易文新

摘 要：本文介紹高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)和桿件接頭處的三種桿件連接方式，其性能及適用范圍進(jìn)行了分析比較，然后對(duì)梁、與柱、柱與柱、梁與梁的連接以及抗震剪力墻與框架的連接等方式進(jìn)行了闡述，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)；連接節(jié)點(diǎn)；安裝

中圖分類(lèi)號(hào)：TU352.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-0422（2013）08-0120-02

1 前言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑在我國(guó)日益增多。高層鋼結(jié)構(gòu)具有承載力高、抗震性能好、施工周期短等特點(diǎn)，特別適用于高聳的高層建筑。在高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)連接良好的抗震設(shè)計(jì)是保證結(jié)構(gòu)安全的重要一環(huán)。連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足強(qiáng)度、延性和耗能能力三方面的要求，其連接強(qiáng)度應(yīng)高于相連構(gòu)件端部的屈服承載力，并且必須有較大的變形能力，用以彌補(bǔ)強(qiáng)度方面的缺陷。鋼材本身具有很好的延性，但這種延性在結(jié)構(gòu)中不一定能體現(xiàn)出來(lái)，這主要是由于節(jié)點(diǎn)局部壓曲和脆性破壞而造成的，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)采用合理的細(xì)部構(gòu)造，避免應(yīng)變集中而形成較大的約束應(yīng)力。在鋼材的選用上應(yīng)滿足強(qiáng)度、塑性、韌性及可焊性的要求。鋼材強(qiáng)度指的是抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，鋼材應(yīng)具有較高的強(qiáng)屈比，其屈服強(qiáng)度的上限值和下限值應(yīng)適當(dāng)。鋼材的塑性表現(xiàn)在伸長(zhǎng)率和冷彎性能兩項(xiàng)指標(biāo)上，反映鋼材承受殘余變形量的程度及塑性變形能力。對(duì)抗震結(jié)構(gòu)還必須滿足沖擊韌性的要求。鋼材另一重要的基本要求是對(duì)化學(xué)成分含量的限制，它將直接影響結(jié)構(gòu)的可焊性，應(yīng)控制鋼材的碳當(dāng)量。在高層鋼結(jié)構(gòu)中，厚鋼板的應(yīng)用較為廣泛，在梁一柱節(jié)點(diǎn)范圍，當(dāng)節(jié)點(diǎn)約束較強(qiáng)，板厚等于或大于40mm時(shí)，應(yīng)附加要求板厚方向的斷面收縮率，以防發(fā)生平行于鋼材表面的層狀撕裂。

2 桿件連接

2.1連接方式

2.1.1 連接類(lèi)型

建筑鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件節(jié)點(diǎn)和桿件接頭處的桿件連接可采用：（1）全焊連接；（2）高強(qiáng)度螺栓連接；（3）焊縫和高強(qiáng)度螺栓混合連接。

2.1.2 性能比較

2.1.2.1全焊連接，傳力最充分，不會(huì)滑移。良好的焊接構(gòu)造和焊接質(zhì)量可以為結(jié)構(gòu)提供足夠的延性。缺點(diǎn)是焊接部位常留有一定的殘余應(yīng)力。

2.1.2.2高強(qiáng)度螺栓連接，施工較方便。但是，桿件的接頭若全部采用高強(qiáng)度螺栓時(shí)，接頭尺寸較大，鋼板用量較多，費(fèi)用較高；而且強(qiáng)烈地震時(shí)，接頭可能產(chǎn)生滑移。

2.1.2.3栓焊混合連接，應(yīng)用比較普遍。先用螺栓安裝定位，然后施焊，操作方便。實(shí)驗(yàn)表明，此類(lèi)連接的滯回曲線，與完全焊接情況相近；但翼緣焊接將使螺栓預(yù)拉力平均降低110%左右。因此，連接腹板的高強(qiáng)度螺栓實(shí)際預(yù)拉應(yīng)力要留有一定富裕。

