淺談輕鋼門式鋼架結構節點設計

【摘要】 輕型門式鋼架結構近年來在我國得以廣泛應用， 但出于各種原因， 安全事故時有發生。在輕型門式鋼架結構的設計和施工過程中，連接節點是非常重要的部件。焊縫連接和螺栓連接是鋼結構中的兩大連接形式，本文本文主要討論輕輕門式鋼架結構中的梁柱節點和柱腳節點的設計方法。

【關鍵詞】 輕型門式鋼架結構，節點，連接

【中圖號】 TL341【文獻標示碼】 A 【文章編號】 1005-1074(2008)12-0156-02

1 前言

輕型門式鋼架結構是單層工業廠房中一種常見的結構形式，屬于輕型鋼結構的一種類型。目前最流行的體系構成，是采用實腹式門式剛架為承重結構；薄壁型鋼檁條或墻梁與彩色金屬壓型鋼板組成的組合屋面及墻面為圍護結構；支撐系統則主要由用于縱向傳力和空間協同作用的縱向水平系桿、剛性或柔性水平支撐、隅撐等所構成。上世紀90年代隨著我國經濟建設的迅速發展，這類結構以其用鋼量省、造價低、施工速度快、外形美觀以及適用范圍廣等優點而被廣泛地應用廠房、倉庫、超市、體育及娛樂設施等大跨度建筑中。其中用鋼量省、結構輕巧、適用范圍廣是輕鋼結構最主要的特點。輕鋼結構的設計和計算步驟主要包括主結構及其支撐體系、次結構及其連接構造、輔助結構系統、維護材料及其連接構造、連接件和密封材料、柱腳和基礎設計的計算。本文主要針對輕鋼門式鋼架結構設計中的節點設計這一

環節中的梁柱節點設計和柱腳節點設計，探討設計中需要注意的問題。

2 輕鋼結構節點的分類及研究現狀。

①輕型門式鋼架結構中的節點按照連接方式，可以分為焊縫連接、高強螺栓連接和混合連接（焊縫連接+高強螺栓連接）。②根據抗震要求的不同，節點可以分為非抗震節點和抗震節點。③根據節點所處位置的不同，分為梁柱連接節點、梁梁連接節點，檁條節點，墻梁節點和柱腳節點。④輕鋼結構中的節點（以梁柱節點為例說明）按照梁對柱的約束剛度(轉動剛度)大致可分為三類：鉸接連接、半剛性連接、剛性連接，連接性質按能夠傳遞的梁端彎距的能力確定。當梁與柱為鉸接連接時，連接只能傳遞梁端剪力，而不能傳遞梁端彎距或只能傳遞梁端很少量彎距；梁與柱的半剛性連接，除能傳遞梁端剪力外，還能傳遞一定數量梁端彎距，梁端能承擔25％的端彎矩；梁與柱的剛性連接，除能傳遞梁端剪力外，還能傳遞梁端彎距。⑤以前的研究局限于節點的鉸接連接和剛性連接，而目前對于半剛性連接節點的應用和研究正處于一個逐漸成熟的階段。半剛性節點的優點是：一般的門式鋼架，梁端彎矩大于跨中彎矩。采用半剛性連接節點，梁端彎矩就可以向跨中分布了，使得梁端彎矩和跨中彎矩接近，減小梁的截面；目前的震害表明，半剛性連接節點很少在地震作用下破壞。半剛性節點的缺點是：降低鋼架的抗側移剛度。因此目前主要應用于雙重抗側力結構中，水平力主要由支撐體系承擔的結構，或水平力水平側移不起控制設計的結構。

