浅谈钢结构节点设计与异型柱框架的应用和发展__墨水学术,论文发

所属栏目：冶金论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:235

副标题#e#摘要：本文阐述了建筑工程中钢结构构件的连接形式、设计要求、连接方法、结构特点及典型的连接节点，为钢结构设计工作提供一定的借鉴。介绍了异型钢结构框架的在高层建筑体系的应用，分析了该体系在钢结构能够利用的原因，对异型钢结构柱的优点进行了分析，并对各种异型柱的应用特点，进行了简单的分析和比较。
　　关键词：钢结构节点设计异型框架架柱高层住宅
　　一、钢结构节点设计
　　钢结构在建筑工程中已经得到了广泛的应用，钢结构用作主结构钢平台，零星结构钢平台、楼梯、屏蔽隔板、管道设备支撑、走道、护栏、旋转爬梯、临时顶盖、穹顶，几乎所有钢结构的连接都是采用高强螺栓和焊接进行。这里主要概述钢结构连接节点的设计方法。
　　1、钢构件连接节点的形式
　　按构件受力方式可分为：单剪连接、弯矩连接、扭矩连接，及其与轴向力的组合连接，支撑连接(包括水平支撑、垂直支撑、斜支撑)。按构件的连接方式可分为：单板连接、双板连接、单角钢连接、双角钢连接、端板连接。按构件与构件间的连接可分为：梁-梁连接，梁-柱连接及其分别带有水平支撑和垂直支撑的连接，柱拼接(包括大小柱的拼接)。
　　2、钢结构连接接点的设计要求
　　建筑工程对钢结构的加工和安装要求决定了钢结构的连接方式，可以按照业主要求，对焊接易于保证焊缝质量，使钢构件既适于加工保证工程进度的要求，同时又便于现场安装方便快速，因此决定在钢结构的节点设计中，构件与构件之间的连接尽量采用螺栓连接，除非在那些使用螺栓连接将使整个节点变的非常复杂或被连接的构件尺寸较小、无足够空间布置一定数量螺栓的情况下才采用现场焊接的连接设计。
　　对于节点设计的另外一个重要要求是连接螺栓和焊缝所能提供的力必须大于所给外力或被连接构件的最大承载力。此外对于和预埋件相连接的构件为使连接方便，并且便于处理预埋件定位偏差造成的影响，通常采用现场焊接。在浇筑混凝土时遗漏预埋间的情况下为便于钢构件和混凝土的固定，采用HILTI膨胀螺栓和化学螺栓连接，是最常用的构件连接方法。
　　3、钢结构连接节点的设计方法
　　A：简支梁连接。梁-梁，梁-柱是钢结构设计中的基本连接，一般采用简支梁连接形式，可使用双角钢、端板、单板双板连接。此状况下一般将双角钢与次梁车间焊接，现场用螺栓将主梁腹板与双角钢连接。
　　在此连接状态，螺栓不受偏心载荷，而焊缝受到偏心载荷的作用，由于焊缝采用三面围焊其抗弯能力较高，因此，在较重载荷的情况下，一般采用双角钢连接。相对而言，螺栓承受了附加偏心载荷。在另外一些场合，如载荷较大并且次梁与主梁成一定的角度时，将钢板弯折成相应的角度，形成类似于双角钢的连接。如果载荷较小，可采用较简单的端板连接，在此类连接中，适当增加端板板厚，可承受剪力和轴向力的组合荷载。时对于主次梁不是正交的情况下，端板连接在加工工艺性上的优点比双角钢连接更好。
　　单板连接对于连接槽钢等类的次梁而言是非常简便的，尽管螺栓受偏心载荷，只要螺栓的承载力大于外载荷，而单板于主梁的焊缝一般采用三面围焊，其受力状态较好。如果由于上下翼缘切割腹板需要加筋时，只需要在单板的另一侧即腹板内侧焊接一加劲板。
　　双板同样适用于在主梁上无法紧固螺栓的场合，当外载荷较大而螺栓单剪又不足以抵抗外载荷时，采用此连接方式。其缺点就是螺栓及梁均受偏心载荷的作用，需要比较复杂的计算程序进行螺栓在剪力及弯矩综合作用下的验算。决定连接节点设计的重要因素是设计载荷的选择，根据钢结构设计规范CSA16.1，设计载荷与被连接梁的抗弯截面系数，梁的屈服强度，及梁跨距有关，当跨距较小时（〈2M〉，其值取梁腹板抗剪力之半，设计载荷的最大值应不超过梁腹板的抗剪力。一般情况下#p#副标题#e#，设计载荷Vf=4M/L2其中：L为跨距，M为梁最大抗弯矩（M=0.9SxFy（kN.m））。
