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鋼結構接點設計措施與優化改進的途徑
瀏覽: 發布日期:2019-04-27
  鋼結構節點的設計與工程的質量有著密切的關系,本文介紹了鋼結構接點設計的一般措施并提出了優化改進的途徑。希望本文的研究能夠對今后的實際工程有所幫助。
  
  鋼結構生產具備成批大件生產和高度準確性的特點,可以采用工廠制作、工地安裝的施工方法,使其生產作業面多,可縮短施工周期,進而為降低造價、提高效益創造了條件,再加上鋼結構在大跨度上優勢明顯且輕質高強,因此,現代建筑中,鋼結構的應用越來越廣泛。在鋼結構建筑的設計過程中,除了“大處著眼”——滿足結構整體計算要求、保證結構整體受力合理外,亦應“細處著手”——不忽視數量巨大的細小節點的設計。
  鋼結構設計
  二、鋼結構梁柱節點的一般設計
  
  目前抗側力框架和梁柱的抗彎連接均采用剛性方案。梁柱剛性連接的主要構造形式有3種:全焊節點、高強螺栓連接節點、栓焊混合節點。
  
  1、全焊節點
  
  (1)全焊節點連接形式
  
  全焊節點連接:梁的上下翼緣用全熔透坡口對接焊縫,腹板用角焊縫與柱翼緣連接。翼緣對應處應加水平加勁肋,箱形柱內應設加勁肋隔板。加勁肋應按與梁翼緣等強設計,其連接焊縫亦應滿足等強傳力的要求。梁柱剛性連接中,梁端內力向柱傳遞時,梁端彎矩主要由梁翼緣承擔,梁端剪力則主要由梁腹板承擔。
  
  (2)全焊節點的設計
  
  在避免增加結構剛度和接頭部位應力集中的情況下,根據“強節點弱桿件”的原則適當加強節點,在不發生失穩的情況下,可適當削弱梁。在梁上出現“塑性鉸”時,盡量減少結構和焊接接頭部位的應力集中,腹板上的工藝孔應平滑過渡。在不減小腹板連接強度條件下,適當加大工藝孔,以便于施焊,提高焊縫質量。
  
  2、高強螺栓連接節點
  
  (1)高強螺栓連接形式
  
  高強螺栓連接節點:梁腹板與柱以高強螺栓現場連接,以傳遞軸力、彎矩與剪力。
  
  該種連接形式施工要求十分嚴格,但是對于結構承受動載十分有利,可簡化制造和安裝,特別是在高層和超高層鋼結構以及承受動載的結構設計中,所有連接節點均采用高強度螺栓連接方式。
  
  (2)高強螺栓連接的類型和受力特點
  
  高強度螺栓受剪力時按照設計和受力要求的不同,可分為摩擦型和承壓型兩種。
  
  摩擦型高強度螺栓連接在受剪設計時,是以外剪力達到板件接觸面間由螺栓預壓力使板件壓緊所提供的最大摩擦力為極限的。在設計摩擦型高強螺栓時,應保證連接點在整個使用期間外剪力不超過最大摩擦力,即能由摩擦力完全承受,使板件間不會發生相對滑移變
  
  形,即螺栓桿和孔壁間始終保持原有空隙。連接件按彈性整體受力考慮。承壓型高強度螺栓連接在抗剪設計時只保證在正常荷載作用下,剪力一般不會超過最大摩擦力,其受力性能和摩擦型相同。若剪力超過最大摩擦力時,連接板件間將發生相對滑移變形直到螺栓桿與孔壁一側接觸,之后連接就靠螺栓桿身剪切和孔壁承壓以及板件接觸面間摩擦力共同傳力。
  
  (3)承壓型高強螺栓連接的設計承壓型高強度螺栓連接的計算:抗剪連接沿桿軸方向的受拉連接同時承受剪力和桿軸方向拉力的承壓型高強度螺栓連接計算需按規范進行。原規范中規定的在抗剪連接中以及同時承受剪力和桿軸方向拉力的連接中,作了承壓型高強度螺栓的受剪承載力設計值不得大于按摩擦型連接1.3的規定,主要是當時對承壓型高強度螺栓的研究還不夠深入,尤其是缺乏使用經驗。我們采用承壓型高強度螺栓的承載力不超過按摩擦型計算的1~3倍確保結構安全可靠。此外按規范規定結構的平均荷載分項系數約為1~3,滿足此項要求的承壓型高強度螺栓在荷載標準值情況不致產生滑移,則對保證結構的變形是有利的,但不能充分發揮承壓型高強度螺栓的效能;而采用承壓型高強度螺栓的前提是結構中允許發生一定滑移變形的連接,這相當于對承載力進行了控制。
  
