论文部分内容阅读
[摘 要]本文笔者阐述了框架钢结构连接节点的设计要求，分析了钢结构三种连接节点形式，并从梁与柱、柱与柱、梁与梁三方面探讨了钢结构连接节点设计。
[关键词]框架钢结构；钢结构连接；节点设计
中图分类号：TU355 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0148-01
引言
钢结构连接节点的构造设计及其连接计算，不是各自独立而是紧密地相互联系着的，是钢结构整个设计过程中的重要环节。连接节点的设计是否得当，对保证钢结构的整体性和可靠度，对制造安装的质量和进度，对整个建设周期和成本都有着直接的影响。下面笔者框架钢结构节点设计进行了探讨。
1 钢结构连接节点的设计要求
钢结构的节点设计需满足足够的强度、刚度及变形能力。连接件间尽量保持轴线相交以避免附加偏心弯矩对结构的不利影响。工厂加工和现场安装应控制得当，以保证焊缝质量和施工便利。紧固件的不合理设计会影响结构的安全寿命和造价，由于现场明火对结构的不利及焊接施工费用的提升，设计师尽量减少焊缝的使用。在各方条件的综合考虑下，设计师应根据连接节点的位置及受力特点，合理地确定连接形式、节点的细部构造和计算模型，并应遵循以下几点原则：
（1）节点传力要简捷、明确、可靠；（2）计算模型应与实际受力情况一致，构造设计要与所采用的假定相一致；（3）保证节点连接处要有足够强度和刚度，避免因为其强度不足或刚度太小而造成结构的整体破坏； （4）采用合理的细部构造来保证结构具有较好的延性； （5）节点设计尽量简单，加工方便，便于安装和就位，减少拼装工作量。
2 钢结构连接节点形式
2.1刚性连接。
当被连接件为悬臂梁或其转动刚度要求较高，此连接节点必须采用刚性连接。在刚性连接中，常用设计方法是弯矩由翼缘来承担，剪力由腹板承担，对于精确计算方法是以梁翼缘和腹板各自的截面惯性矩分配弯矩，腹板承担所有剪力。刚性连接受力比较复杂，因此，刚性连接较其它连接形式复杂。一般情况下腹板采用双角钢或端板连接，上下翼缘通过连接板与另一方向梁上下翼缘用螺栓连接。当在上翼缘铺盖钢格栅时，需对上翼缘采用带垫板的现场坡口焊进行连接。对于较小载荷的梁与柱刚性连接，可采用端板连接，轻型门式刚架中的连接节点常用端板连接，在此类连接中，梁上下翼缘及腹板均与端板焊接，用螺栓将端板与柱翼缘或腹板连接，但端板必须有足够刚度以抵抗梁塑性铰位置产生的弯矩，当端板足够厚时，可视为刚性连接，当厚度不足时，可视为是半刚性连接。焊缝根据外载荷的大小或梁翼缘板的厚度选择角焊缝或全熔透坡口焊。当荷载较小时，梁与梁刚接可采用双角钢与梁腹板连接，翼缘板用拼接板连接。
2.2铰接连接
梁与梁、梁与柱的连接是钢结构节点设计中常见的连接。通常使用双角钢，端板，单剪板，双剪板作为连接件，此情况下一般在加工厂将双角钢分别焊接在次梁腹板两侧，现场用螺栓把双角钢和主梁腹板相连。此时，仅焊缝群受偏心荷载作用，由于焊缝采用三面围焊，其承载力较大，因此当外荷载较大时，双角钢连接较为合理。当荷载较小时，端板连接简单可行，端板与梁端头或柱翼缘外皮工厂焊，现场用螺栓連接，端板达到一定刚度，可同时承受剪力和轴力。单剪板连接对于轻型次梁（槽钢）而言十分简便，单剪板与主梁一般采用螺栓连接或三面围焊，单剪板与次梁用螺栓连接，螺栓承受偏心荷载影响较大。当外荷载较大而螺栓单剪又不足以抵抗外荷载时，采用双剪板连接方式即可。单、双剪板连接适用于在主梁上无法紧固螺栓的场合。
2.3支撑连接
