1 高层建筑钢结构优劣分析

钢结构是由钢板、热轧钢板和薄壁型钢等材料组成，在跨度大、载荷大的构件中，抗拉、抗压及延展性等可满足高层建筑施工需求。高层建筑钢结构的应用，具有回收效率高、节能、施工周期短、抗震性能好等优点。但是，在实际应用中，钢结构的焊接处极容易出现安全隐患。而且，在温度升高的情况下，由于钢结构的热传导率较高，会降低钢结构的弹性及强度。如果出现火灾，钢结构的强度会降低30%，严重影响高层钢结构的安全性。

结合钢结构本身的性能将其应用于高层建筑施工中，可以提高钢结构施工效率，并降低工程施工成本。但是，在实际施工过程中仍需要考虑钢结构的焊接、连接等问题，降低焊接断裂及连接不稳等问题的出现，对进一步提高建筑钢结构的综合施工水平有促进作用。

2 高层建筑钢结构施工技术应用

2.1 钢结构焊接技术

钢结构的连接形式有多种方法。在实际应用中，要根据不同的材料，对焊缝表面进行预处理，以保证焊缝表面符合要求。首先是结构，然后是节点，最后是整体的展开。焊接工作的重点是横梁、钢板支架等，其焊接工艺是沿垂直方向向上进行。在高层建筑钢结构的焊接中，必须对焊缝进行严格的检查，以保证其质量符合要求。一般采用非破坏性技术对钢结构进行焊接，以防止焊接缺陷的产生。此外，在进行焊接时，应加强对钢材材质的检测，防止因焊接而造成的裂纹，从而保证钢结构的安全和稳定。

2.2 吊装施工技术

在钢结构工程中，吊装是一项必不可少的技术。主要采用大型起重设备进行吊装，并对高层建筑的施工条件、结构形式、立面形状等进行了详尽的介绍。根据所获得的数据，对起重作业区域进行了分区，并确定了合适的起重方案，进行了钢结构的吊装：（1）钢柱的吊装。第一节钢柱吊装时，必须在预埋地脚螺栓处安装防护套，以防止在吊装时发生冲撞，使锚杆失去作用。在起重过程中，必须严格控制起重的速度，防止超速，保证钢梁的竖直。在钢柱到达安装位置后，先拧紧临时连接板上的高强度螺栓，以提高力矩。校正完毕后，对齐高度进行校正，保证误差在容许范围之内，若有较大的误差，可分成若干次，最后的控制偏差应在±2 mm 以内[1]。（2）牛腿。建筑工艺在实际工程中，采用两端套管接头的方法，不仅需要很高的施工工艺，而且很容易发生接头误差。如果采用搭接方法，不仅会造成大量的钢材损耗，而且会增加工程造价。根据以上两种方案，采用双头牛腿，将钢筋两端焊于牛腿，使其承受外力的传递，保证钢结构的安全、稳定，并能降低工程造价。

2.3 钢结构测量技术

钢构施工测量是一项高精度的工作，在工程测量中应仔细设置参考点、参考网络、校验方法、数据传输路径等。塔吊的选型、吊装、测控、施工安全等是目前常用的测试技术。在工程施工中，塔式起重机是工程测量技术的关键。在选用塔吊时，内攀爬式塔吊比附着式塔吊更节省造价，因而被广泛用于高层建筑的钢结构[2]。

2.4 钢结构的安装工艺和施工技术

2.4.1 钢结构的安装工艺

在高层建筑钢结构施工中，因吊装、制造等原因，将其分为不同的部分，通常采用钢柱分段来划分。在高层建筑的吊装作业中，除确保各构件的刚性外，还应确保吊车在攀爬时的稳定。因此，在进行高层建筑立面施工时，应考虑到三点：（1）吊车的工作特性应符合在这一流水区段中最重的物件；（2）吊车的爬高必须达到下一节流水段构件的高度：（3）每节流水段内立柱的长度必须能够满足构件制造和搬运堆放的要求。

2.4.2 钢结构施工技术

（1）特殊钢结构安装。特殊钢结构往往以组合的方式出现，其体积大、重量大，其连接方式多种多样，对连接的要求也很高。特殊钢结构在整个工程建设中扮演着举足轻重的角色。在不同的工程项目中，特殊钢结构通常都是不一样的，所以，在特殊的情况下，不可能建立起一套完整的安装技术和安装方式，这也是目前我国高层建筑施工的一个难题。

（2）外展式桁架与天桥的施工方式。由于这种结构的重量较重，大型吊车很难接近起重，因此通常采取“地面拼装，整体提升”的施工技术与技术。针对起重设备，一般选用钢丝绳式液压起重设备，特别是吊装距离大、吨位大的起重机，采用这种设备及施工技术，具有很好的安全性和可操作性[3]。

3 钢结构体系梁柱的连接节点设计

3.1 改进型高层建筑钢结构梁柱节点足尺试验设计

在设计时要运用合理化方法积极开展高层建筑钢结构梁柱节点足尺试验构件的设计工作，因此，在高层建筑钢结构梁柱节点足尺试验分析中，要对连接梯形加宽扩翼节点进行合理设计，对于柱子的高度、内隔板的厚度、箱形横截面、长度、梁截面、节点处端面的数据进行有效计算，明确技术要求，并对梁端强化-螺栓全拼接节点进行优化，从而提高节点设计效果。