  3、栓焊混合連接節點
  
  栓焊混合連接節點:梁翼緣與柱翼緣完全采用坡口焊接,而梁腹板采用普通或高強螺栓與柱翼緣連接的形式。這種連接形式是業內專家和學者們均認可的一種形式。
  
  純螺栓或栓焊連接只是考慮現場施工方便,國外近期關于的地震破壞的資料表明,定位螺栓聯合焊接的方式將是高層、超高層鋼結構工程的首選。這種連接的優勢在于不但可以保證節點屬于剛性連接,同時結構可以承受動力荷載,經過反復加載后節點承載能力基本沒有降低。經試驗,這種形式的連接在經過多次非常劇烈的反復加載后會突然斷裂,表明與柱子腹板的這種連接具有的延性較全焊接連接節點具有的延性稍差,但栓焊混合節點也能滿足工程抗震所要求的延性。另外連接處梁、柱的強度由于打孔的原因均被削弱,施工過程復雜。
  
  三、鋼結構節點設計的改進
  
  1、將塑性鉸的位置外移
  
  塑性鉸出現在柱面附近的梁上,可能在柱翼緣的材料中引起很大的厚度方向應變,并對焊縫金屬及其周圍的熱影響區提出較高的塑性變形要求,這些情況也可能導致脆性破壞。因此,為了取得可靠的性能,最好還是將梁柱連接在構造上使塑性鉸外移。將塑性位置從柱面外移有兩種方法,一種是將節點部位局部加強,一種是在離開柱面一定距離處將梁截面局部削弱。鋼梁中的塑性鉸典型長度約為梁高的一半,當對節點局部加強時,可取塑性鉸位置為距加強部分的邊緣處梁高的1/3。節點局部加強固然也可使塑性鉸外移,但應十分注意不要因此出現弱柱,有背強柱弱梁的原則。
  
  2、梁冀緣焊縫襯板缺口效應的處理
  
  由于上翼緣焊縫處襯板的缺口效應不嚴重,而且它對焊接和超探也沒有妨礙,出于費用考慮,割除上翼緣襯板可能不合算,如果將上翼緣襯板邊緣用焊縫封閉,試驗表明并無不利影響,因此美國現時做法是上翼緣襯板仍然保留并用焊縫封口。坡口焊縫的引弧板,在上下翼緣處通常都切除,因為引弧和滅弧處通常都有很多缺用氣切切除后還需打磨,才能消除潛在的裂縫源。在消除襯板的缺口效應方面,日本是非常重視的。在阪神地震后發表的技術規定中,對采用H型鋼梁、組合梁,以及采用組合梁時梁預先焊接或與襯板同時裝配,不論是否切角,均采用襯板,對其構造包括引弧板,分別作了詳細規定。
  
  3、選用有較高沖擊韌性的焊縫
  
  如前所述,焊縫沖擊韌性不足會引起節點破壞。那么焊縫究竟要有多大的沖擊韌性才能防止裂紋出現呢?美國提出,焊縫的恰帕沖擊韌性(CVN)最小值取-29℃時27J(相當于-200F時20ft-1bs)是合適的,可以發展成為事實上的標準。在最近美國的實際工程中,采用E71T-8型和E70TG-K2型焊條的普通手工焊電弧焊已表明焊縫最小沖擊韌性可滿足上述要求,而采用E7018型藥芯焊條的''貼緊焊''焊縫沖擊韌性值更高,但都必須按AWS規定的焊接和探傷方法操作。
  
  4、扇形切角構造的改進
  
  在日本阪神大地震中,由于扇形切角工藝孔的端部起點存在產生裂縫的危險,是否設置形切角以及如何設置,已成為關系到抗震安全的一項重要問題。日本震后發表的技術規范中,對扇形切角的設置也提出一系列規定,包括不開扇形切角和開扇形切角兩大類,并規定扇形切角可采用不同形狀;對于柱貫通形和梁貫通形節點分別規定了不同的構造形式。柱貫通型節點的扇形切角形式有兩種,其特點是將扇形切角端部與梁翼緣連接處圓弧半徑減小,以便減少應力集中。日本早就研究不設扇形切角以提高梁變形能力的方案,在最近公布的技術規定中,根據目前的焊接技術水平已將此種方案付諸實施。
  
  在鋼結構設計工作中,連接節點的設計是一個重要的環節。為使連接接點具有足夠的強度和剛度,設計時應根據連接接點的位置及其所要求的強度和剛度,合理地確定連接節點的形式、連接方法、具體構造以及基本計算公式。

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