南方某大酒店擴建工程節點設計

鄭 正，李文興

(桂林理工大學土木與建筑學院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

建筑物加固、改造工程是一項技術性很強的工作，然而節點設計又是整個設計的關鍵環節，所以設計過程中對節點設計要求很高，一般的節點連接形式的確定應遵守以下原則：a.在節點處內力傳遞簡捷明確，安全可靠；b.確保連接節點有足夠的強度和剛度；當有抗震設防時，節點的承載力應按有關規定大于桿件(梁、柱、斜桿)的承載力.c.節點加工簡單、施工安裝方便；d.應該是經濟合理的.

1 工程概況

南方某大酒店為一框架結構，在二層設有一面積為6.5 m 12.0 m的天井.本工程是把天井進行改造，把它改造成幾個獨立的房間，改造目的：可以充分利用使用面積，從而增加酒店房間數量，造成更多的經濟效益.改造結構圖如圖1.

圖1 改造后平面布置圖

2 節點設計

節點作為傳遞內力構件，其受力比較復雜，是應力集中區域，但主要是承受剪力和壓力的組合作用，只要防止節點過早地出現剪切和壓縮的脆性破壞，梁柱構件的延性設計才有實際意義，所以在整個設計工程中，首先要實現強節點的設計理念，以抵抗相鄰構件承受的各種荷載，保證整個結構體系堅固和安全可靠；在實際工程中，節點細部構造設計要細致，施工要精心，不然容易給工程留下隱患.本工程新增構件與原結構的連接，是屬于型鋼暗牛腿的設計范疇，在原結構與新增構件交接處設置角鋼，就是將角鋼直接伸出來而不用混凝土包裹，直接做成暗牛腿，梁端的剪力可以直接通過牛腿傳遞，彎矩也可以通過梁端和牛腿頂部設置的預埋件傳遞[4].節點處采用型鋼作為傳遞內力構件，是因為鋼材具有良好的力學性能和較高的強度，能做到使構件穩定、受力明確；鋼材又是很好的勻質材料，制成的構件延性好，結構施工速度快，這遵循了施工方便、經濟合理等設計原則.

2.1 新增板與原結構梁連接

在節點設計過程中，主要進行型鋼和螺栓設計，根據連接型鋼和螺栓的物理性能的不同，型鋼連接節點的極限承載力狀態有很大的不同，此種連接達到極限承載力時，主要產生的是型鋼剪切破壞和螺栓剪切破壞等幾種破壞形式，在設計時，應按下列承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行設計：1)承載能力極限狀態包括：構件和連接強度破壞、疲勞破壞和因過度變形而不適于繼續承載，結構和構件喪失穩定，結構轉變為機動體系和結構傾覆.2)正常使用極限狀態包括：影響結構、構件和非結構構件正常使用或外觀的變形，影響正常使用的振動，影響正常使用或耐久性能的局部損壞.

2.1.1 型鋼設計 在本工程中節點的屈服主要就是角鋼的破壞，因此角鋼強度對節點強度有很大的影響，然而隨著角鋼強度的增大，連接的剛度、承載能力得到了顯著的提高，故在設計時，要優先保證有足夠的角鋼厚度，較大的角鋼厚度，還可以減小螺栓由于受拉而引起的撬力.

本工程節點處型鋼規格為L100×10的通長角鋼，以確保有足夠的強度，每隔0.4 m還布置規格為-80×80×10的橫向加勁肋，加勁肋設置的目的：可以防止受力作用下的局部失穩和保證節點處內力更好的傳遞.

2.1.2 螺栓設計 角鋼與混凝土梁的連接，采用普通螺栓釘入混凝土梁內，而對角鋼固定，通過對螺栓連接工作機理分析知道，普通螺栓連接時的荷載是通過螺栓桿受剪，連接板孔壁受壓來傳遞的，由于在連接螺栓和連接板之間有間隙，接頭受力后會產生較大的滑移變形，因此，遇有受力較大的結構或動荷載的結構時，應用精制螺栓以減小接頭的變形量.在螺栓設計過程中：1)螺栓直徑應結合連接受力需要和螺栓排列，緊固厚度等構造要求進行考慮，不宜太大，亦不宜太小，小直徑螺栓的緊固力將很難使板疊貼緊，但直徑太大亦會使握持和緊固不便，這些現象都會影響連接受力性能；2)根據受力情況對螺栓進行計算，按連接承受的單個螺栓承載力求出需要的螺栓數目，然后按排列要求進行布置；3)最后對構件開孔截面的凈截面強度進行驗算.其節點連接結構大樣圖(如圖2).

