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来源 网络 作者:刘海颖 发布于 2013/9/13 17:15:00 评论(3) 有6527人阅读

一些设计人员对节点设计存在认识误区。有的认为节点设计不是结构设计的范围,应该在深化详图时考虑;有的仅根据图集提供几个标准节点形式,没有对节点设计进一步深入研究。事实上节点设计属于承上启下的工作,不合理的节点设计会给施工制造安装带来很大的困难,也会给结构安全带来隐患。节点设计不仅要根据结构设计思路,而且要根据具体工程的施工要求进行设计,最后将不合理的部位反馈回结构设计,使得结构设计更趋于可靠、安全、经济。现将在节点设计中的一些体会阐述如下,供商榷。 


1 梁柱刚接 


1.1 结构设计提供杆件内力时的节点设计 


根据规范可以采用杆件内力进行节点设计的情况下,如结构设计提供杆件内力时,梁柱连接应按所提供内力采用精确计算法进行设计。即梁腹板连接按受全部剪力和所分配的弯矩共同作用计算,翼缘连接按所分配的弯矩设计。但是在箱形柱与工字梁刚性连接时[1],由于梁腹板与柱壁板的连接无法传递梁腹板所承受的弯矩,故当梁翼缘的塑性截面模量大于梁全截面塑性模量的70%时,可按梁翼缘传递全部弯矩,腹板只传递剪力;当梁翼缘的塑性截面模量小于梁全截面塑性模量的70%时,则应在梁端的上下翼缘增设盖板,盖板截面按腹板的抗弯能力确定。此时梁的连接可按翼缘(包括盖板)传递全部弯矩,腹板只传递剪力考虑。


1.2 结构设计未提供杆件内力时的节点设计 


如结构设计未提供杆件内力时,节点应按常用设计方法进行设计。内力按照构件翼缘腹板的净截面面积等强度设计。设计假定弯矩完全由梁翼缘承担,而剪力完全由腹板承担。虽然按《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)规定:梁与柱连接按弹性设计时,梁上下翼缘的端截面应满足连接的弹性设计要求,梁腹板应计入剪力和弯矩。但是在梁柱抗震连接时,梁上下翼缘增设盖板,腹板上的弯曲应力通过足够长度的盖板传递。所以常用设计方法中腹板不考虑弯矩的假设与规范并无矛盾。 


1.3 需考虑的施工问题 


梁柱刚接常用的形式有两种:1)柱直接带节点板与梁刚接;2)柱带牛腿,牛腿与梁刚接。根据多个工程设计的经验,形式二的安装施工更便捷,尤其在柱间有支撑时,支撑节点板可以在工厂焊接到牛腿上,减少现场焊接工作量。笔者认为刚接节点应该优选形式二。而形式一适用于柱间距小于3m 的梁柱刚接,或是梁柱多向刚接,为方便运输,一个平面采用带牛腿节点,其余各向与柱采用形式一连接。在形式二节点设计时要注意牛腿长度,不能仅考虑一侧牛腿长度。实际工程中,经常是一个平面内柱两侧都带牛腿,构件的运输宽度应该为两侧牛腿长度加柱截面宽度。随着运输宽度的增大,运输费用也在增加。设计节点时最好保证两侧牛腿长度加柱截面宽度小于3m,可降低运输成本,提高运输效率。 


2 梁梁拼接 


2.1 设计方法的选用 


梁梁拼接的设计方法有以下4种:等强度设计法、实用设计法、精确计算设计法和简化设计法。《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—98)规定:当用于非抗震设防时,梁的接头应按内力设计,此时,腹板连接按受全部剪力和所分配的弯矩共同作用计算,翼缘连接按所分配的弯矩设计。当接头处的内力较小时,接头承载力不应小于梁截面承载力的50% ,即使用精确计算设计法。而对于有抗震设防要求的梁梁拼接设计,等强度设计法可以保证构件的连续性和具有良好的延性。等强度设计法是按被连接的梁翼缘腹板的净截面面积等强度条件来进行拼接设计的。设计假定弯矩完全由梁翼缘承担,而剪力完全由腹板承担。 


2.2 设计中要注意的问题 


根据工程实际情况选用了相应的计算方法进行设计后,不能任意混用计算方法。曾经有一工程,结构设计人员坚持拼接时内力根据等强度设计法采用,计算螺栓时却要按照精确计算设计法,即梁腹板要考虑弯矩,认为这样做安全系数更大。但是通过实际算例,根据等强原则计算H550×300×20×40的梁的栓焊混合拼接节点,腹板采用双剪板,计算出单侧螺栓数为4排2列。如果按等强的原则计算出构件能承担的弯矩和剪力,再按所受全部剪力和所分配的弯矩共同作用计算梁腹板连接时,同直径螺栓数将多达4排5列。实际工程中如果采用这样的连接不但不经济而且对梁强度是一种破坏。可见节点的设计方法是不能随意套用的。
在梁梁拼接节点中还应注意的是:当翼缘为焊接,腹板为摩擦型高强度螺栓连接时,由于一般采用先栓后焊的方法,因此在计算中,应考虑对梁翼缘施焊时其焊接高温对腹板连接螺栓预拉力的损失,损失后连接螺栓的抗剪承载力取0.9Nvb 。设计时尤其要注意,此处的0.9不能与计算摩擦型高强度螺栓抗剪承载力设计值公式中的0.9系数混淆。


2.3 需考虑的施工问题


现在很多钢结构工程,楼板大多配合使用压型钢板。在梁梁刚接节点中,如果主次梁翼缘连接采用螺栓连接,高出梁翼缘的节点板势必会影响压型钢板的安装。所以在配套使用压型钢板的工程中,全螺栓连接的梁梁刚接形式不适用。