2.2焊縫連接

2.2.1 拼接形式

2.2.1.1選定構(gòu)件節(jié)點(diǎn)和桿件接頭的連接形式時(shí)，應(yīng)盡可能避免采用約束性強(qiáng)、容易產(chǎn)生板件層狀撕裂的連接構(gòu)造。

2.2.1.2構(gòu)件實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，層狀撕裂主要發(fā)生在+型連接、十字型連接和角部連接等拼接形式處。這些部位的較強(qiáng)約束程度，使焊縫收縮時(shí)引起母材厚度方向產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，而且由于延性有限，無(wú)法得到調(diào)整，導(dǎo)致鋼板件層狀撕裂。

2.2.2 對(duì)接焊縫

2.2.2.1構(gòu)件節(jié)點(diǎn)、桿件接頭和板件拼裝，依其受力條件，可采用全熔透焊縫或部分熔透焊縫。

2.2.2.2遇到下列情況之一時(shí)，應(yīng)采用全熔透焊縫。a、要求與母材等強(qiáng)度的焊縫連接；b、框架節(jié)點(diǎn)梁端、柱端塑性區(qū)段內(nèi)的焊縫連接。

2.2.3 螺栓連接

2.2.3.1連接類(lèi)型

多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)要承受風(fēng)荷載的反復(fù)作用和地震的往復(fù)作用，承重構(gòu)件或承力構(gòu)件（支撐）的桿件連接采用高強(qiáng)度螺栓時(shí)，應(yīng)采取摩擦型連接，不得采用承壓型（剪壓型）連接。以免在設(shè)計(jì)荷載下連接部位產(chǎn)生滑移，加大節(jié)點(diǎn)變形。

2.2.3.2螺栓受剪承載力

① 強(qiáng)烈地震作用下，高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的板件之間的摩阻力有可能被克服，此時(shí)，高強(qiáng)度螺栓連接的最大受剪承載力將取決于螺栓的極限抗剪能力。

② 實(shí)驗(yàn)研究成果指出，螺栓連接的最終受剪破壞時(shí)，不是全部發(fā)生在螺紋凈截面處，其中部分螺栓的破壞是發(fā)生在螺桿上，從而使螺栓連接的最大受剪承載力在總體上有所提高。

3 梁與柱的連接

梁與柱的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)與連接類(lèi)別的受力特征假定相符，通常采用柱貫通的形式。對(duì)于剛性連接，梁上下翼緣均應(yīng)與柱相連；而鉸接連接可僅梁腹板或一側(cè)翼緣與柱相連。而由于半剛性連接結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)，至今尚無(wú)很方便的工程實(shí)用方法，因此目前在實(shí)際工程中還很少采用。

3.1剛性連接

梁柱的剛性連接應(yīng)具有足夠的剛度，可以承受設(shè)計(jì)要求的彎矩，在達(dá)到承載能力之前所連接的梁柱之間不發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。凡是需要抵抗水平力的框架，主梁和柱的連接均應(yīng)采用剛性連接形式。

常用的梁柱剛性連接構(gòu)造形式有：（1）全焊接連接，梁的上下翼緣和腹板均與柱用焊接連接在一起，通常翼緣與柱用全熔透坡口焊，腹板用角焊縫與柱相連；（2）栓焊混合節(jié)點(diǎn)，梁的上下翼緣用全熔透坡口焊，腹板則用高強(qiáng)螺栓與柱相連；（3）全栓接節(jié)點(diǎn)，梁翼緣與腹板均用高強(qiáng)度螺栓與柱相連。全焊接節(jié)點(diǎn)一般在工廠加工時(shí)采用，而栓焊混合節(jié)點(diǎn)和全栓接節(jié)點(diǎn)通常在現(xiàn)場(chǎng)安裝條件下采用。三種節(jié)點(diǎn)形式中，雖然連接的承載力相同，但在地震時(shí)吸收和耗散能量的能力差別較大。全焊連接的滯回曲線呈穩(wěn)定紡錘形，節(jié)點(diǎn)的延性和剛度最好。栓焊混合節(jié)點(diǎn)，雖然由于腹板螺栓滑動(dòng)而不完全剛性，但其性能與全焊連接相差不大。全栓接節(jié)點(diǎn)，由于翼緣和腹板均發(fā)生滑動(dòng)，滯回曲線呈滑動(dòng)形。因而，在地震作用下，全栓連接難以滿足剛性連接的要求，一般只適用于非地震區(qū)的多層框架。

