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摘 要：本文介紹高層建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，并對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點和桿件接頭處的三種桿件連接方式，其性能及適用范圍進行了分析比較，然后對梁、與柱、柱與柱、梁與梁的連接以及抗震剪力墻與框架的連接等方式進行了闡述，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)；連接節(jié)點；安裝

中圖分類號：TU352.1+1

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-0422（2013）08-0120-02

1 前言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑在我國日益增多。高層鋼結(jié)構(gòu)具有承載力高、抗震性能好、施工周期短等特點，特別適用于高聳的高層建筑。在高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，節(jié)點連接良好的抗震設(shè)計是保證結(jié)構(gòu)安全的重要一環(huán)。連接節(jié)點應(yīng)滿足強度、延性和耗能能力三方面的要求，其連接強度應(yīng)高于相連構(gòu)件端部的屈服承載力，并且必須有較大的變形能力，用以彌補強度方面的缺陷。鋼材本身具有很好的延性，但這種延性在結(jié)構(gòu)中不一定能體現(xiàn)出來，這主要是由于節(jié)點局部壓曲和脆性破壞而造成的，因此在設(shè)計中應(yīng)采用合理的細(xì)部構(gòu)造，避免應(yīng)變集中而形成較大的約束應(yīng)力。在鋼材的選用上應(yīng)滿足強度、塑性、韌性及可焊性的要求。鋼材強度指的是抗拉強度和屈服強度，鋼材應(yīng)具有較高的強屈比，其屈服強度的上限值和下限值應(yīng)適當(dāng)。鋼材的塑性表現(xiàn)在伸長率和冷彎性能兩項指標(biāo)上，反映鋼材承受殘余變形量的程度及塑性變形能力。對抗震結(jié)構(gòu)還必須滿足沖擊韌性的要求。鋼材另一重要的基本要求是對化學(xué)成分含量的限制，它將直接影響結(jié)構(gòu)的可焊性，應(yīng)控制鋼材的碳當(dāng)量。在高層鋼結(jié)構(gòu)中，厚鋼板的應(yīng)用較為廣泛，在梁一柱節(jié)點范圍，當(dāng)節(jié)點約束較強，板厚等于或大于40mm時，應(yīng)附加要求板厚方向的斷面收縮率，以防發(fā)生平行于鋼材表面的層狀撕裂。

2 桿件連接

2.1連接方式

2.1.1 連接類型

建筑鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件節(jié)點和桿件接頭處的桿件連接可采用：（1）全焊連接；（2）高強度螺栓連接；（3）焊縫和高強度螺栓混合連接。

2.1.2 性能比較

2.1.2.1全焊連接，傳力最充分，不會滑移。良好的焊接構(gòu)造和焊接質(zhì)量可以為結(jié)構(gòu)提供足夠的延性。缺點是焊接部位常留有一定的殘余應(yīng)力。

2.1.2.2高強度螺栓連接，施工較方便。但是，桿件的接頭若全部采用高強度螺栓時，接頭尺寸較大，鋼板用量較多，費用較高；而且強烈地震時，接頭可能產(chǎn)生滑移。

2.1.2.3栓焊混合連接，應(yīng)用比較普遍。先用螺栓安裝定位，然后施焊，操作方便。實驗表明，此類連接的滯回曲線，與完全焊接情況相近；但翼緣焊接將使螺栓預(yù)拉力平均降低110%左右。因此，連接腹板的高強度螺栓實際預(yù)拉應(yīng)力要留有一定富裕。

2.2焊縫連接

2.2.1 拼接形式

2.2.1.1選定構(gòu)件節(jié)點和桿件接頭的連接形式時，應(yīng)盡可能避免采用約束性強、容易產(chǎn)生板件層狀撕裂的連接構(gòu)造。

2.2.1.2構(gòu)件實驗和工程實踐經(jīng)驗表明，層狀撕裂主要發(fā)生在+型連接、十字型連接和角部連接等拼接形式處。這些部位的較強約束程度，使焊縫收縮時引起母材厚度方向產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，而且由于延性有限，無法得到調(diào)整，導(dǎo)致鋼板件層狀撕裂。

2.2.2 對接焊縫

2.2.2.1構(gòu)件節(jié)點、桿件接頭和板件拼裝，依其受力條件，可采用全熔透焊縫或部分熔透焊縫。

2.2.2.2遇到下列情況之一時，應(yīng)采用全熔透焊縫。a、要求與母材等強度的焊縫連接；b、框架節(jié)點梁端、柱端塑性區(qū)段內(nèi)的焊縫連接。

