淺析高層鋼結構節點設計

羅奎

（中信建筑設計研究總院有限公司　湖北武漢　430014）

引言

與傳統的木質構造相比，現代建筑中的鋼結構對于房屋的支撐作用更堅實，而相比較于混凝土結構，鋼結構又有更好的穩定性而且技術使用上更加靈活，能夠根據結構要求改變鋼結構框架，所以在建筑中越來越被重視。因此，鋼結構在高層建筑中的使用是當前建筑業最重要的研究課題之一，它的靈活使用主要體現在鋼結構可以采用節點設計，靈活的節點又可以使得建筑的結構更加穩固，但鋼結構的節點設計技術要求是很高的，且設計的方法靈活多樣，可以根據具體情況設計不同方案，但鋼結構的節點設計決定了高層建筑最終的穩固性，要重視技術的掌握。

1　節點設計概述

節點是結構最薄弱的環節之一，是確定結構計算模型的關鍵，節點的設計是否合理不僅直接關系到建筑結構整體的可靠性，還對結構的施工質量、工程進度以及整個工程的造價都有直接的影響，所以處理好節點的連接至關重要。

2　鋼結構節點設計原理

2.1　節點的連接方式

鋼結構設計中最主要的設計方法是節點設計，它通常是指將鋼架的斷點處進行連接處理，最傳統的節點連接方式是對節點處進行高溫焊接，這種連接方式可以很好地對鋼架結構進行延展，但是焊接的節點會相對沒有靈活性，剛性強，對于抗震方面來說，沒有震動緩沖導致抗震性較差，不能滿足現在建筑對于抗震能力的標準。另外，采用焊接的方式進行節點連接，通常使用全熔透技術。另一種節點連接方式是提前在鋼架上打孔，適合放進螺釘，進行螺栓連接，這種連接方式在現在的高層建筑中使用的也很頻繁，雖然連接方式上比較簡單，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螺紋摩擦結合，所以在高強度震動時，螺栓會產生松動，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。綜合來說，就產生了第三種將以上兩種方式相結合的栓焊混合連接方式，這種方式將兩種連接上的優勢充分發揮出來，靈活性更強，在實際的工程操作中，要注意這種連接方式所承受的溫度范圍的影響。

2.2　節點連接設計要求

在高層建筑的設計中，使用鋼結構的連接方式最主要的問題在于鋼本身的特性會限制工程中鋼結構的自由度，所以在連接上經常使用節點連接方式，使用節點連接方式時，要注意連接設計的使用要求，首先在建筑施工上要能最大程度的提高工程的進度，且比較易于安裝，所以在鋼結構的節點連接選擇上，螺栓的連接方式是最合適的選擇。當然，如果在工程中發現工程的設計比較復雜的時候，為了避免螺栓的松動，給工程的結構穩定性帶來影響，造成很大的安全隱患，我們應該選擇用焊接連接節點的方式。除此之外，如果在工程中使用的預埋件或者其他構件時也要選擇焊接節點連接的方式。

另外，高層建筑的鋼結構還要滿足一個要求，即使用螺栓焊接混合連接方式的時候，必須要滿足兩種焊接方式結合所產生的力遠遠的大于整體結構產生的外力，這樣整體結構才會更加的穩定。除此之外，在必要的時候，對于工程設計中小構件的處理，還可以使用混凝土進行最后的加固。

3　鋼結構的節點設計應用

節點往往是高層建筑中最薄弱的一個環節，節點設計的合理性，直接關系到整體建筑結構的穩定性。所以節點的選擇方式上必須要合理慎重。高層建筑中常用的節點連接方式有：柱腳之間的節點連接，柱與柱之間的連接，柱與梁之間的節點連接，梁與梁之間的節點連接等。

3.1　梁與柱的節點連接

按照工程中節點施工工藝的要求，對于30層以上的高層住宅，通常采用的是梁與柱之間的節點剛性連接，特別是在地震高發地帶，為了避免強大的震動會使梁與柱之間的節點產生脆性破壞，通常設計人員應該注意設計中的塑性問題。常見的節點形式如圖1所示。