3 梁柱連接節點的設計要求

3.1 節點的剛度要求和延性要求 對于抗震鋼架，在強烈地震作用下將進入彈塑性階段。與節點相連接的構件可能會發生屈服，節點域及附近的梁端和柱端將產生彈塑性變形，節點剛度明顯降低，承載能力也有所減小。在此情況下，為使節點仍具有較好的性能，必須控制節點的剛度，防止節點出現過大的變形。延性是反映結構、構件或材料彈塑性變形能力的一個量度指標，如果一個結構或構件，屈服后的彈塑性變形能力很大，則延性好，不易發生脆性破壞；反之，如果屈服后的彈塑性變形能力小，則延性差，容易發生脆性破壞。對于節點的延性要求，主要是對臨近節點域的梁端和柱端而言的，要求梁端和柱端具有較大的變形能力；對于節點核心區并不要求很大的延性，而要求有很大的強度和剛度，以保證在梁端塑性鉸出現之前不發生節點核心區的彎曲破壞和剪切破壞。

3.2 節點設計中的端板設計 輕型門式鋼架的梁柱連接一般都做成剛性的，通常通過端板和高強度螺栓將梁、柱結合成整體。門式剛架斜梁與柱的連接，可采用端板豎放、端板橫放和端板斜放三種形式。端板豎放適用于局部等截面柱；當豎向荷載起控制作用時，將端板橫放可減少節點的設計剪力，同時充分利用柱的壓力對節點受力的有利作用。如果節點彎矩很大，可采用端板斜放形式。端板豎放比端板平放有更高的承載力和節點剛度，但端板豎放對螺栓受力不利，其破壞形式往往是螺栓先破壞，從結構延性考慮，建議優先采用端板平放節點形式。同時，建議設計節點時，螺栓直徑不宜小于端板厚度。端板拼接連接形式有外伸式和平齊式兩種情況，端板外伸式節點受力合理，承載力高于平齊式節點，因此應盡量采取外伸式端板連接，同時應在結點板外伸部分設置加勁肋，使靠近受拉翼緣兩側的螺栓受力均勻，接近一致，提高節點的抗剪能力，有效減少節點板的變形。不同端板厚度節點承載力差別較大，端板越厚，節點承載力越大。而現行端板連接節點計算方法，沒有考慮端板厚度對節點承載力的影響。另外，節點構造連接形式對螺栓的受力狀態影響也較大， 規范應根據不同的構造形式來考慮選用不同螺栓的計算模型，這些都有待于今后修訂端板連接設計方法時加以改進。

3.3 節點設計中的節點域設計 輕鋼結構梁柱節點域是指彎剪共同作用下應力情況比較復雜的節點區域，在水平荷載作用下，鋼架將產生側移，梁柱構件將產生變形，節點將產生轉動。與一般鋼框架不同，門式剛架輕型房屋鋼結構梁柱腹板的寬厚比較大，節點域剪切變形明顯，當端板厚度能滿足強度設計要求時，整個加載過程中端板的相對張開變形很小，端板和螺栓的變形對節點轉角貢獻較小，節點的轉角主要由節點域的剪切變形引起。因此，從節點剛度這點考慮，有必要在節點域設置斜向加勁肋，有利于提高節點剛度，減小節點剪切變形對整個剛架變形的不利影響。本文重點討論輕型門式鋼架中節點域的抗剪強度問題。

3.4 節點設計中的螺栓設計 高強螺栓群的驗算同樣是節點設計的關鍵問題，主要包括螺栓群的抗彎強度驗算，抗剪強度驗算等。輕型門式鋼架中的節點連接采用10.9或8.8級的高強螺栓，直徑為M16～M24，其中10.9級的高強螺栓具有更高的受力性能，在鋼結構連接中最為常用。高強螺栓不宜重復使用，特別是10.9級高強螺栓不得重復使用。

4 柱腳的設計要求

4.1 輕鋼結構基礎型式的選擇 基礎形式的選擇應根據建筑物所在地的工程地質情況和建筑物上部結構型式等幾個方面綜合考慮，對于輕鋼結構而言，由于柱網尺寸較大，上部結構傳至柱腳的內力較小，一般以獨立基礎為主。若地質條件較差，可考慮采用條形基礎，遇到不良地質情況，可考慮采用樁基礎。一般情況下不采用片筏基礎和箱形基礎。

