鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)研究

譚代海

廣東建筑藝術(shù)設(shè)計(jì)院有限公司

摘要：鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能良好，在我國抗震建筑設(shè)計(jì)中發(fā)揮著非常重要的作用。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是鋼節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)。本文根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和其抗震概念的設(shè)計(jì)展現(xiàn)出鋼節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)，并根據(jù)鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則以及防止鋼節(jié)的點(diǎn)脆性被破壞的措施進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；鋼節(jié)點(diǎn)；抗震

鋼結(jié)構(gòu)有著安裝方便和輕質(zhì)高強(qiáng)等一些特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)普及在辦公樓、展廳、廠房、商場等一些建筑中。作為設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，根據(jù)設(shè)計(jì)原則中對抗震驗(yàn)算的規(guī)定，對構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、強(qiáng)度、位移等都進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)算，在各構(gòu)件中進(jìn)行內(nèi)力傳遞的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)卻不夠重視，有的甚至交給鋼結(jié)構(gòu)廠家自己完成，這是非常危險(xiǎn)的。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞能夠?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量問題產(chǎn)生直接影響。假如構(gòu)件沒有壞，節(jié)點(diǎn)已失去效用，就無法達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的初衷。

一、節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、性能好、安裝方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)代建筑物之中，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)，便于保證建筑的穩(wěn)定性與抗震性。在進(jìn)行實(shí)際抗震設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要按照設(shè)計(jì)原則與抗震驗(yàn)算的根本思路，驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)的位移、強(qiáng)度、以及穩(wěn)定性能等，這種驗(yàn)算方法較為宏觀，并沒有進(jìn)一步的對鋼結(jié)構(gòu)各個(gè)連接構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)作出對應(yīng)的驗(yàn)算，甚至于有一部分的連接構(gòu)件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是由鋼結(jié)構(gòu)廠家直接完成，這樣鋼結(jié)構(gòu)工程的安全性就難以得到保障。

二、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與特點(diǎn)

在進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)的建筑施工當(dāng)中，建筑材料的種類非常多。相比較于其它建筑材料，鋼結(jié)構(gòu)有著很多不同之處：①鋼結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)重量輕，強(qiáng)度高；②鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)比較均勻，而且塑性與韌性比較好；③鋼結(jié)構(gòu)有著十分良好的加工性能與焊接性能；④鋼材能夠重復(fù)性的使用；⑤鋼材耐腐蝕性比較差；⑥鋼結(jié)構(gòu)有低溫冷脆的傾向。

我國國民經(jīng)濟(jì)正在快速發(fā)展的過程中，在我國，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍也不斷的在擴(kuò)大。目前來說，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的主要范圍有：高聳結(jié)構(gòu)，多層和高層建筑，受動力荷載影響的結(jié)構(gòu)，工業(yè)廠房建筑，大跨結(jié)構(gòu)，可以拆卸的結(jié)構(gòu)，容器和其他的構(gòu)筑物，輕型鋼結(jié)構(gòu)和混凝土組合的結(jié)構(gòu)。

三、鋼結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)

地震是隨機(jī)振動的，其具有復(fù)雜性以及不確定性的特點(diǎn)，要對建筑物所遭遇地震的參數(shù)和特性進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，在目前來說難以做到。在結(jié)構(gòu)分析上，由于沒有對結(jié)構(gòu)的材料時(shí)效、非彈性性質(zhì)、空間作用、阻尼變化等許多因素的綜合考慮，有著不確定性。所以說，在工程抗震的問題上不能完全依賴 “計(jì)算設(shè)計(jì)”來解決問題。在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)中，對于抗震概念設(shè)計(jì)要充分考慮。在抗震概念設(shè)計(jì)的過程中，我們要執(zhí)行“大震不倒，中震可修，小震不壞”的原則。內(nèi)容主要包括：在工程結(jié)構(gòu)場地的選擇上，不僅要避開抗震的危險(xiǎn)地段同時(shí)還要考慮有利于抗震地形的選擇；結(jié)構(gòu)的選型與布置；建筑結(jié)構(gòu)的平立面布置；多道抗震防線的設(shè)置以及結(jié)構(gòu)確保整體性等。

四、鋼節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理

因?yàn)殇摴?jié)點(diǎn)處的受力相對集中，結(jié)構(gòu)的構(gòu)造較為復(fù)雜，它的施工難度是比較大的，非常容易導(dǎo)致鋼節(jié)點(diǎn)處強(qiáng)度不均勻和形成應(yīng)力集中的現(xiàn)象。其次，可能會有一定的構(gòu)造缺陷存在和施工中可能存在的一些問題（比如焊縫施工的缺陷：焊縫中存在咬邊、夾渣、氣孔或是弧坑、未滿焊與構(gòu)造缺陷等等）都可能會引起鋼節(jié)點(diǎn)處的連接破壞，最終會對鋼結(jié)構(gòu)的承載能力造成影響。通過許多的實(shí)驗(yàn)與研究表明，鋼結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)主要破壞因素是脆性破壞，脆性破壞的裂縫從柱翼緣和梁下翼緣相交于焊縫處，經(jīng)過不同的擴(kuò)展途徑，可以形成多樣的斷裂破壞形式。破壞形式主要包括：加勁板的開裂和屈曲、焊接部位拉脫、腹板的裂縫和屈曲、加勁板焊縫中出現(xiàn)的裂縫、鉚接斷裂等。