2.2.3 螺栓連接

2.2.3.1連接類型

多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)要承受風(fēng)荷載的反復(fù)作用和地震的往復(fù)作用，承重構(gòu)件或承力構(gòu)件（支撐）的桿件連接采用高強度螺栓時，應(yīng)采取摩擦型連接，不得采用承壓型（剪壓型）連接。以免在設(shè)計荷載下連接部位產(chǎn)生滑移，加大節(jié)點變形。

2.2.3.2螺栓受剪承載力

① 強烈地震作用下，高強度螺栓摩擦型連接的板件之間的摩阻力有可能被克服，此時，高強度螺栓連接的最大受剪承載力將取決于螺栓的極限抗剪能力。

② 實驗研究成果指出，螺栓連接的最終受剪破壞時，不是全部發(fā)生在螺紋凈截面處，其中部分螺栓的破壞是發(fā)生在螺桿上，從而使螺栓連接的最大受剪承載力在總體上有所提高。

3 梁與柱的連接

梁與柱的連接節(jié)點構(gòu)造應(yīng)與連接類別的受力特征假定相符，通常采用柱貫通的形式。對于剛性連接，梁上下翼緣均應(yīng)與柱相連；而鉸接連接可僅梁腹板或一側(cè)翼緣與柱相連。而由于半剛性連接結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計，至今尚無很方便的工程實用方法，因此目前在實際工程中還很少采用。

3.1剛性連接

梁柱的剛性連接應(yīng)具有足夠的剛度，可以承受設(shè)計要求的彎矩，在達到承載能力之前所連接的梁柱之間不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。凡是需要抵抗水平力的框架，主梁和柱的連接均應(yīng)采用剛性連接形式。

常用的梁柱剛性連接構(gòu)造形式有：（1）全焊接連接，梁的上下翼緣和腹板均與柱用焊接連接在一起，通常翼緣與柱用全熔透坡口焊，腹板用角焊縫與柱相連；（2）栓焊混合節(jié)點，梁的上下翼緣用全熔透坡口焊，腹板則用高強螺栓與柱相連；（3）全栓接節(jié)點，梁翼緣與腹板均用高強度螺栓與柱相連。全焊接節(jié)點一般在工廠加工時采用，而栓焊混合節(jié)點和全栓接節(jié)點通常在現(xiàn)場安裝條件下采用。三種節(jié)點形式中，雖然連接的承載力相同，但在地震時吸收和耗散能量的能力差別較大。全焊連接的滯回曲線呈穩(wěn)定紡錘形，節(jié)點的延性和剛度最好。栓焊混合節(jié)點，雖然由于腹板螺栓滑動而不完全剛性，但其性能與全焊連接相差不大。全栓接節(jié)點，由于翼緣和腹板均發(fā)生滑動，滯回曲線呈滑動形。因而，在地震作用下，全栓連接難以滿足剛性連接的要求，一般只適用于非地震區(qū)的多層框架。

3.2鉸接連接

梁與柱的鉸接連接，又稱為柔性連接。鉸接連接構(gòu)造簡單、傳力簡捷、施工方便，在工程中也有廣泛的應(yīng)用。非地震區(qū)多層或高層鋼框架如果用剪力墻一類構(gòu)件承受水平荷載（框架僅承受重力荷載）和提供抗側(cè)剛度的結(jié)構(gòu)體系，梁與柱連接即可采用鉸接方案。

鉸接連接只能承受很小的彎矩，要求梁能夠較自由地轉(zhuǎn)動，但沒有線位移，能傳遞剪力和軸力。實際上絕對的鉸接是不存在的，節(jié)點板的剛度和螺栓對梁端的旋轉(zhuǎn)仍有一定的約束度，估計節(jié)點對梁轉(zhuǎn)動的約束度，約為全剛性抗彎節(jié)點的10%。這些連接能傳遞有限的彎矩，但在設(shè)計中可不予考慮，他們的延性足以容許被連接梁的充分轉(zhuǎn)動。

4 柱與柱的連接

鋼結(jié)構(gòu)制作和安裝過程中，由于運輸條件的限制，或者柱截面發(fā)生變化，需要將柱和柱拼接起來。柱的拼接節(jié)點一般都是剛性節(jié)點，為便于現(xiàn)場安裝操作，柱拼接接頭一般設(shè)置在距樓板1.0m～1.3m的位置，同時避開水平荷載下的大彎矩區(qū)?？紤]運輸方便及吊裝條件等因素，柱的安裝單元一般采用三層一根，

長度10～12m左右。根據(jù)設(shè)計和施工的具體條件，柱的拼接可采用焊接或高強度螺栓連接。焊接接頭沒有拼接節(jié)點板，傳力簡潔，外形整齊，節(jié)省材料。但高空焊接作業(yè)，需要采取措施保證焊接質(zhì)量。

