鋼框架梁與圓管截面柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法實(shí)踐

付瑞軍

摘要：在鋼框架結(jié)構(gòu)中，通常遵循“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的基本設(shè)計(jì)原則，節(jié)點(diǎn)連接同時(shí)應(yīng)該滿足傳力可靠，構(gòu)造合理，抗震性能良好以及施工方便等要求，對(duì)于常見(jiàn)的H型鋼框架梁與矩形截面框架柱的節(jié)點(diǎn)連接方法，在圖集《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖》[01(04)SG519][1]中都有詳細(xì)的規(guī)定。但是對(duì)于鋼框架梁與圓管截面柱的連接節(jié)點(diǎn)，無(wú)論在上述的圖集還是國(guó)內(nèi)外的理論研究中，都對(duì)其介紹較少，本文通過(guò)查閱資料并結(jié)合實(shí)際工程對(duì)該種類型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了仔細(xì)研究，旨在通過(guò)本文的介紹，為其它類似項(xiàng)目提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼框架梁，圓管柱，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，工程實(shí)踐

中圖分類號(hào)：TU111.2+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1 引言

作為最重要的設(shè)計(jì)原則之一的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”理論，當(dāng)它從被著重強(qiáng)調(diào)的那一天起，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員就應(yīng)該在大腦里面深深地打上烙印，這些經(jīng)典的理論是從無(wú)數(shù)具體工程遭遇破壞或者眾多試驗(yàn)數(shù)據(jù)中總結(jié)出來(lái)的，時(shí)至今日，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)業(yè)界的專家都在不厭其煩地重復(fù)這一個(gè)觀點(diǎn)。

鋼結(jié)構(gòu)建筑具有輕質(zhì)高強(qiáng)、力學(xué)性能良好、抗震性能優(yōu)越、工業(yè)化程度高、施工速度快、外形美觀、投資回收快、可再次利用及符合可持續(xù)發(fā)展政策等一系列的優(yōu)點(diǎn)，上述這些眾所周知的優(yōu)良特點(diǎn)正引領(lǐng)鋼結(jié)構(gòu)在體育館、會(huì)展中心、展覽館、車站及候機(jī)樓等大空間公共建筑及工業(yè)廠房中廣泛使用，在鋼結(jié)構(gòu)得到大量應(yīng)用的過(guò)程中也伴隨著人們對(duì)其知識(shí)體系的認(rèn)知逐步深入。1994年Northridge和1995年阪神地震中，梁柱連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域發(fā)生了大量的脆斷現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)專業(yè)人士對(duì)這次事件的剖析，人們發(fā)現(xiàn)其諸多缺陷在設(shè)計(jì)、施工和使用中都是可以補(bǔ)救或避免的，更為保守的說(shuō)法就是不至于產(chǎn)生這么嚴(yán)重的破壞，這也顯示出人們?cè)诋?dāng)時(shí)的那種情況下對(duì)于鋼框架節(jié)點(diǎn)連接的受力性能和破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)不足及設(shè)計(jì)規(guī)范的不盡合理。

型鋼框架梁與圓管截面柱剛性連接節(jié)點(diǎn)是在多、高層鋼結(jié)構(gòu)房屋和異型鋼結(jié)構(gòu)建筑物中采用的一種新型節(jié)點(diǎn)連接形式，國(guó)內(nèi)外對(duì)該類型連接節(jié)點(diǎn)的研究較少，目前可供參考的設(shè)計(jì)資料不多，日本《鋼管構(gòu)造設(shè)計(jì)施工指針同解說(shuō)》對(duì)節(jié)點(diǎn)的外環(huán)板寬度提出了計(jì)算公式，而國(guó)內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖集《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖》[01(04)SG519][1]僅對(duì)節(jié)點(diǎn)外環(huán)板形狀為菱形的情況有所規(guī)定，這種節(jié)點(diǎn)一般采用栓焊連接或者全焊接連接。鋼框架結(jié)構(gòu)需要傳遞多個(gè)方向框架梁的彎矩和剪力甚至扭矩的作用，其節(jié)點(diǎn)區(qū)域受力狀態(tài)非常復(fù)雜，而且圓管鋼柱不能像箱型鋼柱那樣在鋼梁翼緣處直接增加橫隔板，圓管鋼柱局部穩(wěn)定就得依靠其它的構(gòu)造措施予以保證，再考慮到焊接殘余應(yīng)力的不確定性，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為匱乏的情況下，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造上的細(xì)節(jié)就得依據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定。

