高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點試驗研究

祁琳

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活逐漸由農(nóng)村轉(zhuǎn)向城市，導(dǎo)致城市人口的大量聚集，進(jìn)而對城市中高層建筑的結(jié)構(gòu)有個更加嚴(yán)格的要求。其中鋼結(jié)構(gòu)具有強度高，抗震性能好，環(huán)保和綜合經(jīng)濟指標(biāo)等優(yōu)點，是高層建筑材料中最常用的一種結(jié)構(gòu)形式。但在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中想要構(gòu)建完整的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，就需要學(xué)會合理的將各種構(gòu)件相互組合在一起。梁柱節(jié)點作為整個建筑結(jié)構(gòu)框架的關(guān)鍵連接部分，它的連接性能直接影響著框架結(jié)構(gòu)在荷載作用下的整體反應(yīng)。通過對大量的事故和震害進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，建筑整體結(jié)構(gòu)的破壞往往都是由于梁柱節(jié)點的損壞造成的，所以梁柱節(jié)點的設(shè)計在整個建筑設(shè)計工作中占據(jù)著重要地位，直接影響著鋼框架的整體性能。本文結(jié)合實際工程對梁柱節(jié)點進(jìn)行了一系列的研究與改進(jìn)，對節(jié)點的性能進(jìn)行改善。

關(guān)鍵詞：高層建筑 鋼結(jié)構(gòu) 梁柱節(jié)點 試驗

通過國內(nèi)外專家對梁柱節(jié)點的大量研究發(fā)現(xiàn)，地震中鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的破壞主要屬于脆性破壞。該脆性破壞出現(xiàn)的原因主要是由于在結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展之前，梁截面抗力遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的連接抗力，進(jìn)而就會導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生開裂的情況，節(jié)點會出現(xiàn)脆性破壞。專家學(xué)者們進(jìn)一步通過理論和實驗研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)點本身的性能才是完成節(jié)點破壞的主要原因，而節(jié)點的受力性能則主要受焊縫的質(zhì)量和梁柱坡口焊縫的應(yīng)力的大小影響。所以為了能夠從根本上鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的脆性破壞等問題，就需要從這兩個因素出發(fā)，一般采用強節(jié)點和弱構(gòu)件的設(shè)計理念，一方面是通過在梁柱節(jié)點的連接處增加焊接蓋板和助板等對梁柱節(jié)點進(jìn)行加強，另一方面也是對梁翼緣的局部進(jìn)行削弱，使梁柱的破壞點轉(zhuǎn)移到梁截面的削弱處，對梁柱節(jié)點進(jìn)行加強，主要通過兩種途徑實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性節(jié)點受力性能的提升。

一、型鋼混凝土柱一鋼梁節(jié)點

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有非常好的抗震性能，這一特點在1968年的日本地震中有了很好的體現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致了剛性混凝土結(jié)構(gòu)在高層于超高層建筑中的迅速發(fā)展。相比較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)主要具有承載力高，施工周期短和抗震性能好等特點。其中對于絕大多數(shù)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)來說，很難滿足高層和超高層建筑對承載力的要求，而對于相同尺寸的型鋼混凝土來說，其具有更大的構(gòu)件承載力，高于鋼筋混凝土的一倍以上。所以，對于高層建筑來說，使用型鋼混凝土可以顯著的減小構(gòu)截面，使用面積和凈高得到顯著增加，避免產(chǎn)生肥梁胖柱的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使經(jīng)濟效益得到提升。鋼筋混凝土框架在使用的過程中需要等到混凝土達(dá)到一定的強度才可以進(jìn)行施工，周期時間較長，而對于型鋼混凝土來說，其型鋼在尚未進(jìn)行澆筑混凝土之前就已經(jīng)形成了具有一定承載能力的鋼結(jié)構(gòu)，能夠承受施工荷載，直接可以進(jìn)行上層施工，因此節(jié)省了一部分工期。并且在施工的過程中不用架立支柱，就留出了一定的工作面可以進(jìn)行設(shè)備的安裝，使整個工程工序形成了平行流水作業(yè)，就大大的縮短了整個工程的建設(shè)周期。最重要的是，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。這對高層和超高層建筑來說是至關(guān)重要的，其延性的提升使得型鋼混凝土在建筑工程中得到迅速發(fā)展，且其使用范圍不受建筑的高度限制，所以型鋼混凝土在建筑工程中有些廣泛的應(yīng)用。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中使用也存在一定的缺點，其主要問題就是施工難度大，對節(jié)點區(qū)的設(shè)計要求較高。型鋼混凝土的框架結(jié)構(gòu)主要是由鋼梁和混凝土柱構(gòu)成，型鋼混凝土柱一般用于水平力和豎向力承受較大的柱，而梁則采用鋼梁，主要是為了方便施工。對于型鋼混凝土框架的節(jié)點位置，往往因為相互交叉，施工比較困難，所以會在型鋼腹板上進(jìn)行穿孔，就容易造成鋼板的應(yīng)力集中，施工質(zhì)量受到損壞。然而通過設(shè)計鋼梁水平剪力板組合節(jié)點，即在節(jié)點中加入水平剪力板，有利于進(jìn)行箍筋焊接，并且可以有效的避免型鋼穿孔，使施工難度降低。