支撑按其连接形式可分为楼层面的水平支撑和柱间垂直支撑。柱间垂直支撑的作用是提高结构的纵向刚度和稳定性，将水平荷载传给基础。主次梁间沿水平方向布置的水平支撑提高结构的侧向稳定性，抵抗构件的侧向变形，提高结构的整体刚度，传递和承受结构中的水平力，其荷载的大小一般根据支撑构件截面特性进行确定。支撑工作点的确定是支撑结构设计的重要环节，对于用螺栓连接的支撑其作用线应与螺栓孔中心线重合，以免螺栓受偏心荷载。对于垂直支撑，工作点在主梁与柱轴线的交点上，若不在交点处则需考虑偏心弯矩对紧固件的影响。对于水平支撑，工作点受主梁高度的影响沿主梁轴线上下移动。
3 钢结构连接节点设计
3.1梁与柱的连接
根据受力性能，钢结构中梁与柱的连接可分为三类：刚性连接，能承受弯矩和剪力；铰接连接，仅能承受剪力；半刚性连接，能承受剪力和一定的弯矩。刚性连接是工程中经常采用的连接方式，而铰接一般用于非地震区的多层或高层钢框架中框架不用承受水平荷载的结构体系中，
3.2柱与柱的连接
钢结构制作和安装过程中，柱和柱拼接节点一般是刚性节点，为方便安装和避开水平荷载下的大弯矩区，柱的拼接接头一般设置在距离楼面以上1.1～1.3m的位置，其安装单元一般采用三层一根，长度在10～12m左右。拼接方式可采用焊接或高强度螺栓连接。
柱的拼接设计可分为抗震设计和非抗震设计，在非抗震设计中，如果弯矩较小，则在拼接连接处不产生拉力，可通过上下柱接触面直接传递25%的轴力和弯矩，则柱拼接节点可按75%的轴力和弯矩及全部剪力设计；而在抗震设计中，柱的拼接接头要位于框架节点塑性区以外，且按柱截面等强度原则设计。
3.3梁与梁的连接
梁与梁的连接有两种情况，一是主梁与主梁的拼接，二是次梁与主梁的拼接。主梁与主梁的拼接形式主要有：翼缘为全熔透连接，腹板用高强度螺栓连接；连接均用高强度螺栓；连接均为全熔透焊接。主梁的拼接接头应设在内力较小的位置，为便于施工，常高在距梁端1.0～1.6m的位置。其强度设计方法也分为等强度设计和非等强度设计。
次梁与主梁的连接有两种做法，一种是将节点设计为铰结，二是设计为刚结。铰结构造简单，制作安装方便，在实际工程中一般采用铰接。刚结可使次梁成为连续梁，从而节约钢材，并且减少次梁的挠度。
3.4柱脚的设计
柱脚可分为刚性固定连接和铰接连接两种类型。当多高层建筑无地下室时，一般采用刚接，以保证结构的侧向刚度，有地下室时，可采用铰接，如有两层以上的地下室，宜采用铰结。刚性柱脚有三种形式：埋入式、外包式和露出式。
（1）埋入式柱脚。埋入式柱脚是将钢柱按要求固定在钢筋混凝土基础或基础梁中，然后浇灌混凝土，形成刚性固定基础。设计时假定：柱的轴心压力由埋在混凝土中的柱脚底板直接传给钢筋混凝土基础或基础梁；弯矩由焊在翼缘上的栓钉传给钢筋混凝土基础或基础梁或者由柱翼缘传给混凝土；柱脚水平剪力由埋入混凝土的钢柱的翼缘与基础或基础梁的混凝土的承压力来传递；不考虑埋入的柱脚与混凝土的摩擦力和粘结力。
（2）外包式柱脚。外包式柱脚是将柱脚用钢筋混凝土包起来，其中钢筋混凝土包脚高度、截而尺寸和箍筋配置对柱脚的内力传递和恢复力特性有重要作用。H型钢柱的包脚高度可取为柱截而高度的2.2～2.7倍。其内力的传递一般采用以下假定：轴力压力由钢柱柱脚底板直接传给钢筋混凝土基础或墓础梁；弯矩由钢柱翼缘抗剪栓钉先传给钢筋混凝土，再传给基础或基础梁；水平剪力可山底板和混凝土之间的摩擦抵消一部分，再由包脚混凝土和水平箍筋同共承担。
（3）露出式柱脚。露出式柱脚是钢柱的轴力、剪力和弯矩由柱脚底板和锚栓传递给基础，在底层钢柱形成塑性铰之前，不允许底板和锚栓发生屈曲或屈服，不允许基础被压坏。其特点是构造简单，但不易获得可靠刚性，需设置加劲肋和锚栓支撑托板。
结语
以上笔者粗略探讨了框架钢结构节点设计，由于篇幅和时间有限，还有许多内容没涉及到，在今后的工作中笔者继续努力研究。
参考文献
[1] 刘秀丽，王燕.中美欧高强度螺栓外伸端板连接设计方法比较[J].西安建筑科技大学学报，2012， （l）.