五、鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則

鋼結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)連接對于結(jié)構(gòu)受力有非常重要的影響。鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則是節(jié)點(diǎn)能夠完全傳遞被連接板件的剪力和彎矩，并且對鋼材的塑性性能能夠充分發(fā)揮，從而保證鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在地震的作用下發(fā)生少或者不發(fā)生脆性破壞，同時(shí)要保證結(jié)構(gòu)在梁內(nèi)并不是在柱內(nèi)產(chǎn)生塑性鉸，來對地震時(shí)所輸入的能量進(jìn)行消耗。在抗震設(shè)計(jì)里，按照結(jié)構(gòu)的抗震需求，為對結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行保障與“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件” 設(shè)計(jì)理念的遵循，鋼節(jié)點(diǎn)承載能力要大于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力。

抗震設(shè)防的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)框架中，從柱端或者是梁端算起的2倍截面高度范圍或者是 1/10 跨長，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中應(yīng)對下列內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)算：①節(jié)點(diǎn)連接最大的承載力；②受彎構(gòu)件塑性區(qū)側(cè)向支撐點(diǎn)之間距離；③構(gòu)件塑性區(qū)板件的寬厚比。

高層鋼結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)連接上，按照具體情況可用高強(qiáng)螺栓連接、焊接或者是栓焊混合連接。按照受力情況節(jié)點(diǎn)焊接連接可用部分熔透或者是全熔透焊縫，遇到下面情況中其中一種的時(shí)候應(yīng)用全熔透焊縫：①要和母材等強(qiáng)的焊接進(jìn)行連接；②框架節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)段焊接連接。

高層鋼結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件螺栓連接，要使用摩擦型的高強(qiáng)度螺栓，防止在使用荷載下滑移的發(fā)生，節(jié)點(diǎn)變形的增大。

六、防止鋼節(jié)點(diǎn)脆性破壞的一些措施

1、從選材上來說，要注重屈強(qiáng)較低的材料的選擇，它有比較大的消耗地震能量的能力。在材料選取上，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，其韌性要求也要被滿足。

2、從設(shè)計(jì)上來說，根據(jù)強(qiáng)度角度來設(shè)計(jì)，使節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高于桿件的強(qiáng)度，在避免結(jié)構(gòu)剛度增加與接頭部位應(yīng)力集中情況的前提之下，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，來對“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件” 原則的滿足，避免在柱中出現(xiàn)塑性鉸。避免失穩(wěn)破壞的發(fā)生，使焊接接頭處和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力減少集中，在腹板設(shè)計(jì)的工藝孔時(shí)應(yīng)盡可能的圓滑。

3、從檢驗(yàn)施工的過程中，要按照相關(guān)規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行。例如：要按照相關(guān)規(guī)定在焊接前把焊條烘干，焊接部位的母材要按照要求的溫度在既定范圍內(nèi)預(yù)熱。墊板和引弧板要根據(jù)規(guī)定的規(guī)格來加工與制造，坡口的尺寸要符合相關(guān)規(guī)定。在焊接過程中的缺陷要盡量減少，要檢查所有的焊縫，凡是不合格的焊縫，全部都要按照有關(guān)要求修補(bǔ)。

4、在鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的拼接中，預(yù)制鋼構(gòu)件連接增多了結(jié)構(gòu)整體的超靜定的次數(shù)，使形成塑性鉸的數(shù)量得到增加，形成多道抗震防線，不但可以對結(jié)構(gòu)的抗震可靠度提高，同時(shí)使結(jié)構(gòu)進(jìn)入倒塌的過程得以延長。即便是純框架結(jié)構(gòu)之類的樓房，其抗震能力也能大大 提升。而且這樣的結(jié)構(gòu)也有工期短、施工方便、

結(jié)構(gòu)面積小、質(zhì)量輕、方便維修、節(jié)能環(huán)保等一些優(yōu)點(diǎn)。

5、使節(jié)點(diǎn)的缺陷敏感程度降低，在抗震設(shè)計(jì)中兩個(gè)最重要的指標(biāo)是強(qiáng)度和延性。從梁柱連接上來看，目前的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范基本能夠有效實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的概念。但結(jié)構(gòu)鏈接的塑性變形能力依舊不是非?？煽浚瑹o論是栓焊混合連接還是全焊式連接，延性都不能達(dá)到很好的理想要求。為從本質(zhì)上解決脆性破壞的問題，關(guān)于延性抗震設(shè)計(jì)的概念，不但要求抗彎鋼框架在設(shè)計(jì)中保證塑性鉸僅僅出現(xiàn)在梁上，延性的可靠性也被要求，也就是說要采用有效的措施對節(jié)點(diǎn)的缺陷敏感程度降低。比如：在構(gòu)造上將梁柱連接使塑性鉸外移，可以加強(qiáng)局部節(jié)點(diǎn)部位和在離開柱面一定距離的地方將把梁截面局部進(jìn)行消弱。在鋼梁的結(jié)構(gòu)中，塑性鉸長度大概是一半的梁高，當(dāng)局部加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，可使塑性鉸位置距離加強(qiáng)部分邊緣梁高的 1/3。局部節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)也能夠把塑性鉸外移，要值得注意的是不要有弱柱的出現(xiàn)，否則“強(qiáng)柱弱梁”的原則就違反了。

結(jié)語：我國經(jīng)濟(jì)正在快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在我國設(shè)計(jì)應(yīng)用中日益突出，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)等各領(lǐng)域中都被廣泛應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)作為抗震性能較良好的結(jié)構(gòu)形式，在我國抗震建筑設(shè)計(jì)中有著非常重要的作用。鋼節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)及其重要的環(huán)節(jié)。

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