高层建筑钢结构连接节点的抗震设计

    本文介绍高层建筑钢结构抗震设计时,并对钢结构构件节点和杆件接头处的三种杆件连接方式,其性能及适用范围进行了分析比较,然后对梁、与柱、柱与柱、梁与梁的连接以及抗震剪力墙与框架的连接等方式进行了阐述,以供同行参考。 
  关键词高层建筑;钢结构;连接节点;安装 
  中图分类号TU352.1+1 
  文献标识码B 
  文章编号1008-0422(2013)08-0120-02 
  1 前言 
  随着城市建设的发展,高层建筑在我国日益增多。高层钢结构具有承载力高、抗震性能好、施工周期短等特点,特别适用于高耸的高层建筑。在高层钢结构抗震设计中,节点连接良好的抗震设计是保证结构安全的重一环。连接节点应满足强度、延性和耗能能力三方面的求,其连接强度应高于相连构件端部的屈服承载力,并且必须有较大的变形能力,用以弥补强度方面的缺陷。钢材本身具有很好的延性,但这种延性在结构中不一定能体现出来,这主是由于节点局部压曲和脆性破坏而造成的,因此在设计中应采用合理的细部构造,避免应变集中而形成较大的约束应力。在钢材的选用上应满足强度、塑性、韧性及可焊性的求。钢材强度指的是抗拉强度和屈服强度,钢材应具有较高的强屈比,其屈服强度的上限值和下限值应适当。钢材的塑性表现在伸长率和冷弯性能两项指标上,反映钢材承受残余变形量的程度及塑性变形能力。对抗震结构还必须满足冲击韧性的求。钢材另一重的基本求是对化学成分含量的限制,它将直接影响结构的可焊性,应控制钢材的碳当量。在高层钢结构中,厚钢板的应用较为广泛,在梁一柱节点范围,当节点约束较强,板厚等于或大于40mm时,应附加求板厚方向的断面收缩率,以防发生平行于钢材表面的层状撕裂。 
  2 杆件连接 
  2.1连接方式 
  2.1.1 连接类型 
  建筑钢结构的构件节点和杆件接头处的杆件连接可采用(1)全焊连接;(2)高强度螺栓连接;(3)焊缝和高强度螺栓混合连接。 
  2.1.2 性能比较 
  2.1.2.1全焊连接,传力最充分,不会滑移。良好的焊接构造和焊接质量可以为结构提供足够的延性。缺点是焊接部位常留有一定的残余应力。 
  2.1.2.2高强度螺栓连接,施工较方便。但是,杆件的接头若全部采用高强度螺栓时,接头尺寸较大,钢板用量较多,费用较高;而且强烈地震时,接头可能产生滑移。 
  2.1.2.3栓焊混合连接,应用比较普遍。先用螺栓安装定位,然后施焊,操作方便。实验表明,此类连接的滞回曲线,与完全焊接情况相近;但翼缘焊接将使螺栓预拉力平均降低110%左右。因此,连接腹板的高强度螺栓实际预拉应力留有一定富裕。 
  2.2焊缝连接 
  2.2.1 拼接形式 
  2.2.1.1选定构件节点和杆件接头的连接形式时,应尽可能避免采用约束性强、容易产生板件层状撕裂的连接构造。 
  2.2.1.2构件实验和工程实践经验表明,层状撕裂主发生在+型连接、十字型连接和角部连接等拼接形式处。这些部位的较强约束程度,使焊缝收缩时引起母材厚度方向产生较大拉应力,而且由于延性有限,无法得到调整,导致钢板件层状撕裂。 
  2.2.2 对接焊缝 
  2.2.2.1构件节点、杆件接头和板件拼装,依其受力条件,可采用全熔透焊缝或部分熔透焊缝。 
  2.2.2.2遇到下列情况之一时,应采用全熔透焊缝。a、求与母材等强度的焊缝连接;b、框架节点梁端、柱端塑性区段内的焊缝连接。 
  2.2.3 螺栓连接 
  2.2.3.1连接类型 
