針對島礁裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋梁柱節(jié)點探析

李彬 高屹

摘要：目前，鋼結(jié)構(gòu)住宅在全世界引起高度重視，其節(jié)能環(huán)保，便捷高效等特點極大的滿足現(xiàn)代工程的建設(shè)需要，同時，鋼結(jié)構(gòu)房屋梁柱節(jié)點形式對于研究其安全性與耐久性尤為重要，但在遠(yuǎn)海島礁，由于氣候條件，場地以及施工條件等等原因的限制，選取合適的節(jié)點連接方式勢在必行，本文通過分析常見的幾種鋼結(jié)構(gòu)房屋梁柱連接方式，以用于實際工程遠(yuǎn)海島礁工程的建設(shè)與施工。

Abstract： At present， steel structure houses are highly valued all over the world. Their energy saving， environmental protection， convenience and high efficiency can meet the needs of modern engineering construction. At the same time， the beam-column joint form of steel structure is especially important for studying its safety and durability. But in the remote island reef， due to climatic conditions， site and construction conditions， etc.， it is imperative to choose the appropriate node connection method. This paper analyzes the common beam-column connection of several steel structure houses to provide reference for the construction of the actual offshore reef project.

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)住宅;梁柱節(jié)點;島礁工程

Key words： steel structure;beam-column node;island reef engineering

中圖分類號：TU393? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）36-0151-04

0? 引言

上個世紀(jì)初，隨著城市人口數(shù)量的急劇增長，住房開始出現(xiàn)供應(yīng)不足的狀況、房價暴漲，加之傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)住宅存在的固有缺陷。人們開始將目光投向預(yù)制裝配式建筑物的領(lǐng)域中[1]。經(jīng)過幾十年的研究探索，西方國家已經(jīng)將諸多理念付諸實踐，形成較為成熟的設(shè)計施工技術(shù)，開創(chuàng)了一套先進高效的裝配式建筑體系，因此開展對鋼結(jié)構(gòu)房屋節(jié)點連接方式的研究具有著重大的意義。但由于遠(yuǎn)海島礁施工條件的種種限制，并綜合考量建筑物的節(jié)能與環(huán)保，需要對常見的節(jié)點連接方式進行優(yōu)化分析選取。

1? 常見的梁柱節(jié)點連接方式

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)的連接中梁柱節(jié)點的連接尤為重要，根據(jù)以往經(jīng)驗得知，大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)建筑物的破壞往往由于梁柱連接節(jié)點的破壞引起的，節(jié)點連接方式的好壞甚至直接很大程度上決定了建筑物的安全性。

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點連接方式上大致分為以下幾種[2]：①剛性連接;②半剛性連接;③鉸接。

其分類方式以連接傳遞彎矩的能力為依據(jù)。

①當(dāng)梁柱為鋼接時，連接既能傳遞梁端剪力亦能傳遞梁端的彎矩。②當(dāng)梁柱為半鋼接時，連接能傳遞梁端剪力，但僅能傳遞梁端1/4的彎矩。③當(dāng)梁柱為鉸接時，連接僅能傳遞梁端剪力，而不能或者傳遞很微小一部分梁端彎矩。

2? 框架梁結(jié)構(gòu)

2.1 剛性節(jié)點連接

框架梁結(jié)構(gòu)剛性節(jié)點連接類型分為以下三種[3]：①混合連接方式;②全焊接連接方式;③T型鋼連接方式。

其中混合連接方式常見做法是將梁的上下翼緣焊接于鋼柱表面之上，梁的腹板采用角鋼利用高強螺栓使其與柱固定（如圖1所示）。全焊接連接方式是指將梁的上下翼緣以及腹板剖面與鋼柱焊接，形成一個整體（如圖2所示），但由于焊接水平的高要求也導(dǎo)致施工工藝的復(fù)雜化，不太適用于島礁工程的快速簡潔施工，同時該做法也易導(dǎo)致應(yīng)力集中，造成節(jié)點破壞，T型鋼連接方式指的是采用T型鋼將梁柱的翼緣通過高強螺栓相連接（如圖3所示），此方法有效緩解了應(yīng)力集中的問題，在業(yè)界也有學(xué)者稱為大剛度半剛性連接，針對目前的條件適用性能較強。