为了提高试验的质量和水平，保障试验的安全，需要对试验应用的装置进行科学设计，使得试验的质量和水平达到有效状态。具体来讲，第一，明确T 字形结构；第二，对钢结构的受力情况进行模拟，重点对梁的反弯点位置进行有效计算；第三，将试验应用的试件竖直放置，将应用的柱子设置为半圆形的弧形轴并放置在槽内，应用合理化的方式对于柱底进行水平支撑，保持柱底具有良好的稳定性，避免其受到负荷影响从槽内滑出；第四，进行材料性质的科学试验，对于试验中出现的现象、应变变化规律、滞回曲线和骨架曲线、梁总转角和塑性转角、节点域转动能力、梁的变形等方面进行有效分析，提高试验的质量和水平。

3.2 梁端加强型节点设计

梁端加强节点采用加腋、盖板等方法加固节点，利用节点的受力比其他部分大，从而将塑性铰推到梁上。

面对学生的这些问题，一年前的我，一来会自我贬低，觉得自己怎么这么没用，小小一个班级都管理不好；二来会贬低学生，认为他们太差劲，连认真上课都做不到。为了释放心中压抑的情绪，我可能会在班里用恶狠狠的话语骂上一通。可以想象，我的脸色极其难看，声音相当刺耳，没经过理性思考说出来的话十分难听，整个人成了“恶魔”的代言人。

3.2.1 梁端加腋节点

梁端加腋式节点通过加腋的方式增大了钢管接头的有效截面高度，从而在梁腋区的外侧形成塑性铰，从而减小了梁下翼缘对接焊缝的应力。加腋节点一般为三角形肋骨，采用 H 型钢或工字钢进行切削。这种结构的延性满足梁柱的刚度要求，而塑性铰出现在梁翼缘宽度为加腋末端的一倍左右。梁端加肋节点具有较好的抗震性能，常用于加固。但它的加腋点和翼缘焊接在梁下，作业空间很小，增加了施工的难度，所以施工人员一般不会选择这样的方法。另外，加腋对室内空间的空间和美感也有一定的影响，因此受到了更多的约束[5]。

3.2.2 梁端加盖板型节点

梁端加盖式连接件通过在梁端处焊接盖板，以增大梁根截面的截面抗弯矩，令盖板外侧较弱的截面在梁根部之前进入塑性，使塑性铰在梁间成形。通过对盖板式梁柱的连接实验，发现梁端加盖板式节点可以满足钢框架塑性铰外移的设计要求，合理的设计方案可以确保塑性铰的位置，并提出了在梁端与梁端结合的梁端加盖板型节点不会降低小梁的承载力，且在多层住宅中使用时不会影响房屋的美观。

3.3 削弱梁截面型节点设计

弱化梁截面节点是利用减少梁端梁和柱节点附近梁的截面面积，使得受弱化部分的承载力比梁端节点的承载力低，从而在大地震时梁柱的薄弱部位先形成塑性铰，从而防止节点出现脆性断裂。

3.3.1 狗骨型节点

利用靠近节点的梁和梁的边缘来削弱结构，使得结构在地震中弱化形成塑性铰链，就像是熔断器一样，从而防止了延性不强的梁柱连接出现脆性断裂。狗骨型节点给人的感觉是“因为削弱了梁截面必然使结构的刚度降低”，而实际上，由于梁的弱化而导致的结构刚度下降很少，如果将翼缘减半，则会导致结构的刚度下降6%～7%；如果减少40%，则会减少4%～5%[6]。

从实验的观点来看，这种新型的梁-柱节点具有良好的稳定性和抗震性能，并且具有很低的塑性变形能力，也就是能量消耗。与常规节点相比，刚性降低在5%以下，强度降低在6%以下。通过实验和资料的分析，综合考虑了结构的延性、强度、刚度等各项重要指标，得出了一种新型的狗骨型连接梁翼缘结构的弱化设计方法。

狗骨节点具有良好的延性和减震能力，在加工节点零件时，需要对圆弧进行精确的切割，切割面要平滑，没有尖锐的棱角。

3.3.2 腹板削弱型节点

利用弱化梁截面，使相邻节点的受力小于节点，而非节点区之外的薄弱部分则在节点前形成塑性机制，从而防止梁柱结合处发生脆性断裂。腹板开孔结构的失效形式为梁翼缘和腹板的局部变形，其延性破坏符合抗震设计的要求，并且与常规试验相比，有效减小试件的承载力下降，并且二者的滞回曲线基本一致，并未造成强度和刚度的大幅度下降。

3.4 带侧板的钢节点设计

总之，将梁柱的塑性铰从梁端向梁端移动，通常有两种方法：一是在梁端增加盖板、肋骨、梁腋，加强梁柱的节点，并减弱梁的截面（即狗骨和梁腹板的弱化）。这些节点都是以前北岭地震的节点为基础，对节点进行了简单的修改，将其命名为“北岭后前北岭地震节点”。采用侧板钢节点，一方面可以将塑性铰从梁-柱间的连接点向梁传递，同时也解决了传统的两个传统问题。由于这种结构具有两种独特的创新：梁端与柱翼缘分离，采用了全水平侧板。梁柱间的物理隔离可以改进传统节点传递力的途径，消除三轴应力集中，有效地防止了柱翼缘撕裂破坏；采用全高边框，可以有效加强节点的中心刚性，并将塑性铰接在梁上[7]。