淺析高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

羅奎

（中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司　湖北武漢　430014）

引言

與傳統(tǒng)的木質(zhì)構(gòu)造相比，現(xiàn)代建筑中的鋼結(jié)構(gòu)對(duì)于房屋的支撐作用更堅(jiān)實(shí)，而相比較于混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)又有更好的穩(wěn)定性而且技術(shù)使用上更加靈活，能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)要求改變鋼結(jié)構(gòu)框架，所以在建筑中越來(lái)越被重視。因此，鋼結(jié)構(gòu)在高層建筑中的使用是當(dāng)前建筑業(yè)最重要的研究課題之一，它的靈活使用主要體現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)可以采用節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，靈活的節(jié)點(diǎn)又可以使得建筑的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，但鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)要求是很高的，且設(shè)計(jì)的方法靈活多樣，可以根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)不同方案，但鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)決定了高層建筑最終的穩(wěn)固性，要重視技術(shù)的掌握。

1　節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)概述

節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)最薄弱的環(huán)節(jié)之一，是確定結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的關(guān)鍵，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是否合理不僅直接關(guān)系到建筑結(jié)構(gòu)整體的可靠性，還對(duì)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、工程進(jìn)度以及整個(gè)工程的造價(jià)都有直接的影響，所以處理好節(jié)點(diǎn)的連接至關(guān)重要。

2　鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理

2.1　節(jié)點(diǎn)的連接方式

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最主要的設(shè)計(jì)方法是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，它通常是指將鋼架的斷點(diǎn)處進(jìn)行連接處理，最傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)連接方式是對(duì)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行高溫焊接，這種連接方式可以很好地對(duì)鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行延展，但是焊接的節(jié)點(diǎn)會(huì)相對(duì)沒(méi)有靈活性，剛性強(qiáng)，對(duì)于抗震方面來(lái)說(shuō)，沒(méi)有震動(dòng)緩沖導(dǎo)致抗震性較差，不能滿足現(xiàn)在建筑對(duì)于抗震能力的標(biāo)準(zhǔn)。另外，采用焊接的方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接，通常使用全熔透技術(shù)。另一種節(jié)點(diǎn)連接方式是提前在鋼架上打孔，適合放進(jìn)螺釘，進(jìn)行螺栓連接，這種連接方式在現(xiàn)在的高層建筑中使用的也很頻繁，雖然連接方式上比較簡(jiǎn)單，但是由于使用的是螺栓連接，在打孔上成本較高，又由于螺栓與螺釘直接通過(guò)螺紋摩擦結(jié)合，所以在高強(qiáng)度震動(dòng)時(shí)，螺栓會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，形成很大的安全隱患，所以這種連接方式的抗震性能也很差。綜合來(lái)說(shuō)，就產(chǎn)生了第三種將以上兩種方式相結(jié)合的栓焊混合連接方式，這種方式將兩種連接上的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)，靈活性更強(qiáng)，在實(shí)際的工程操作中，要注意這種連接方式所承受的溫度范圍的影響。

2.2　節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)要求

在高層建筑的設(shè)計(jì)中，使用鋼結(jié)構(gòu)的連接方式最主要的問(wèn)題在于鋼本身的特性會(huì)限制工程中鋼結(jié)構(gòu)的自由度，所以在連接上經(jīng)常使用節(jié)點(diǎn)連接方式，使用節(jié)點(diǎn)連接方式時(shí)，要注意連接設(shè)計(jì)的使用要求，首先在建筑施工上要能最大程度的提高工程的進(jìn)度，且比較易于安裝，所以在鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接選擇上，螺栓的連接方式是最合適的選擇。當(dāng)然，如果在工程中發(fā)現(xiàn)工程的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的時(shí)候，為了避免螺栓的松動(dòng)，給工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性帶來(lái)影響，造成很大的安全隱患，我們應(yīng)該選擇用焊接連接節(jié)點(diǎn)的方式。除此之外，如果在工程中使用的預(yù)埋件或者其他構(gòu)件時(shí)也要選擇焊接節(jié)點(diǎn)連接的方式。

另外，高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)還要滿足一個(gè)要求，即使用螺栓焊接混合連接方式的時(shí)候，必須要滿足兩種焊接方式結(jié)合所產(chǎn)生的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的外力，這樣整體結(jié)構(gòu)才會(huì)更加的穩(wěn)定。除此之外，在必要的時(shí)候，對(duì)于工程設(shè)計(jì)中小構(gòu)件的處理，還可以使用混凝土進(jìn)行最后的加固。