2.2半剛性節(jié)點連接

框架梁結(jié)構(gòu)半剛性節(jié)點連接方式較多，常見的半剛性節(jié)點連接的類型分為以下三種[3]：①腹板雙角鋼連接;②頂?shù)捉卿撨B接;③腹板單角鋼或單板連接。

其中腹板雙角鋼連接的做法是采用兩個角鋼或者鋼板將梁的腹板與柱采用高強螺栓連接在一起（如圖4），采用此種方案大約能承受完全剛接節(jié)點彎矩的五分之一。頂?shù)捉卿撨B接的做法為采用兩個角鋼將梁的上下翼緣分別與柱相連（如圖5）。腹板單角鋼或單板連接指的是僅有一側(cè)腹板用角鋼與柱相連（如圖6），該種方式剛度較小，作用效果類似于柔性連接?？紤]島礁較強風(fēng)荷載以及地震等因素的影響，易對半剛性連接節(jié)點造成破壞，加之目前研究文獻較少，此方案應(yīng)用較少。

2.3 鉸接節(jié)點連接

在框架梁結(jié)構(gòu)中，常見的鉸接節(jié)點做法是[4]：將鋼梁腹板與焊在柱上的連接件通過螺栓連接（如圖7所示），鉸接節(jié)點雖然構(gòu)造簡單，施工便捷，經(jīng)濟效益較高，但由于其整體的抗側(cè)向能力不足，但由于島礁的特殊條件，比如臺風(fēng)的限制，該種節(jié)點連接方式的應(yīng)用較少。

3? 方鋼管混凝土梁柱結(jié)構(gòu)

3.1 剛性節(jié)點連接

方鋼管混凝土梁柱結(jié)構(gòu)的剛性節(jié)點連接有多種方式[5]，本文著重分析以下兩種方案：①帶懸臂梁段的內(nèi)隔板式剛接節(jié)點;②外隔板式剛接節(jié)點。

其中帶懸臂梁段的內(nèi)隔板式剛接節(jié)點的具體做法為：在鋼柱上預(yù)焊接一段短鋼梁，隨后將鋼梁翼緣與預(yù)焊短鋼梁焊接連接，同時采用高強螺栓將鋼梁腹板與短鋼腹板相接。（如圖8所示）這種做法的優(yōu)點在于能夠保證內(nèi)隔板與梁翼緣處于同一平面，使節(jié)點達(dá)到剛性要求。同時也存在運輸不便等問題，島礁施工運輸條件有限，該方法的應(yīng)用還值得商榷。外隔板式剛接節(jié)點的具體做法為：將鋼梁的翼緣與外隔板焊接連接，同時用高強螺栓將鋼梁的腹板與短鋼腹板相連接。（如圖9所示）這種做法雖占用空間稍大，但確實有效的緩解了應(yīng)力集中所產(chǎn)生的質(zhì)量安全問題，本著安全第一的想法，此方案應(yīng)當(dāng)予以考慮。

3.2 半剛性節(jié)點連接

方鋼管混凝土梁柱結(jié)構(gòu)的半剛性節(jié)點方式較多[5]，這里例舉一種較為新穎的方案，即：長螺栓連接的半剛性節(jié)點。該方案的做法是，通過角鋼將梁的上下翼緣與鋼管相連，其中角鋼與鋼梁相連部分采用普通高強螺栓，與鋼管相連部分采用貫通鋼管的長高強螺栓（如圖10所示）。該方法抗震性能良好，但其工藝較為復(fù)雜，也易導(dǎo)致鋼管局部應(yīng)力集中，造成損害，同時由于島礁長期高濕高鹽的氣候特性，純螺栓連接易導(dǎo)致節(jié)點銹蝕，造成節(jié)點破壞，所以應(yīng)當(dāng)盡可能避免該方式的選取，或者添加防腐涂層。

3.3 鉸接節(jié)點連接

本文例舉一種鉸接節(jié)點連接方案，該方案的具體做法是[6]：使用高強螺栓將連接件與鋼梁腹板相接，其中連接件與鋼管采用焊接連接（如圖11所示），也可在鋼梁下翼緣設(shè)置角鋼，用于分擔(dān)螺栓所承擔(dān)的剪力，該方法設(shè)計簡易，受力特征明確，但是結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度較小，由于島礁臺風(fēng)較多較強，所以工程應(yīng)用較少。

4? 圓鋼管混凝土梁柱結(jié)構(gòu)