  多高层建筑钢结构承受风荷载的反复作用和地震的往复作用,承重构件或承力构件(支撑)的杆件连接采用高强度螺栓时,应采取摩擦型连接,不得采用承压型(剪压型)连接。以免在设计荷载下连接部位产生滑移,加大节点变形。 
  2.2.3.2螺栓受剪承载力 
  ① 强烈地震作用下,高强度螺栓摩擦型连接的板件之间的摩阻力有可能被克服,此时,高强度螺栓连接的最大受剪承载力将取决于螺栓的极限抗剪能力。 
  ② 实验研究成果指出,螺栓连接的最终受剪破坏时,不是全部发生在螺纹净截面处,其中部分螺栓的破坏是发生在螺杆上,从而使螺栓连接的最大受剪承载力在总体上有所提高。 
  3 梁与柱的连接 
  梁与柱的连接节点构造应与连接类别的受力特征假定相符,通常采用柱贯通的形式。对于刚性连接,梁上下翼缘均应与柱相连;而铰接连接可仅梁腹板或一侧翼缘与柱相连。而由于半刚性连接结构的分析与设计,至今尚无很方便的工程实用方法,因此目前在实际工程中还很少采用。 
  3.1刚性连接 
  梁柱的刚性连接应具有足够的刚度,可以承受设计求的弯矩,在达到承载能力之前所连接的梁柱之间不发生相对转动。凡是需抵抗水平力的框架,主梁和柱的连接均应采用刚性连接形式。 
  常用的梁柱刚性连接构造形式有(1)全焊接连接,梁的上下翼缘和腹板均与柱用焊接连接在一起,通常翼缘与柱用全熔透坡口焊,腹板用角焊缝与柱相连;(2)栓焊混合节点,梁的上下翼缘用全熔透坡口焊,腹板则用高强螺栓与柱相连;(3)全栓接节点,梁翼缘与腹板均用高强度螺栓与柱相连。全焊接节点一般在工厂加工时采用,而栓焊混合节点和全栓接节点通常在现场安装条件下采用。三种节点形式中,虽然连接的承载力相同,但在地震时吸收和耗散能量的能力差别较大。全焊连接的滞回曲线呈稳定纺锤形,节点的延性和刚度最好。栓焊混合节点,虽然由于腹板螺栓滑动而不完全刚性,但其性能与全焊连接相差不大。全栓接节点,由于翼缘和腹板均发生滑动,滞回曲线呈滑动形。因而,在地震作用下,全栓连接难以满足刚性连接的求,一般只适用于非地震区的多层框架。
  3.2铰接连接 
  梁与柱的铰接连接,又称为柔性连接。铰接连接构造简单、传力简捷、施工方便,在工程中也有广泛的应用。非地震区多层或高层钢框架如果用剪力墙一类构件承受水平荷载(框架仅承受重力荷载)和提供抗侧刚度的结构体系,梁与柱连接即可采用铰接方案。 
  铰接连接只能承受很小的弯矩,求梁能够较自由地转动,但没有线位移,能传递剪力和轴力。实际上绝对的铰接是不存在的,节点板的刚度和螺栓对梁端的旋转仍有一定的约束度,估计节点对梁转动的约束度,约为全刚性抗弯节点的10%。这些连接能传递有限的弯矩,但在设计中可不予考虑,他们的延性足以容许被连接梁的充分转动。 
  4 柱与柱的连接 
  钢结构制作和安装过程中,由于运输条件的限制,或者柱截面发生变化,需将柱和柱拼接起来。柱的拼接节点一般都是刚性节点,为便于现场安装操作,柱拼接接头一般设置在距楼板1.0m~1.3m的位置,同时避开水平荷载下的大弯矩区。考虑运输方便及吊装条件等因素,柱的安装单元一般采用三层一根, 
  长度10~12m左右。根据设计和施工的具体条件,柱的拼接可采用焊接或高强度螺栓连接。焊接接头没有拼接节点板,传力简洁,外形整齐,节省材料。但高空焊接作业,需采取措施保证焊接质量。 
  5 梁与梁的连接 
  5.1主梁与主梁的拼接 