[2] 徐凌，徐亮，高松.外伸端板螺栓连接节点的强度和刚度[J].地震工程与工程振动，2006， （2）.
[关键词]框架钢结构；钢结构连接；节点设计
中图分类号：TU355 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0148-01
引言
钢结构连接节点的构造设计及其连接计算，不是各自独立而是紧密地相互联系着的，是钢结构整个设计过程中的重要环节。连接节点的设计是否得当，对保证钢结构的整体性和可靠度，对制造安装的质量和进度，对整个建设周期和成本都有着直接的影响。下面笔者框架钢结构节点设计进行了探讨。
1 钢结构连接节点的设计要求
钢结构的节点设计需满足足够的强度、刚度及变形能力。连接件间尽量保持轴线相交以避免附加偏心弯矩对结构的不利影响。工厂加工和现场安装应控制得当，以保证焊缝质量和施工便利。紧固件的不合理设计会影响结构的安全寿命和造价，由于现场明火对结构的不利及焊接施工费用的提升，设计师尽量减少焊缝的使用。在各方条件的综合考虑下，设计师应根据连接节点的位置及受力特点，合理地确定连接形式、节点的细部构造和计算模型，并应遵循以下几点原则：
（1）节点传力要简捷、明确、可靠；（2）计算模型应与实际受力情况一致，构造设计要与所采用的假定相一致；（3）保证节点连接处要有足够强度和刚度，避免因为其强度不足或刚度太小而造成结构的整体破坏； （4）采用合理的细部构造来保证结构具有较好的延性； （5）节点设计尽量简单，加工方便，便于安装和就位，减少拼装工作量。
2 钢结构连接节点形式
2.1刚性连接。
当被连接件为悬臂梁或其转动刚度要求较高，此连接节点必须采用刚性连接。在刚性连接中，常用设计方法是弯矩由翼缘来承担，剪力由腹板承担，对于精确计算方法是以梁翼缘和腹板各自的截面惯性矩分配弯矩，腹板承担所有剪力。刚性连接受力比较复杂，因此，刚性连接较其它连接形式复杂。一般情况下腹板采用双角钢或端板连接，上下翼缘通过连接板与另一方向梁上下翼缘用螺栓连接。当在上翼缘铺盖钢格栅时，需对上翼缘采用带垫板的现场坡口焊进行连接。对于较小载荷的梁与柱刚性连接，可采用端板连接，轻型门式刚架中的连接节点常用端板连接，在此类连接中，梁上下翼缘及腹板均与端板焊接，用螺栓将端板与柱翼缘或腹板连接，但端板必须有足够刚度以抵抗梁塑性铰位置产生的弯矩，当端板足够厚时，可视为刚性连接，当厚度不足时，可视为是半刚性连接。焊缝根据外载荷的大小或梁翼缘板的厚度选择角焊缝或全熔透坡口焊。当荷载较小时，梁与梁刚接可采用双角钢与梁腹板连接，翼缘板用拼接板连接。
2.2铰接连接
梁与梁、梁与柱的连接是钢结构节点设计中常见的连接。通常使用双角钢，端板，单剪板，双剪板作为连接件，此情况下一般在加工厂将双角钢分别焊接在次梁腹板两侧，现场用螺栓把双角钢和主梁腹板相连。此时，仅焊缝群受偏心荷载作用，由于焊缝采用三面围焊，其承载力较大，因此当外荷载较大时，双角钢连接较为合理。当荷载较小时，端板连接简单可行，端板与梁端头或柱翼缘外皮工厂焊，现场用螺栓連接，端板达到一定刚度，可同时承受剪力和轴力。单剪板连接对于轻型次梁（槽钢）而言十分简便，单剪板与主梁一般采用螺栓连接或三面围焊，单剪板与次梁用螺栓连接，螺栓承受偏心荷载影响较大。当外荷载较大而螺栓单剪又不足以抵抗外荷载时，采用双剪板连接方式即可。单、双剪板连接适用于在主梁上无法紧固螺栓的场合。
2.3支撑连接
支撑按其连接形式可分为楼层面的水平支撑和柱间垂直支撑。柱间垂直支撑的作用是提高结构的纵向刚度和稳定性，将水平荷载传给基础。主次梁间沿水平方向布置的水平支撑提高结构的侧向稳定性，抵抗构件的侧向变形，提高结构的整体刚度，传递和承受结构中的水平力，其荷载的大小一般根据支撑构件截面特性进行确定。支撑工作点的确定是支撑结构设计的重要环节，对于用螺栓连接的支撑其作用线应与螺栓孔中心线重合，以免螺栓受偏心荷载。对于垂直支撑，工作点在主梁与柱轴线的交点上，若不在交点处则需考虑偏心弯矩对紧固件的影响。对于水平支撑，工作点受主梁高度的影响沿主梁轴线上下移动。