　　B：弯矩连接(刚性连接)。当被连接梁处于悬臂状态或要求采用全强度连接时，必须采用弯矩连接，连接接头中，腹板承受剪力，上下翼缘承受轴向拉力和压力。弯矩连接是非常复杂和费用较高的连接，由其节点设计的复杂程度所决定。一般情况下，对腹板可采用双角钢或端板连接承受剪力，上下翼缘的拉力或压力可通过连接板与次梁上下翼缘用螺栓连接。在上翼缘铺盖钢格栅时，一般不宜采用上翼缘用连接板的方式，而采用带垫板的现场全焊透方式进行连接，这样既节省了高强螺栓的使用，又使连接变得简单。一重型梁与柱的弯矩连接所采用的连接就说明了这一点，为了使上下翼缘的轴向拉、压力不致使柱的单侧翼缘承受，此节点中在次梁上下翼缘方向，使用了四块加劲板以抵抗次梁沿翼缘方向的轴力，阻止柱翼缘的局部变形，使柱受力均匀，减少次梁上下翼缘和柱翼缘接触的应力集中，由于在该连接中，梁翼缘传递的轴向力较大，增加一斜向加劲板及在连接双板上加劲以使柱翼缘的受力更加均匀。
　　对于较小载荷的梁柱弯矩连接，可采用端板连接的方式进行，在此类连接中次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，但端板必须有足够的厚度以抵抗次梁翼缘板的轴向力。焊缝可根据次梁翼缘板的厚度或外载荷的大小选择角焊缝或全焊透坡口焊。主次梁弯矩连接，一般情况在主梁腹板焊一连接板与次梁下翼缘用螺栓连接，主梁上翼缘与次梁上翼缘采用带垫板的现场全熔透焊，腹板之间的连接可采用双角钢或端板用螺栓进行连接。
　　C：斜支撑连接。斜支撑按其连接形式可分为钢结构楼面层的水平支撑和柱间垂直支撑连接。连接主梁和柱间的垂直支撑在结构中通常起结构横向稳定的作用，将主梁的重力载荷传递给柱或地面，另一类垂直支撑即是桁架上下弦杆间的斜向支撑，将上下弦杆之间的力互相传递。连接主梁和次梁沿水平方向布置的斜向支撑主要提供结构的侧向稳。
　　二、钢结构异型柱框架的应用和发展
　　结构设计的基本任务是在结构的可靠度和经济之间选择一种合理的平衡，力求以最低的代价，使建造的结构在规定的条件和使用期内，能够满足预定的安全性，适用性和耐久性等功能要求，这就要求设计人员在安全和经济综合考虑，合理的结构体系之关重要，目前的主要的是混凝土结构和钢结构，由于混凝土结构很多缺点，和科技的进步和环保意识的提高，钢结构得到了很大的发展。
　　钢结构作为建筑体系的优势在于，钢结构有利于工业化和产业化的生产，钢结构是绿色建筑，节能建筑，钢结构提高了空间的利用率，钢结构建筑的重量轻，体量小，而且本身有良好的延性，因此钢结构的抗震性能非常好，钢结构的施工周期短，提高了资金投资的效益和施工现场文明。
　　所谓异型柱框架体系是指全部或部分采用L字型，+字型，Z字型及一字型等非矩形截面柱与矩形或T型截面组成的梁柱结构体系。
　　1、异型框架的结构应用
　　1.1异型柱的框架主要优点
　　1）柱的平面布置很灵活，异型柱结构的围护墙都是非承重的轻质隔墙，受建筑的限制较少，可以满足业主对大开间建筑的需求。
　　2）异型柱框架与矩形框架相比，抗震性能有明显的提高，质量减轻是其抗震提高的主要原因，此外，抗侧刚度对抗震性能的提高也有一定的影响。
　　3）钢结构异型柱框架避免了混凝土的阴角和阳角部位存在应力集中现象和地震时的破坏严重。
　　1.2异型柱的框架的结构布置
　　随着生活水平的提高，人们对住房的要求越来越高，由于异型柱框架具有室内无柱楞，不妨碍家具的摆设，可增加使用面积4%—8%，可选择填充墙的墙体材料等优点。
　　1.3异型柱的构造措施
　　异型柱框架的构造应满足现行国家结构设计#p#副标题#e#，施工规范的基本要求。考虑到异型柱的特点，应采取下面的构造措施，在结构体系上，应从严把握概念设计的原则要求，力求结构平面规整，结构刚度均匀，构件传力直接，明确，最好不做错层结构，柱的轴压比应满足一定的要求，并应当适当修改。