3　鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用

節(jié)點(diǎn)往往是高層建筑中最薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的合理性，直接關(guān)系到整體建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。所以節(jié)點(diǎn)的選擇方式上必須要合理慎重。高層建筑中常用的節(jié)點(diǎn)連接方式有：柱腳之間的節(jié)點(diǎn)連接，柱與柱之間的連接，柱與梁之間的節(jié)點(diǎn)連接，梁與梁之間的節(jié)點(diǎn)連接等。

3.1　梁與柱的節(jié)點(diǎn)連接

按照工程中節(jié)點(diǎn)施工工藝的要求，對(duì)于30層以上的高層住宅，通常采用的是梁與柱之間的節(jié)點(diǎn)剛性連接，特別是在地震高發(fā)地帶，為了避免強(qiáng)大的震動(dòng)會(huì)使梁與柱之間的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生脆性破壞，通常設(shè)計(jì)人員應(yīng)該注意設(shè)計(jì)中的塑性問(wèn)題。常見(jiàn)的節(jié)點(diǎn)形式如圖1所示。

圖1　梁與柱之間節(jié)點(diǎn)連接

從圖1中我們可以清楚的看出，梁與柱之間的節(jié)點(diǎn)連接方式有三種，通常節(jié)點(diǎn)位置是在橫梁與柱體的接縫處，所以無(wú)論采用哪一種方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，都必須要考慮到節(jié)點(diǎn)連接后，翼緣部位的受彎承受力要比梁本身的受彎力大，這樣才能保證梁的重心穩(wěn)定，柱腹板的局部抗壓承載力也要高于梁端的剪切力。其中，進(jìn)行梁端彎矩的計(jì)算時(shí)，所參考的標(biāo)準(zhǔn)是：

梁端彎矩：M=Mc-Vd/3≥0.7Mc

力偶：N=±M/h

對(duì)于管壁剪力的計(jì)算，國(guó)際“規(guī)程”中的（DL/T5085-1999）也有標(biāo)準(zhǔn)的公式：T=0.6（Vmax/hjt）log（2ro/bj）≤fv，bj=tw+2hj。

除此之外，現(xiàn)在的建筑施工尤其是高層建筑，必須要考慮房屋的抗震性，所以在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接之后，還要對(duì)框架和起支撐作用的梁柱之間進(jìn)行連接。

3.2　梁與梁的節(jié)點(diǎn)連接

梁與梁之間的節(jié)點(diǎn)連接，通常是指主梁與次梁之間的連接方式，主梁的作用通常是作為次梁的支座，對(duì)上方的次梁起到支撐作用，主梁與次梁之間的連接通常為鉸鏈連接，主梁作為次梁的支座，次梁可視作簡(jiǎn)支梁，有時(shí)直接將主梁的豎向加勁板和次梁的腹板用螺栓連接起來(lái)，但是當(dāng)次梁的截面積較小的時(shí)候也可以直接將其與主梁的腹板相嵌入，這兩種方式都可以統(tǒng)稱為主梁與次梁的簡(jiǎn)支連接。

圖2　次梁與主梁的鉸鏈連接

然而，當(dāng)次梁數(shù)量較多的時(shí)候，那么次梁在鋼結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的跨度，包括承載能力都會(huì)比較大，在使用螺栓連接的方式成本就會(huì)比較大，且穩(wěn)定性較低，此時(shí)為了節(jié)約成本，次梁與主梁之間的連接方式通常直接使用剛性連接，其連接方式如圖3所示。

圖3　次梁與主梁的剛性連接

梁與梁之間的連接節(jié)點(diǎn)，除了主梁與次梁之外，還有一種是次梁與連梁之間的連接。這種連接方式最需要考慮的因素就是橫梁框架所帶來(lái)的側(cè)向壓力，為了避免橫梁的承受能力過(guò)大，而對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)造成不穩(wěn)定的影響，在進(jìn)行次梁與連梁的鉸鏈連接設(shè)計(jì)時(shí)，我們還要對(duì)橫梁設(shè)置一個(gè)起支撐作用的構(gòu)件，通常是在翼緣的位置增加一個(gè)側(cè)向的支撐。