3.2鉸接連接

梁與柱的鉸接連接，又稱(chēng)為柔性連接。鉸接連接構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力簡(jiǎn)捷、施工方便，在工程中也有廣泛的應(yīng)用。非地震區(qū)多層或高層鋼框架如果用剪力墻一類(lèi)構(gòu)件承受水平荷載（框架僅承受重力荷載）和提供抗側(cè)剛度的結(jié)構(gòu)體系，梁與柱連接即可采用鉸接方案。

鉸接連接只能承受很小的彎矩，要求梁能夠較自由地轉(zhuǎn)動(dòng)，但沒(méi)有線位移，能傳遞剪力和軸力。實(shí)際上絕對(duì)的鉸接是不存在的，節(jié)點(diǎn)板的剛度和螺栓對(duì)梁端的旋轉(zhuǎn)仍有一定的約束度，估計(jì)節(jié)點(diǎn)對(duì)梁轉(zhuǎn)動(dòng)的約束度，約為全剛性抗彎節(jié)點(diǎn)的10%。這些連接能傳遞有限的彎矩，但在設(shè)計(jì)中可不予考慮，他們的延性足以容許被連接梁的充分轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 柱與柱的連接

鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝過(guò)程中，由于運(yùn)輸條件的限制，或者柱截面發(fā)生變化，需要將柱和柱拼接起來(lái)。柱的拼接節(jié)點(diǎn)一般都是剛性節(jié)點(diǎn)，為便于現(xiàn)場(chǎng)安裝操作，柱拼接接頭一般設(shè)置在距樓板1.0m～1.3m的位置，同時(shí)避開(kāi)水平荷載下的大彎矩區(qū)?？紤]運(yùn)輸方便及吊裝條件等因素，柱的安裝單元一般采用三層一根，

長(zhǎng)度10～12m左右。根據(jù)設(shè)計(jì)和施工的具體條件，柱的拼接可采用焊接或高強(qiáng)度螺栓連接。焊接接頭沒(méi)有拼接節(jié)點(diǎn)板，傳力簡(jiǎn)潔，外形整齊，節(jié)省材料。但高空焊接作業(yè)，需要采取措施保證焊接質(zhì)量。

5 梁與梁的連接

5.1主梁與主梁的拼接

主梁的工地拼接，其形式主要有：（1）翼緣為全熔透連接，腹板用高強(qiáng)度螺栓連接；（2）翼緣和腹板都用高強(qiáng)度螺栓連接；（3）翼緣和腹板均為全熔透焊連接。主梁的拼接接頭應(yīng)設(shè)在框架節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)段以外，以及內(nèi)力較小的位置，考慮施工安裝的方便，通常設(shè)在距梁端1.0m～1.6m處。當(dāng)翼緣或腹板均采用全熔透的坡口對(duì)接焊連接，并采用引弧板施焊時(shí)，可視焊縫與翼緣板和腹板是等強(qiáng)的，可不進(jìn)行連接焊縫的強(qiáng)度計(jì)算。高強(qiáng)度螺栓的計(jì)算可按以下兩種方法計(jì)算。

a、等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。為保證梁截面剛度和強(qiáng)度的連續(xù)性，對(duì)于有抗震設(shè)防要求或按塑性設(shè)計(jì)的梁的拼接，應(yīng)按被連接梁翼緣和腹板的凈截面面積的等強(qiáng)度條件進(jìn)行拼接連接設(shè)計(jì)。

b、非等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。對(duì)于無(wú)抗震設(shè)防要求的梁的拼接，可按梁拼接處的實(shí)際內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)。彎矩分別由翼緣和腹板根據(jù)彎矩剛度比分擔(dān)，剪力由腹板承擔(dān)。為保證構(gòu)件的連續(xù)性，即使拼接處的內(nèi)力較小，拼接的強(qiáng)度也不得小于原截面承載力的50%。