　　异型柱框架的构造，T型柱的可以采用一个工字钢和T型钢焊接成，根据具体的墙体的厚度，采用适当的填充材料，使柱体和墙体形成有机的整体，在美观的同时不会出现应力的集中的现象。
　　2、异形柱的计算方法
　　2.1刚度等效原则
　　对于多高曾框架来说，对结构内力分析影响最大的是柱子的形心主轴惯性矩，而截面面积和抗扭矩影响很小，因此只要保证异形柱形心主轴惯性矩正确进入电算程序中局部坐标系下的单元刚度矩阵，就能较准确的计算出异形柱框架的内力和变形，为了使现有的高层钢结构分析软件在计算异形柱框架能够反应这一要求，应该按照等效刚度的原则。
　　2.2采用中国建科院刚结构软件STS和SATWE-8程序直接对异形柱进行计算。
　　3、各种异形柱的比较
　　由于应用的结构具体的位置不同，各种异形柱的所受外力有很大的区别，各异形柱的承受的极限形式又不相同，对于比较各异形柱的经济性相对比较困难，在实际应用中只有根据工程的特点来具体选择，本文只简单比较各异形柱的力学性能，应离集中部位对不同作用方向的不同柱有很大的不同，L形的柱截面的绝对最大剪应力的位置稍微偏离截面突变处，对于T形柱截面，当外力作用在对称方向时，最大剪应力的位置稍微偏离截面突变处，而外力作用在非对称方向时，最大的剪应力仍在截面突变处，+字柱面的最大剪应力总在截面突变处。
　　4、异形柱设计的存在问题
　　异形钢柱是在一般是在工字形截面上增加一个T形截面，相应增加了弱轴方向的截面特性，特别是将钢梁与钢柱弱轴的刚性连接节点转化为与柱翼缘连接，优于常见设计中工字钢柱在弱轴方向设外伸连接板的刚性连接，加强了工字钢柱的弱轴稳定，对结构安全有有利影响，但是在异形柱在结构分析中还存在问题，要解决的问题有：第一，弱轴上增加T型构件后，截面特性的确定。第二，异型钢柱局部稳定性计算。第三，梁柱节点与钢柱形心轴偏离时整体受力分析（普通杆系计算软件你能解决），理想的计算模型应该采用有限元整体建模进行内力分析，可以解决上述的问题，但是建模的工作量太大。
　　异形柱的设计中面临的另一问题，就是异形柱框架在地震作用下破坏严重，异形柱框架在设计中存在很多的问题：第一，异形柱框架结构不对称时，扭转对其受力的影响。第二，异形柱框架结构在地震作用下的弹塑性分析。第三，异形柱框架结构在截面设计方面的软件的开发。
　　异形柱在地震的破坏的主要原因可归纳为：第一，异形柱框架结构的设计方法不完善。第二，异形截面柱的强度有别别于普通的规则柱。第三，异形截面柱的破坏形态不同于规则的钢结构柱。
　　5、异形柱框架的发展
　　随着我国科研和设计人员的不断探索和研究，出现了新的结构类型，异形框架柱就是其中的一种。在科技的进步和人民生活水平的提高，钢结构被应用于高层住宅中，得到了较好的效果。由于钢结构本身的一些特点，将会越来越多的运用到高层住宅中去，由于住宅的特殊要求和审美观念的要求，我们相信异形框架柱将在高层钢结构住宅中担当重要的结构体系，异形柱也将的到更高的认识和研究。为了更好的应用该结构体系，我们认为应该做到以下几点：
　　1）通过回访，及时总结已建成的运用该结构体系的住宅经验
　　2）加快相关技术标准，规范，规程的制定和修改，使与钢结构异形柱有关的所有部门和人员工作起来有据可依
　　3）重视有关钢结构住宅的技术人员的教育和培训，提高专业队伍的素质
　　钢结构住宅是今后发展的一个方向#p#副标题#e#，随着科技的进步，审美观念改变必然使的钢结构住宅建筑不断的去扩展自身的表达语汇而寻求发展。我们提倡的是抛弃风格，从结构的理性主义出发，从现代和传统的建筑结构中吸取精华，创造出技术和艺术有机融合的钢结构住宅的精品建筑。我们要分清楚，钢结构异形柱框架是建筑中承重体系和服务部分，它不是建筑使用中的主要部分，钢结构住宅的设计首先要遵循住宅建筑设计的一般原则，然后才是发挥钢结构的优势。