5 梁與梁的連接

5.1主梁與主梁的拼接

主梁的工地拼接，其形式主要有：（1）翼緣為全熔透連接，腹板用高強度螺栓連接；（2）翼緣和腹板都用高強度螺栓連接；（3）翼緣和腹板均為全熔透焊連接。主梁的拼接接頭應(yīng)設(shè)在框架節(jié)點塑性區(qū)段以外，以及內(nèi)力較小的位置，考慮施工安裝的方便，通常設(shè)在距梁端1.0m～1.6m處。當(dāng)翼緣或腹板均采用全熔透的坡口對接焊連接，并采用引弧板施焊時，可視焊縫與翼緣板和腹板是等強的，可不進行連接焊縫的強度計算。高強度螺栓的計算可按以下兩種方法計算。

a、等強度設(shè)計。為保證梁截面剛度和強度的連續(xù)性，對于有抗震設(shè)防要求或按塑性設(shè)計的梁的拼接，應(yīng)按被連接梁翼緣和腹板的凈截面面積的等強度條件進行拼接連接設(shè)計。

b、非等強度設(shè)計。對于無抗震設(shè)防要求的梁的拼接，可按梁拼接處的實際內(nèi)力進行設(shè)計。彎矩分別由翼緣和腹板根據(jù)彎矩剛度比分擔(dān)，剪力由腹板承擔(dān)。為保證構(gòu)件的連續(xù)性，即使拼接處的內(nèi)力較小，拼接的強度也不得小于原截面承載力的50%。

5.2次梁與主梁的連接

次梁與主梁的連接應(yīng)將主梁作為次梁的支點，可有兩種做法：（1）將主次梁的節(jié)點設(shè)計為鉸接，即次梁為簡支梁；（2）將主次梁的節(jié)點設(shè)計為剛接，此時，次梁相當(dāng)于連接梁。鉸接節(jié)點構(gòu)造簡單，制作安裝方便，因而實際工程中主次梁節(jié)點一般采用鉸接。主次梁剛性連接構(gòu)造和制作上比鉸接連接要復(fù)雜。如果次梁跨數(shù)較多、荷載較大，或者結(jié)構(gòu)為井字梁，或者次梁帶有懸挑梁，則次梁與主梁做成剛性連接可使次梁成為連續(xù)梁，從而可節(jié)約較多的鋼材，并且可減少次梁的撓度。此時，次梁剪力仍傳給主梁，次梁梁端的彎矩直接在兩相鄰跨的次梁之間傳遞。因此，次梁上翼緣應(yīng)由拼接板跨過主梁相互連接，或?qū)⒋瘟荷弦砭壟c主梁上翼緣垂直相互焊接，連接的強度可按與次梁截面等強度原則進行計算。

6 抗震剪力墻與框架的連接

在高層鋼結(jié)構(gòu)框架中，除支撐外，常采用帶縫剪力墻和內(nèi)藏鋼板支撐剪力墻等作為抗側(cè)力構(gòu)件，人為控制剛度，增加耗能效果。

6.1鋼筋混凝土帶縫剪力墻的形式分開豎縫剪力墻和開水平縫剪力墻兩種，常用的為開豎縫剪力墻。

開豎縫剪力墻是在鋼筋混凝土墻板中間以一定的間隔沿豎向設(shè)置許多縫，形成縫間墻?？p間墻的受力情況與固端梁相似，從而把性能“強而脆”的剪力墻變成具有延性的構(gòu)件，在設(shè)計上則是控制縫間墻的受彎而不是受剪破壞。

帶縫剪力墻的墻板是預(yù)制的，墻板與柱之間沒有連接，僅用砂漿填塞。墻的上端以連接件與鋼梁用高強度螺栓連接，墻的下端沿全長埋置于現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板中，鋼梁上的抗剪栓釘和抗剪連接件的設(shè)計，座使其能充分傳遞墻的剪力。

6.2內(nèi)藏鋼板支撐鋼筋混凝土剪力墻，鋼板支撐預(yù)埋在鋼筋混凝土墻板內(nèi)，墻板周邊與框架梁柱留有一定的空隙（ 側(cè)面空隙25mm），僅通過鋼板支撐在節(jié)點處與框架相連。內(nèi)藏鋼板支撐雖然很?。?2-19mm），但外包混凝土墻體和螺旋箍筋能有效地約束鋼板支撐的屈曲，從而大大提高鋼板支撐抵抗反復(fù)荷載作用的能力， 改善了結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，成為一種延性很好的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。

7 結(jié)語

迄今，鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)歷了多次強烈地震的考驗，正如人們所預(yù)料的，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能遠比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)越。但是，由于設(shè)計特別是構(gòu)造上的不當(dāng)，也發(fā)生了一些破壞，構(gòu)件節(jié)點連接的破壞更是比較普遍。因此，節(jié)點是整個鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的重要環(huán)節(jié)。

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