5.2次梁與主梁的連接

次梁與主梁的連接應(yīng)將主梁作為次梁的支點(diǎn)，可有兩種做法：（1）將主次梁的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為鉸接，即次梁為簡(jiǎn)支梁；（2）將主次梁的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為剛接，此時(shí)，次梁相當(dāng)于連接梁。鉸接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作安裝方便，因而實(shí)際工程中主次梁節(jié)點(diǎn)一般采用鉸接。主次梁剛性連接構(gòu)造和制作上比鉸接連接要復(fù)雜。如果次梁跨數(shù)較多、荷載較大，或者結(jié)構(gòu)為井字梁，或者次梁帶有懸挑梁，則次梁與主梁做成剛性連接可使次梁成為連續(xù)梁，從而可節(jié)約較多的鋼材，并且可減少次梁的撓度。此時(shí)，次梁剪力仍傳給主梁，次梁梁端的彎矩直接在兩相鄰跨的次梁之間傳遞。因此，次梁上翼緣應(yīng)由拼接板跨過(guò)主梁相互連接，或?qū)⒋瘟荷弦砭壟c主梁上翼緣垂直相互焊接，連接的強(qiáng)度可按與次梁截面等強(qiáng)度原則進(jìn)行計(jì)算。

6 抗震剪力墻與框架的連接

在高層鋼結(jié)構(gòu)框架中，除支撐外，常采用帶縫剪力墻和內(nèi)藏鋼板支撐剪力墻等作為抗側(cè)力構(gòu)件，人為控制剛度，增加耗能效果。

6.1鋼筋混凝土帶縫剪力墻的形式分開(kāi)豎縫剪力墻和開(kāi)水平縫剪力墻兩種，常用的為開(kāi)豎縫剪力墻。

開(kāi)豎縫剪力墻是在鋼筋混凝土墻板中間以一定的間隔沿豎向設(shè)置許多縫，形成縫間墻。縫間墻的受力情況與固端梁相似，從而把性能“強(qiáng)而脆”的剪力墻變成具有延性的構(gòu)件，在設(shè)計(jì)上則是控制縫間墻的受彎而不是受剪破壞。

帶縫剪力墻的墻板是預(yù)制的，墻板與柱之間沒(méi)有連接，僅用砂漿填塞。墻的上端以連接件與鋼梁用高強(qiáng)度螺栓連接，墻的下端沿全長(zhǎng)埋置于現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板中，鋼梁上的抗剪栓釘和抗剪連接件的設(shè)計(jì)，座使其能充分傳遞墻的剪力。

6.2內(nèi)藏鋼板支撐鋼筋混凝土剪力墻，鋼板支撐預(yù)埋在鋼筋混凝土墻板內(nèi)，墻板周邊與框架梁柱留有一定的空隙（ 側(cè)面空隙25mm），僅通過(guò)鋼板支撐在節(jié)點(diǎn)處與框架相連。內(nèi)藏鋼板支撐雖然很?。?2-19mm），但外包混凝土墻體和螺旋箍筋能有效地約束鋼板支撐的屈曲，從而大大提高鋼板支撐抵抗反復(fù)荷載作用的能力， 改善了結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，成為一種延性很好的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。

7 結(jié)語(yǔ)

迄今，鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)歷了多次強(qiáng)烈地震的考驗(yàn)，正如人們所預(yù)料的，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能遠(yuǎn)比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)越。但是，由于設(shè)計(jì)特別是構(gòu)造上的不當(dāng)，也發(fā)生了一些破壞，構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接的破壞更是比較普遍。因此，節(jié)點(diǎn)是整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的重要環(huán)節(jié)。

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