4.2 輕鋼結構柱腳剛接、鉸接的實現 柱腳根據能否抵抗彎矩分為剛接柱腳或鉸接柱腳。在實際工程中，絕對剛接或絕對鉸接都是不可能的，確切地說應該是一種半剛接半鉸接狀態。剛接和鉸接柱腳關鍵在于錨栓布置，鉸接柱腳一般采用兩個錨栓，剛接柱腳一般采用四個或四個以上錨栓連接。柱腳的剛接與否在于對側移的控制，如果結構對側移控制較嚴，則采用剛接柱腳，例如有吊車荷載的情況，吊車荷載是動力荷載，對側移比較敏感，而且側移過大會造成吊車卡軌現象，此時應將柱腳設計成剛接柱腳；對工程上常見的門式鋼架，柱腳通常設計成鉸接，以減少造價?！堕T式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS102：2002）第4.1.4條規定：“輕型門式剛架的柱腳多按鉸接支承設計，通常為平板支座，設一對或兩對地腳螺栓來實現。當用于工業廠房且有5t以上橋式吊車時，宜將柱腳設計成剛接?！背艘酝猓p鋼門式剛架的柱腳是采用鉸接還是剛接還要看房屋的高度和風荷載的大小，如果房屋的高度較大而風荷載也較大，即使是無吊車的情況，如果柱腳采用鉸接，柱頂位移較大，為控制柱頂位移則要靠增大梁柱斷面，增加用鋼量來實現；另外，門式剛架的柱腳是采用鉸接還是剛接還要考慮土質情況及基礎造價。采用剛接柱腳，由于基礎要承受較大的偏心彎矩，基礎的平面尺寸和造價較采用鉸接柱腳的基礎要大；土質情況差的時候，相差會更大。因此，選用何種柱腳形式要根據房屋的高度、風載大小、有無吊車、吊車的噸位和工作情況及土質情況等綜合考慮。

4.3 輕鋼結構柱腳的計算與構造 剛接柱腳和鉸接柱腳的傳力機理不同，固對這兩類柱腳的設計方法也不同。下面僅列出鉸接柱腳的計算方法與構造。剛接柱腳只是在鉸接柱腳的基礎上增加了彎矩的作用效果，具體計算方法可參見相關文獻。①底板面積： L×B－A0≥Nfa式中N為柱軸心壓力設計值；fa為基礎所用鋼筋混凝土局部承壓強度設計值；A0為錨栓孔面積。②底板厚度：t＝5Mmaxf式中Mmax為底板彎矩，具體數值根據底板的實際支承情況確定；f為底板強度設計值。③錨栓設計：錨栓將上部結構荷載傳給基礎，在上部結構與下部結構之間起連接作用。錨栓除了作為安裝過程中的臨時支撐以外，還能保證鋼柱的定位和安裝的穩定性，將柱腳反力傳給基礎。一般柱腳鉸接情況下可按下列原則確定錨栓:跨度小于等于18m時，采用2個M24；跨度小于等于27m時，采用4個M24；跨度大于等于30m時，采用4個M30。其中錨栓采用Q235或Q345鋼制作，分為彎鉤式和錨板式兩種。直徑小于M39的錨栓，一般為彎鉤式，直徑大于M39的錨栓，一般為錨板式，應采用雙螺母。為了方便柱的安裝和調整，柱底板上錨栓孔為錨栓直徑的1.5倍，或直接在底板上開缺口；底板上須設置墊板，厚度根據底板確定，墊板上開孔較錨栓直徑大1～2mm，待安裝，校正完畢后將墊板焊于底板上。柱腳錨栓在鋼結構中作用非常重要，在施工中應嚴格控制其預埋質量，只有這樣，才能保證安裝的順序和安裝質量。