4.1 剛性節(jié)點連接

圓鋼管混凝土梁柱結(jié)構(gòu)的剛性節(jié)點連接有多種方式，常見的有以下三種方案[7] [8][9]：①加強環(huán)節(jié)點;②錨定板式節(jié)點;③十字板式節(jié)點。

其中，強環(huán)節(jié)點分為內(nèi)加強環(huán)和外加強環(huán)兩種，具體的做法為：該節(jié)點將鋼梁翼緣上下環(huán)板對齊連接（多采用焊接），鋼梁腹板般通過高強螺栓錨固或者采用焊接方式與環(huán)板間的豎向板相連接，此類節(jié)點剛度大，傳力簡單，承載力較大。但外加強板占用面積較大影響建筑物美觀;內(nèi)加強環(huán)板節(jié)點施工難度大，一般用于直徑大于1米的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，如若直徑過小則易導(dǎo)致澆筑困難。（如圖12所示）由于島礁快速便捷裝配的需求，這兩種方案應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮外加強板做法;錨定板式節(jié)點的做法為：在鋼管內(nèi)壁正對鋼梁上下翼緣處焊接一個T形錨板，隨后澆筑澆筑混凝土，此類節(jié)點的特點是：剛度較小，節(jié)約材料，可應(yīng)用于受力較小的節(jié)點連接，但由于要在其內(nèi)部焊接T型構(gòu)件，其施工工藝較為復(fù)雜，需要較為優(yōu)化的施工方案（如圖13所示）。十字板式的做法為：在節(jié)點區(qū)鋼管混凝土柱內(nèi)設(shè)置十字加勁板。這種構(gòu)造措施加強了節(jié)點區(qū)域的剛度，提高了節(jié)點承載能力，但十字加勁板的存在也帶來一些問題，首先是焊接十字板工藝要求較高，在管內(nèi)操作不是特別便利，其次管內(nèi)的構(gòu)造也很大程度影響了混凝土的澆筑和振搗。最后由于十字加勁板的焊接區(qū)域較大，使得鋼管壁受焊接熱影響的區(qū)域較大，對抗震性能影響較大，島礁地質(zhì)活動頻繁，該方法選用應(yīng)當(dāng)慎重。（如圖14所示）

4.2半剛性節(jié)點連接

圓鋼管混凝土梁柱結(jié)構(gòu)的半剛性節(jié)點方式眾多，通常采用單邊螺栓連接方案，本文具體介紹其兩種常見的兩種連接方案[9] ：①外伸端板連接;②齊平端板連接。

其中外伸端板連接的做法是：取用比鋼梁高度稍大的弧形端板，鋼梁和端板之間采用焊接方式，柱翼緣和端板采用螺栓連接，此類節(jié)點的抗震性能良好（如圖15所示）。齊平端板連接的做法是：取用與鋼梁高度相當(dāng)?shù)幕⌒味税?，鋼梁和端板之間同樣采用焊接，柱翼緣和端板采用螺栓連接，這種半剛性連接節(jié)點形式不僅經(jīng)濟合理，減輕建筑質(zhì)量，而且可以降低層間高度，提高抗震性能（如圖16所示），綜合考慮島礁實際施工所需要的便捷經(jīng)濟環(huán)保等要求，該方案值得提倡。

4.3 鉸接節(jié)點連接

圓鋼管混凝土梁柱結(jié)構(gòu)的鉸接節(jié)點在島礁結(jié)構(gòu)的用途較少，其做法與方鋼管混凝土梁柱鉸接連接方法類似，工程通常做法為：在圓鋼管外側(cè)焊制連接件，連接件與鋼梁的腹板對齊，并采用高強螺栓將二者相連接。（如圖17所示）

5? 結(jié)語

裝配式鋼結(jié)構(gòu)房屋的迅速崛起使得鋼結(jié)構(gòu)房屋的節(jié)點連接技術(shù)愈發(fā)重要，本文通過詳細(xì)分析了適用于島礁的鋼框架結(jié)構(gòu)以及鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點連接方案，總結(jié)了工程的常見施工方法，為進一步的工程實踐夯實了基礎(chǔ)，但是由于島礁高濕高鹽地質(zhì)活動頻繁等諸多特點，合理有效的防腐（電鍍，化學(xué)涂層等）以及節(jié)點的再加固工作必須做到細(xì)處，與此同時關(guān)于施工工藝的進一步優(yōu)化以及連接材料力學(xué)性能的研究等方面，仍需要進一步的研究與探索。

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