  主梁的工地拼接,其形式主有(1)翼缘为全熔透连接,腹板用高强度螺栓连接;(2)翼缘和腹板都用高强度螺栓连接;(3)翼缘和腹板均为全熔透焊连接。主梁的拼接接头应设在框架节点塑性区段以外,以及内力较小的位置,考虑施工安装的方便,通常设在距梁端1.0m~1.6m处。当翼缘或腹板均采用全熔透的坡口对接焊连接,并采用引弧板施焊时,可视焊缝与翼缘板和腹板是等强的,可不进行连接焊缝的强度计算。高强度螺栓的计算可按以下两种方法计算。 
  a、等强度设计。为保证梁截面刚度和强度的连续性,对于有抗震设防求或按塑性设计的梁的拼接,应按被连接梁翼缘和腹板的净截面面积的等强度条件进行拼接连接设计。 
  b、非等强度设计。对于无抗震设防求的梁的拼接,可按梁拼接处的实际内力进行设计。弯矩分别由翼缘和腹板根据弯矩刚度比分担,剪力由腹板承担。为保证构件的连续性,即使拼接处的内力较小,拼接的强度也不得小于原截面承载力的50%。 
  5.2次梁与主梁的连接 
  次梁与主梁的连接应将主梁作为次梁的支点,可有两种做法(1)将主次梁的节点设计为铰接,即次梁为简支梁;(2)将主次梁的节点设计为刚接,此时,次梁相当于连接梁。铰接节点构造简单,制作安装方便,因而实际工程中主次梁节点一般采用铰接。主次梁刚性连接构造和制作上比铰接连接复杂。如果次梁跨数较多、荷载较大,或者结构为井字梁,或者次梁带有悬挑梁,则次梁与主梁做成刚性连接可使次梁成为连续梁,从而可节约较多的钢材,并且可减少次梁的挠度。此时,次梁剪力仍传给主梁,次梁梁端的弯矩直接在两相邻跨的次梁之间传递。因此,次梁上翼缘应由拼接板跨过主梁相互连接,或将次梁上翼缘与主梁上翼缘垂直相互焊接,连接的强度可按与次梁截面等强度原则进行计算。 
  6 抗震剪力墙与框架的连接 
  在高层钢结构框架中,除支撑外,常采用带缝剪力墙和内藏钢板支撑剪力墙等作为抗侧力构件,人为控制刚度,增加耗能效果。 
  6.1钢筋混凝土带缝剪力墙的形式分开竖缝剪力墙和开水平缝剪力墙两种,常用的为开竖缝剪力墙。 
  开竖缝剪力墙是在钢筋混凝土墙板中间以一定的间隔沿竖向设置许多缝,形成缝间墙。缝间墙的受力情况与固端梁相似,从而把性能“强而脆”的剪力墙变成具有延性的构件,在设计上则是控制缝间墙的受弯而不是受剪破坏。 
  带缝剪力墙的墙板是预制的,墙板与柱之间没有连接,仅用砂浆填塞。墙的上端以连接件与钢梁用高强度螺栓连接,墙的下端沿全长埋置于现浇钢筋混凝土楼板中,钢梁上的抗剪栓钉和抗剪连接件的设计,座使其能充分传递墙的剪力。 
  6.2内藏钢板支撑钢筋混凝土剪力墙,钢板支撑预埋在钢筋混凝土墙板内,墙板周边与框架梁柱留有一定的空隙( 侧面空隙25mm),仅通过钢板支撑在节点处与框架相连。内藏钢板支撑虽然很薄(12-19mm),但外包混凝土墙体和螺旋箍筋能有效地约束钢板支撑的屈曲,从而大大提高钢板支撑抵抗反复荷载作用的能力, 改善了结构体系的抗震性能,成为一种延性很好的抗侧力结构。 
  7 结语 
  迄今,钢结构建筑已经历了多次强烈地震的考验,正如人们所预料的,钢结构的抗震性能远比钢筋混凝土结构优越。但是,由于设计特别是构造上的不当,也发生了一些破坏,构件节点连接的破坏更是比较普遍。因此,节点是整个钢结构设计工作的重环节。 
  参考文献 
  1李国强.多高层建筑钢结构设计M.北京中国建筑工业出版社,2004.4. 
  2若林实 建筑抗震设计.建筑科学编辑部. 
  3阳勇波.两种钢框架节点抗震工法比较J.山西建筑.2005.31(12)41-42. 
  4邱国桦高层建筑钢结构的节点设计,《高层建筑钢结构成套技术》专题报告.