2 工程概況

烏魯木齊某4S店工程，位于新疆維吾爾族自治區(qū)，結(jié)構(gòu)類型為帶地下室的鋼框架結(jié)構(gòu)，采用圓鋼管鋼柱和H型焊接截面鋼梁，材料采用Q345()，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g。軸線長(zhǎng)82.00m，寬75.60m，主屋面頂標(biāo)高為13.000m，建筑面積19903m2，建筑主要功能：地下室為停車區(qū)，一、二層為汽車維修區(qū)、新車展廳、客戶休息區(qū)、接待室、辦公室，三層為客戶休息室、辦公室；局部四層（夾層）為培訓(xùn)教室。

3 設(shè)計(jì)依據(jù)與思路

前面已經(jīng)提到，型鋼框架梁與圓管柱連接節(jié)點(diǎn)是一種缺少系統(tǒng)理論研究的新型剛性連接節(jié)點(diǎn)形式。工程設(shè)計(jì)人員目前普遍采用的一種分析方法即為材料力學(xué)中的截面法——以受力最大截面上的最大應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度作為極限狀態(tài)，而材料力學(xué)推導(dǎo)出的應(yīng)力計(jì)算公式是在假定一些條件成立的情況下得出的，但對(duì)一般鋼框架而言，梁柱節(jié)點(diǎn)處受力情況非常復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力分布無(wú)法呈理想狀態(tài)分布，這就導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)力分布情況與按截面法分析得出的結(jié)果之間存在較大差異，無(wú)法保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，為此一些研究人員提出了有限元分析法，如李剛、陳以一共同撰寫的《鋼框架圓管柱梁節(jié)點(diǎn)域的抗剪承載力》[2]以及金飛撰寫的《H型鋼梁與圓管柱連接節(jié)點(diǎn)的受力性能研究》[3]都采用有限元法對(duì)型鋼框架梁與圓管柱連接節(jié)點(diǎn)做了較為深刻的理論研究，這些采用有限元法分析所得出的研究成果對(duì)我們工程設(shè)計(jì)具有較好的借鑒作用。

針對(duì)烏魯木齊某4S店工程，筆者作為設(shè)計(jì)單位代表對(duì)該項(xiàng)目的各種可行的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了認(rèn)真考慮，并結(jié)合建筑專業(yè)的意見(jiàn)經(jīng)過(guò)幾番方案比選和討論，最終決定采用圓管鋼柱和H型鋼梁作為主骨架，在考慮框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)時(shí)有些犯難。一般來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)框架梁、柱連接節(jié)點(diǎn)中，柱貫通形式為業(yè)界的普遍做法，但這一常規(guī)方法并不適用于鋼管框架柱與框架梁的節(jié)點(diǎn)中，因?yàn)闊o(wú)法在鋼管柱內(nèi)設(shè)置水平加勁橫隔板，要想保證鋼管柱在受力過(guò)程中的局部穩(wěn)定，《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖》[1]中有設(shè)置外連式水平加勁肋（外環(huán)板，采用菱形結(jié)構(gòu)）的設(shè)計(jì)方案可以作為一個(gè)選項(xiàng)，如果按照上述圖集中關(guān)于框架梁與設(shè)有外連式水平加勁肋的管型截面柱的剛性連接的構(gòu)造方法實(shí)施，由于本工程還受到層高限制，框架梁翼緣寬度較大，經(jīng)計(jì)算，要滿足外連式水平加勁肋最小外伸寬度的要求，加勁肋外伸寬度至少要到170mm，加勁肋厚度最薄為18mm，如此大的外伸寬度和板厚不但增加造價(jià)，也勢(shì)必會(huì)給建筑物內(nèi)設(shè)備布置帶來(lái)諸多不便，也會(huì)給室內(nèi)美觀產(chǎn)生負(fù)面影響。