3 钢结构连接节点设计
3.1梁与柱的连接
根据受力性能，钢结构中梁与柱的连接可分为三类：刚性连接，能承受弯矩和剪力；铰接连接，仅能承受剪力；半刚性连接，能承受剪力和一定的弯矩。刚性连接是工程中经常采用的连接方式，而铰接一般用于非地震区的多层或高层钢框架中框架不用承受水平荷载的结构体系中，
3.2柱与柱的连接
钢结构制作和安装过程中，柱和柱拼接节点一般是刚性节点，为方便安装和避开水平荷载下的大弯矩区，柱的拼接接头一般设置在距离楼面以上1.1～1.3m的位置，其安装单元一般采用三层一根，长度在10～12m左右。拼接方式可采用焊接或高强度螺栓连接。
柱的拼接设计可分为抗震设计和非抗震设计，在非抗震设计中，如果弯矩较小，则在拼接连接处不产生拉力，可通过上下柱接触面直接传递25%的轴力和弯矩，则柱拼接节点可按75%的轴力和弯矩及全部剪力设计；而在抗震设计中，柱的拼接接头要位于框架节点塑性区以外，且按柱截面等强度原则设计。
3.3梁与梁的连接
梁与梁的连接有两种情况，一是主梁与主梁的拼接，二是次梁与主梁的拼接。主梁与主梁的拼接形式主要有：翼缘为全熔透连接，腹板用高强度螺栓连接；连接均用高强度螺栓；连接均为全熔透焊接。主梁的拼接接头应设在内力较小的位置，为便于施工，常高在距梁端1.0～1.6m的位置。其强度设计方法也分为等强度设计和非等强度设计。
次梁与主梁的连接有两种做法，一种是将节点设计为铰结，二是设计为刚结。铰结构造简单，制作安装方便，在实际工程中一般采用铰接。刚结可使次梁成为连续梁，从而节约钢材，并且减少次梁的挠度。
3.4柱脚的设计
柱脚可分为刚性固定连接和铰接连接两种类型。当多高层建筑无地下室时，一般采用刚接，以保证结构的侧向刚度，有地下室时，可采用铰接，如有两层以上的地下室，宜采用铰结。刚性柱脚有三种形式：埋入式、外包式和露出式。
（1）埋入式柱脚。埋入式柱脚是将钢柱按要求固定在钢筋混凝土基础或基础梁中，然后浇灌混凝土，形成刚性固定基础。设计时假定：柱的轴心压力由埋在混凝土中的柱脚底板直接传给钢筋混凝土基础或基础梁；弯矩由焊在翼缘上的栓钉传给钢筋混凝土基础或基础梁或者由柱翼缘传给混凝土；柱脚水平剪力由埋入混凝土的钢柱的翼缘与基础或基础梁的混凝土的承压力来传递；不考虑埋入的柱脚与混凝土的摩擦力和粘结力。
（2）外包式柱脚。外包式柱脚是将柱脚用钢筋混凝土包起来，其中钢筋混凝土包脚高度、截而尺寸和箍筋配置对柱脚的内力传递和恢复力特性有重要作用。H型钢柱的包脚高度可取为柱截而高度的2.2～2.7倍。其内力的传递一般采用以下假定：轴力压力由钢柱柱脚底板直接传给钢筋混凝土基础或墓础梁；弯矩由钢柱翼缘抗剪栓钉先传给钢筋混凝土，再传给基础或基础梁；水平剪力可山底板和混凝土之间的摩擦抵消一部分，再由包脚混凝土和水平箍筋同共承担。
（3）露出式柱脚。露出式柱脚是钢柱的轴力、剪力和弯矩由柱脚底板和锚栓传递给基础，在底层钢柱形成塑性铰之前，不允许底板和锚栓发生屈曲或屈服，不允许基础被压坏。其特点是构造简单，但不易获得可靠刚性，需设置加劲肋和锚栓支撑托板。
结语
以上笔者粗略探讨了框架钢结构节点设计，由于篇幅和时间有限，还有许多内容没涉及到，在今后的工作中笔者继续努力研究。
参考文献
[1] 刘秀丽，王燕.中美欧高强度螺栓外伸端板连接设计方法比较[J].西安建筑科技大学学报，2012， （l）.
[2] 徐凌，徐亮，高松.外伸端板螺栓连接节点的强度和刚度[J].地震工程与工程振动，2006， （2）.