圖1　梁與柱之間節點連接

從圖1中我們可以清楚的看出，梁與柱之間的節點連接方式有三種，通常節點位置是在橫梁與柱體的接縫處，所以無論采用哪一種方式進行節點設計，都必須要考慮到節點連接后，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，進行梁端彎矩的計算時，所參考的標準是：

梁端彎矩：M=Mc-Vd/3≥0.7Mc

力偶：N=±M/h

對于管壁剪力的計算，國際“規程”中的（DL/T5085-1999）也有標準的公式：T=0.6（Vmax/hjt）log（2ro/bj）≤fv，bj=tw+2hj。

除此之外，現在的建筑施工尤其是高層建筑，必須要考慮房屋的抗震性，所以在進行節點連接之后，還要對框架和起支撐作用的梁柱之間進行連接。

3.2　梁與梁的節點連接

梁與梁之間的節點連接，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，次梁可視作簡支梁，有時直接將主梁的豎向加勁板和次梁的腹板用螺栓連接起來，但是當次梁的截面積較小的時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稱為主梁與次梁的簡支連接。

圖2　次梁與主梁的鉸鏈連接

然而，當次梁數量較多的時候，那么次梁在鋼結構中產生的跨度，包括承載能力都會比較大，在使用螺栓連接的方式成本就會比較大，且穩定性較低，此時為了節約成本，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點，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的側向壓力，為了避免橫梁的承受能力過大，而對整個結構造成不穩定的影響，在進行次梁與連梁的鉸鏈連接設計時，我們還要對橫梁設置一個起支撐作用的構件，通常是在翼緣的位置增加一個側向的支撐。

3.3　柱與柱的節點連接

柱與柱之間節點的連接設計，通常從兩個角度考慮。一種是兩個柱體的截面積是相等的時候可以直接考慮在空中進行節點的焊接工作，通常兩個主體之間的距離應該保持在1.3m左右，因為經過考究這個距離對焊接操作人員來說是進行焊接操作時是比較方便的。這種情況下，最常采用的是等截面H柱對接。另一種情況是，兩個柱體的截面不相等的時候進行節點連接，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平衡重心。在進行不相等截面柱體的節點拼接時要考慮上下柱體之間，重心偏移所產生的附加彎矩。為了保證高層的穩定性，無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行柱體的固定。

3.4　鋼結構與混凝土的節點連接

鋼結構與混凝土的連接通常指的是鋼結構柱和混凝土梁之間的處理方式，其節點的處理分為三種情況：

（1）進行混凝土的澆筑時在混凝土梁上的特定位置預埋連接件，待混凝土澆筑完成柱體穩固后，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的鋼筋進行連接形成一個完整的鋼梁框架，然后再進行混凝土的澆筑。

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

3.5　鋼管柱與鋼梁的節點連接

除上述方法外，還有一種節點連接為鋼管柱與鋼梁的連接，生活中常見的為方鋼管混凝土柱與工字鋼梁節點連接結構，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，方鋼管混凝土柱內設有內設鋼板，內設鋼板在方鋼管混凝土柱內的放置方式為豎置，并和工字鋼梁的腹板平行，內設鋼板邊緣和工字鋼梁的翼緣平齊。

在節點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，剛性連接成本造價低，但一旦完工再出現問題不容易維修，而螺栓連接雖然建造成本高，但維修方便。

4　結束語

隨著形勢的發展投入新技術的使用，是順應時代特點的必然趨勢，但掌握一門新技術并將其充分運用到我國的發展中，是需要時間檢驗的。近些年，高層的崛起對于鋼結構的要求愈發嚴苛，不僅材料的使用上要精益求精，而且鋼結構中采用到的各種設計方法也要求很高，我國必須要重視高層節點設計的技術研究，不斷提高設計水平，并且能因地制宜，選擇合適的節點設計方案，綜合考慮鋼結構的塑性以及房屋整體的抗震能力，在計算算法上也要多多學習，深入研究，簡化框圖，確保精確性，使鋼結構的節點設計更好的應用在我國的高層建設中，推動建筑業更好的發展。