3.3　柱與柱的節(jié)點(diǎn)連接

柱與柱之間節(jié)點(diǎn)的連接設(shè)計(jì)，通常從兩個(gè)角度考慮。一種是兩個(gè)柱體的截面積是相等的時(shí)候可以直接考慮在空中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的焊接工作，通常兩個(gè)主體之間的距離應(yīng)該保持在1.3m左右，因?yàn)榻?jīng)過(guò)考究這個(gè)距離對(duì)焊接操作人員來(lái)說(shuō)是進(jìn)行焊接操作時(shí)是比較方便的。這種情況下，最常采用的是等截面H柱對(duì)接。另一種情況是，兩個(gè)柱體的截面不相等的時(shí)候進(jìn)行節(jié)點(diǎn)連接，通常采用的方法是保持柱截面的高度不變，但是改變翼緣的厚度來(lái)平衡重心。在進(jìn)行不相等截面柱體的節(jié)點(diǎn)拼接時(shí)要考慮上下柱體之間，重心偏移所產(chǎn)生的附加彎矩。為了保證高層的穩(wěn)定性，無(wú)論是等截面還是不相等截面柱體之間的連接，均可在外部加上套管進(jìn)行柱體的固定。

3.4　鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的節(jié)點(diǎn)連接

鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的連接通常指的是鋼結(jié)構(gòu)柱和混凝土梁之間的處理方式，其節(jié)點(diǎn)的處理分為三種情況：

（1）進(jìn)行混凝土的澆筑時(shí)在混凝土梁上的特定位置預(yù)埋連接件，待混凝土澆筑完成柱體穩(wěn)固后，就可以直接與鋼梁焊接，通常采用螺栓連接或者焊接的方法。

（2）在澆筑混凝土之前，就先將鋼梁與混凝土梁內(nèi)的鋼筋進(jìn)行連接形成一個(gè)完整的鋼梁框架，然后再進(jìn)行混凝土的澆筑。

（3）如果是對(duì)舊建筑進(jìn)行改造，則以上兩種方式都不再合理，此時(shí)可以選擇在混凝土梁上進(jìn)行打孔，然后利用螺栓固定一塊鋼板或者安裝一個(gè)固定底座，最后將鋼梁固定或者焊接到底座上即可完成鋼結(jié)構(gòu)與混凝土的連接。

3.5　鋼管柱與鋼梁的節(jié)點(diǎn)連接

除上述方法外，還有一種節(jié)點(diǎn)連接為鋼管柱與鋼梁的連接，生活中常見(jiàn)的為方鋼管混凝土柱與工字鋼梁節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)，包括方鋼管混凝土柱與工字鋼梁，其特征在于：工字鋼梁腹板貫通方鋼管混凝土柱，方鋼管混凝土柱內(nèi)設(shè)有內(nèi)設(shè)鋼板，內(nèi)設(shè)鋼板在方鋼管混凝土柱內(nèi)的放置方式為豎置，并和工字鋼梁的腹板平行，內(nèi)設(shè)鋼板邊緣和工字鋼梁的翼緣平齊。

在節(jié)點(diǎn)的連接選擇上常用的兩種方式是焊接或者螺栓固定，前者屬于剛性連接，而后者屬于柔性連接，剛性連接成本造價(jià)低，但一旦完工再出現(xiàn)問(wèn)題不容易維修，而螺栓連接雖然建造成本高，但維修方便。

4　結(jié)束語(yǔ)

隨著形勢(shì)的發(fā)展投入新技術(shù)的使用，是順應(yīng)時(shí)代特點(diǎn)的必然趨勢(shì)，但掌握一門新技術(shù)并將其充分運(yùn)用到我國(guó)的發(fā)展中，是需要時(shí)間檢驗(yàn)的。近些年，高層的崛起對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的要求愈發(fā)嚴(yán)苛，不僅材料的使用上要精益求精，而且鋼結(jié)構(gòu)中采用到的各種設(shè)計(jì)方法也要求很高，我國(guó)必須要重視高層節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的技術(shù)研究，不斷提高設(shè)計(jì)水平，并且能因地制宜，選擇合適的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)的塑性以及房屋整體的抗震能力，在計(jì)算算法上也要多多學(xué)習(xí)，深入研究，簡(jiǎn)化框圖，確保精確性，使鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)更好的應(yīng)用在我國(guó)的高層建設(shè)中，推動(dòng)建筑業(yè)更好的發(fā)展。