4.4 輕鋼結構柱腳抗剪鍵的設置 由于在門式剛架中，基礎除了承受由柱傳來的豎向荷載外還要承受由風荷載等產生的水平荷載作用，水平荷載通過柱腳底板與基礎混凝土之間的摩擦力傳給基礎。在鉸接柱腳中，在滿足基礎混凝土端面承壓后，有時柱腳與基礎之間的摩擦力不足以抵抗由風載產生的水平力而使螺栓受剪，而柱腳螺栓一般不允許承受剪力。因此，有些設計者為增大摩擦力而增大了柱腳底板尺寸，但是增大柱腳底板尺寸不能增大摩擦力。正確的做法是增加抗剪鍵，抗剪鍵通常用型鋼制作?！堕T式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》(CECS102∶2002)中規定柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平剪力，此水平剪力(Q)可由底板與混凝土基礎間的摩擦力(F=0.4N)或設置的抗剪鍵承受。所以，判斷柱腳是否需設置抗剪鍵是根據其受力情況確定的，與柱腳的型式(鉸接或剛接)無關。通常單層門式輕型鋼結構廠房的柱腳不論剛接或鉸接均需設計抗剪鍵，因為廠房的自重較輕，在風荷載作用下可能會在柱腳產生上拔力及水平剪力，此時如果柱腳沒有設置抗剪鍵，柱腳錨栓為拉彎構件，對于由普通鋼筋制成的錨栓是相當不利的。所以一般規范都不允許用柱腳錨栓來承受水平剪力。

4.5 輕鋼結構柱腳破壞型式及其措施 對輕鋼結構基礎除發生沖切、剪切破壞之外，由于存在較大的水平力，對于剛接柱腳，還存在較大的彎矩作用，從而導致基礎產生傾覆和滑移破壞。另外，在風荷載較大的情況下，特別對于一些敞開和半敞開的結構，輕鋼結構自重很輕，有可能不足于抵抗風荷載產生的上拔力，導致基礎上拔破壞。柱腳的破壞形式主要有。①受拉側錨栓屈服，柱腳在有或沒有微小滑移的情況下，剛體轉動不斷發展。②基礎外伸邊緣尺寸過小，致使在底板壓力作用下的混凝土基礎邊緣被壓裂。③混凝土抗壓強度不足，在壓力作用下基礎發生局部承壓破壞。④錨栓端部的錨固力不足，整個錨栓呈椎體拔出。⑤錨栓粘結力不足被拔出。⑥基礎混凝土抗剪強度不足，使錨栓周圍的混凝土沿45°斜線破壞。⑦錨栓受剪彎曲是，與錨栓接觸的混凝土產生永久變形而破壞。第一種錨栓屈服破壞時，混凝土部分是完好的，此種受力作用能保證錨栓柱腳與基礎的共同工作，只要錨栓鋼材的延伸率比較大，錨栓變形就可以保證柱腳有穩定餓變形能力，符合抗震對節點變形能力的要求。除第一種外，其余六種都與基礎混凝土的破壞形式有關，這些破壞不能保證柱腳與基礎共同工作，而且在破壞前也沒有較大的變形能力。只有錨栓屈服的第一種破壞，才是合理的破壞模式，其他六種破壞模式，應在基礎設計中使之有足夠的尺寸，或配置足夠的加強鋼筋，保證這些破壞不出現。

5 結束語

當前，輕鋼門式剛架結構仍具有很好的發展勢頭，它以其自身的諸多優點，在工程中得到越來越廣泛的應用。另一方面，仍要求科研和生產部門，不斷提高科研、設計、制作和安裝的能力，促進該結構更快的發展。在實際工程設計時工程人員應根據連接節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、連接節點的連接方式、細部構造，并且要遵循以下原則。①在節點處內力傳遞簡捷明確，安全可靠。②確保連接節點有足夠的強度和剛度；當有抗震設防的要求時，節點的承載力應按有關規定大于桿件（梁、柱、斜桿）的承載力。③節點加工簡便，施工安裝方便。④連接節點應該是經濟合理的。

4 參考文獻

[1] 李星榮、魏才昂、丁峙崐、李和華.鋼結構連接節點設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

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