圖2 板與原結構梁連接節點大樣圖

2.2 新增結構梁與原結構梁(柱)連接

節點處角鋼的設計理念與新增現澆板連接節點處角鋼的設計理念類似，此處節點承受較大的集中力，設計時角鋼須要較高的強度，則角鋼的尺寸規格選用L180×16，而角鋼寬度的選定取決于新增結構的截面尺寸.而對于角鋼與原結構的固定，選用4根φ16的鋼筋穿過原結構，施工時必須用鋼筋探測器探明原結構梁(柱)鋼筋位置，且應避開鋼筋保證原結構鋼筋不受損壞[5]；然后使用螺母擰緊，而且必須使用雙螺母擰緊，以防止螺栓的松動.螺母與混凝土之間使用-10×180×250的鋼電板，主要是為了防止接觸面發生局壓現象，即混凝土局部被壓碎，這樣做可以增大支承面防止支承面不平衡或傾斜時，造成螺栓承受偏心荷載，引起附加彎曲力，為遮蓋較大的孔眼，以及防止損傷零件表面，防止螺栓連接松動，還孔眼防止螺母因超擰而引起的螺紋脫扣現象.鉆孔是使用φ18的鋼筋，則穿完鋼筋后鉆孔中的縫隙需要用環氧膠泥填塞密實，不然鋼筋容易被腐蝕，鋼材性能就會受影響.其結構大樣圖(如圖3).

圖3 新增梁與原結構梁(柱)連接節點大樣圖

從結構大樣圖可以看出，角鋼上肢與加勁肋連接部分長度為80 mm，未連接長度為100 mm，連接部分可以看作一個固定支座，未連接部分可以看作一個懸臂構件，通過受力分析可知(圖4)，構件最先破壞位置將出現在固定端.

圖4 型鋼受力圖

2.3 節點計算

現對本工程中梁與原結構連接節點處角鋼強度進行計算.角鋼的規格為L180×16，L=250 mm，材料使用Q235.角鋼上支撐一跨度為7.2 m的簡支梁，梁的截面尺寸為250×450，樓板厚度設計為100 mm，混凝土等級都為C30，鋼材的設計強度為215 N/mm2, 抗剪設計強度為125 N/mm2. 樓面活荷載查規范取3.0 kN/m2. 在工程設計時，荷載系數對恒載取1.2，對活載取1.4.

(1)計算荷載

板上荷載(設計值)： 8.7 kN/m2

板上荷載傳至梁上荷載(設計值)：22.36 kN/m

梁上荷載傳至節點的荷載(設計值)：80.5 kN

(2)強度驗算

角鋼與混凝土接觸面受力均勻，則角鋼面上所受力簡化為節點所受荷載化成均布面荷載作用進行計算[4]

橫向線荷載：1.79×250=447.5 N/mm

① 正應力f=215 N/mm2

固定端截面彎矩最大，按邊緣屈服準則：

209.4 N/mm2<215 N/mm2

滿足要求

若按有限塑性發展準則(取γx)得，

199.4 N/mm2<215 N/mm2

滿足要求

② 剪應力fν=125 N/mm2

固定端截面剪力最大，剪力由2個加勁肋來承受，加勁肋最邊緣位置剪應力最大：

滿足要求

3 結 語

a.節點處是應力集中區域，很容易引起周圍混凝土開裂，而致使整個構件的破壞，應引起設計人員足夠重視.

b.隨著角鋼強度的增大，連接的剛度、承載能力得到了顯著的提高，故在設計時，要優先保證有足夠的角鋼厚度.

c.鋼材具有較高的強度和延性，在本項目設計方案中使用角鋼作為支撐構件，使結構安全可靠，施工更加簡捷方便.該項目使用至今情況良好，說明其改建的成功性.

參考文獻：

[1] 周學軍. 鋼結構設計規范(GB50017)應用指導[M]. 濟南:山東科學技術出版社, 2004.

[2] 沈蒲生. 混凝土結構設計[M].2版. 北京:高等教育出版社, 2005.

[3] 王國凡.鋼結構連接方法及工藝[M]. 北京:化學工業出版社, 2005.

[4] 黃祥海,梁書亭,朱筱俊. 全預制鋼筋混凝土干式框架節點中暗牛腿的分析[J]. 工業建筑, 2008,38(2)：35-38,48.

[5] 金凌志,曹霞,付強, 等. 某辦公樓牛腿的裂縫分析與處理[J]. 桂林工學院學報, 2008(1):64-67.