3 梁梁铰接 


3.1 在实际计算中如何考虑附加弯矩 


在计算中如何考虑连接偏心所产生的附加弯矩对螺栓的计算数量有很大影响。根据《钢结构设计手册》,平台梁、次梁与主梁采用图1形式铰接,在计算时将次梁实际所受剪力增大20%~30%来计算螺栓和焊缝。但这不是不考虑附加弯矩,而是可以认为增大20%~30%的剪力包含了附加弯矩对螺栓和焊缝的影响。对于其他形式的梁梁铰接要根据实际所受剪力以及连接偏心所产生的附加弯矩进行节点设计。 




3.2 设计中遇到的几个问题 


3.2.1 次梁截面高于主梁 


在结构设计计算中经常会遇到次梁实际计算出的截面高于主梁。这时如果调整主梁梁高同次梁梁高,会增加工程用钢量,不经济。而应首先从结构设计的角度考虑把主次梁连接改为刚接,减小次梁高度,保持同主梁高度相同。或者在节点设计时解决好这个问题,将次梁节点处做变截面处理,与主梁进行连接(如图2)。





3.2.2 次梁腹板厚度大于主梁腹板厚度 


在主次梁连接时,由于要考虑连接偏心所产生的附加弯矩,受剪力较大的次梁与主梁必须双剪连接才满足设计要求(如图3)。



这种节点形式要求主梁加劲肋厚度与次梁腹板厚度相同,有时会出现次梁腹板厚度大于主梁腹板厚度的特殊情况。从结构设计角度考虑,应该调整主梁截面,或在局部加厚主梁腹板。如果没有建筑净空限制,可以提高次梁高度,降低次梁腹板厚度,降低用钢量。如果建筑有净空限制,不能调整构件截面,则只能在节点设计阶段解决。《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ 81—91)中规定:角焊缝十字接头,不宜将厚板焊接到较薄板上。同时《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)规定:角焊缝的焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍。由于以上限定,节点板采用角焊缝与主梁连接不可行,应改为半熔透剖口焊进行连接。但是考虑薄板在焊接工艺过程中会变形,应在节点板对称位置设同厚加劲肋。如果采用半熔透剖口焊仍不能承担设计剪力和附加弯矩,可采用图4连接方式将节点板变为双板进行连接。

 



3.3 考虑施工因素合理选择节点形式 


主次梁铰接的连接形式多样,在设计时如梁选用热轧H 型钢,在节点板布置时要注意避让R 角。虽然铰接节点是最简单的节点,但如果考虑不周全,仍会有施工问题发生。 


3.3.1 单剪连接 


1)腹板外伸
次梁与主梁采用图1形式铰接,次梁腹板伸向主梁,减小了连接偏心所产生的附加弯矩,在节点设计中应该是一种非常经济的节点设计形式。但是设计中合理的节点形式不一定是施工便捷的节点形式。这种节点设计形式不适用于窄翼缘主梁的连接。同时在施工时次梁要有一定安装间距方可安装,常常发生设计人员忽视安装问题导致现场无法安装的情况。尤其要考虑图5中次梁二的安装问题。设计人员往往认为次梁二离次梁一较远,有足够的安装距离,结果忽略了次梁三和次梁四的加劲板对安装的影响,由于加劲板的限制,实际上次梁二是安装不上的。如果遇到这种情况在详图放样时应取消次梁三和次梁四的加劲板,以保证次梁二的安装需要。




2)节点板外伸
次梁与主梁采用图6形式铰接,主梁节点板伸向次梁,加大了连接偏心所产生的附加弯矩,使得节点中所需螺栓数量增加,在节点设计中是不经济的。但是由于安装方便,还是很受施工安装单位的欢迎。唯一制约这种形式采用的是次梁的剪力值,如果剪力值过大,随着螺栓列数的增加,偏心弯矩也在增加。有可能出现需两列以上的螺栓布置,这明显是不合理的选择。



3.3.2 双剪连接


采用图6节点形式无法满足受力要求时,次梁与主梁采用图3形式铰接。虽然采用双剪提高了螺栓的承载力设计值,但是这种形式的连接,偏心所产生的附加弯矩仍然很大,所以这种节点方式不经济。可是由于安装方便,仍是普遍采用的节点形式。


3.3.3 连接角钢连接(图7)


次梁与主梁采用图7形式铰接,连接角钢靠近主梁,所以连接偏心所产生的附加弯矩很小,同时由于角钢与主次梁都是螺栓连接,安装方便,不会出现按图l节点形式所引起的安装困难。这是一种设计经济,施工便捷的铰接节点形式。在节点设计时要注意的,是有可能在主梁两侧都有次梁,且有可能两侧次梁高度不同。在布置螺栓时,要保证第一排螺栓离次梁上翼缘的距离相同,且螺栓问距相同,保证在施工时螺栓贯穿主梁,连接两侧角钢。




4 结 论 


介绍节点设计中要注意的一些问题及其解决方法。节点设计过程是校核结构设计中杆件选型合理性的过程,是对结构设计的再次思考。成熟的节点设计必来源于成熟的结构设计。设计时考虑周全,可大大提高施工安装效率。作为结构工程师,要明确节点设计为施工图设计阶段的任务,而非施工详图设计阶段的任务。


参考文献 


1 李星荣,魏才昂,丁峙岷,等.钢结构连接节点设计手册.第二版.北京:中国建筑工、 出版社,2005

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第1楼 undefined 发表于 2012-05-17 13:23
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