二、通過試驗得到結(jié)論：

通過設(shè)計鋼梁水平剪力板組合節(jié)點，對高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點進(jìn)行了試驗得到以下結(jié)論：

1、在使用節(jié)點體積配箍率滿足現(xiàn)行規(guī)程要求的水平剪力板的節(jié)點在軸壓比為0.6的情況下，能夠承受同種條件下普通型鋼混凝土柱-鋼梁節(jié)點所承受不了的抗剪承載力，且表現(xiàn)為更為優(yōu)異的耗能能力和延展性。

2、當(dāng)構(gòu)件柱軸壓比達(dá)到0.8的時候，柱會在梁端荷載的反復(fù)作用的情況下發(fā)生偏壓破壞，也會造成節(jié)點內(nèi)箍筋的屈服，使節(jié)點內(nèi)沒有明顯的破壞現(xiàn)象。此外，高軸壓比能夠促進(jìn)節(jié)點抗剪，但對于節(jié)點上下柱的抗壓不太有利。

3、當(dāng)在0.6-0.7的軸壓比下，節(jié)點配箍率在小于規(guī)范要求的型鋼骨型鋼混凝土?xí)r，鋼梁的節(jié)點依舊能擁有足夠的抗剪承載力，并表現(xiàn)為良好的延展性，在這種情況下箍筋對節(jié)點的極限抗剪能力沒有太大的貢獻(xiàn)，主要就是為了對縱筋和混凝土進(jìn)行約束。

4、在鋼梁節(jié)點中配置水平剪力板的時候能夠?qū)χ中弯摵凸?jié)點區(qū)的整體作用進(jìn)行加強，促進(jìn)剪力向翼緣兩側(cè)的傳遞，同時又能對混凝土裂縫進(jìn)行抑制。使用水平剪力板能夠有效的改善鋼梁寬度較小的抗剪性能。

目前，鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系在我國處于起步階段，主要用于對高層建筑的修建等，為鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的發(fā)展和應(yīng)用提供了廣闊的應(yīng)用前景。目前已經(jīng)經(jīng)過對此強烈地震的考驗，其抗震性能等遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼筋混凝土。但我國高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計仍存在一些問題，大多數(shù)采用的是整體結(jié)構(gòu)分析和單個結(jié)構(gòu)設(shè)計，這使結(jié)構(gòu)構(gòu)造不合理，更容易造成構(gòu)件節(jié)點連接的破壞，所以高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎w結(jié)構(gòu)分析和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，這樣就能提高整體結(jié)構(gòu)的可靠度，提高高層建筑框架結(jié)構(gòu)的整體性能，發(fā)展新型的梁柱節(jié)點類型。

綜上所述，本文主要闡述了型鋼混凝土柱一鋼梁節(jié)點特色以及優(yōu)勢，并從試驗的角度對該節(jié)點的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析和總結(jié)，對提升高層建筑鋼框架結(jié)構(gòu)的性能提供了思路，對其抗震性能和延展性進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，發(fā)展新型的梁柱節(jié)點類型，實現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性節(jié)點受力性能的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊尉彪， 高小旺， 張維嶽， et al. 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2001（8）：3-8.

[2] 張洪偉. 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點試驗研究[J]. 工業(yè)， 2016.

[3] 王唯一，呂娜. 高層建筑鋼結(jié)構(gòu)特殊節(jié)點試驗研究[J]. 建筑與環(huán)境， 2014（4）：53-55.

[4] 多高層鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點抗震性能試驗研究新進(jìn)展[C]// 鋼結(jié)構(gòu)工程研究⑧——中國鋼協(xié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與疲勞分會第12屆（ASSF-2010）學(xué)術(shù)交流會暨教學(xué)研討會論文集. 2010.

[5] 劉曙. 多層住宅鋼結(jié)構(gòu)幾種梁柱節(jié)點型式的試驗研究[D]. 武漢理工大學(xué)， 2003.