經(jīng)過(guò)與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)方面的資深人士探討，筆者提出了如圖3-1所示的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方案。該節(jié)點(diǎn)中圓管柱在框架梁翼緣對(duì)應(yīng)位置斷開，然后將圓管柱與水平加勁肋采用坡口焊縫連接，達(dá)到等強(qiáng)設(shè)計(jì)的效果，且梁上、下翼緣對(duì)應(yīng)處的水平加勁肋貫穿圓管柱的內(nèi)外，外伸寬度為，圓管柱內(nèi)挑出寬度為，本工程中=80mm，=130mm，板的厚度取框架梁翼緣厚度，且應(yīng)按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）中關(guān)于H型截面受壓翼緣自由外伸寬厚比的規(guī)定驗(yàn)算水平加勁肋的寬厚比。相對(duì)于圖集《多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖》[1]中設(shè)置外連式水平加勁肋的構(gòu)造方法，圖3-1所示連接節(jié)點(diǎn)充分利用圓管柱內(nèi)空間設(shè)置水平加勁肋以減小加勁肋外伸寬度。圖3-1中的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造還將框架梁與水平加勁肋的栓焊連接節(jié)點(diǎn)從圓管柱外邊緣外移不小于一個(gè)框架梁高度H的距離，此做法為減輕震害而專門設(shè)計(jì)以保證“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)思想的實(shí)現(xiàn)。

圖3-1 框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)

4 結(jié)語(yǔ)

王立維等人撰寫的《圓鋼管框架柱與H形鋼梁連接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造研究》[4]介紹了圓鋼管柱與框架梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)置外環(huán)板的一些建議，他們認(rèn)為外環(huán)板的形狀最好采用平滑過(guò)渡的弧形環(huán)板，避免采用圓形和菱形環(huán)板，因?yàn)閳A形和菱形環(huán)板在拐點(diǎn)處將產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，烏魯木齊某4S店水平加勁肋板還是采用了圓形板，將來(lái)是否應(yīng)該在圖3-1所示的連接節(jié)點(diǎn)上做適當(dāng)改進(jìn)還需要進(jìn)一步研究。

鋼框架結(jié)構(gòu)常被認(rèn)為具有良好的延性，但通過(guò)對(duì)一些地震災(zāi)害區(qū)的建筑物進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)烈地震荷載作用下，傳統(tǒng)栓焊連接或全焊連接節(jié)點(diǎn)的脆性破壞非常嚴(yán)重，由此人們也對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能提出了疑問(wèn)，并投入巨大的人力和物力去探究其有良好抗震性能的梁柱剛性連接形式。本文通過(guò)從圓管柱邊緣外移框架梁與水平加勁肋的栓焊連接節(jié)點(diǎn)的方法來(lái)提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力和轉(zhuǎn)移塑性鉸的位置，節(jié)點(diǎn)的耗能能力得到增強(qiáng)可以最大限度避免強(qiáng)震作用下節(jié)點(diǎn)的脆性破壞。

參考文獻(xiàn)

[1] 01(04)SG519，多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖[M]. 北京, 中國(guó)計(jì)劃出版社,2009.

[2] 李剛，陳以一. 鋼框架圓管柱梁節(jié)點(diǎn)域的抗剪承載力[J]. 青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，11(6)，33-39.

[3] 金飛. H型鋼梁與圓管柱連接節(jié)點(diǎn)的受力性能研究.重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文.

[4] 王立維，馮遠(yuǎn)，黃宗瑜. 圓鋼管框架柱與H形鋼梁連接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2005，35(6)，32-34.