龔鵬

摘要：鋼結(jié)構(gòu)為建筑工程的設計提供了便利的施工條件。為了促進建筑鋼結(jié)構(gòu)更好地發(fā)展，應該以建筑整體發(fā)展與社會關(guān)注度為發(fā)展起點，探討創(chuàng)造出以鋼結(jié)構(gòu)選型、鋼結(jié)構(gòu)布置、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點為核心的建筑整體功能與鋼結(jié)構(gòu)之間的新型關(guān)系。文章通過分析建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的主要分類，探討了我國建筑鋼結(jié)構(gòu)設計所需要關(guān)注的重點。

關(guān)鍵詞：高層建筑；建筑鋼結(jié)構(gòu)；節(jié)點分類；鋼結(jié)構(gòu)設計；建筑工程 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU391 文章編號：1009-2374（2015）35-0022-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.011

隨著我國鋼材產(chǎn)量的連年增加，鋼結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)的使用也日趨廣泛，因為鋼材具有延性好、輕質(zhì)高強和安裝方便等特點，建筑鋼結(jié)構(gòu)日益受到人們的青睞。雖然鋼材有較好的延性性能，但材料的延性并不能保證結(jié)構(gòu)的延性，鋼結(jié)構(gòu)良好的塑性變形能力還需要強大的節(jié)點來保證。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)總體概述

所謂建筑鋼結(jié)構(gòu)簡單來說就是一種利用先進的加工工藝及技術(shù)水平制作而成的建筑結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)具有其他建筑結(jié)構(gòu)不可比擬的優(yōu)勢，例如，鋼結(jié)構(gòu)的強度較高、穩(wěn)定程度好、成本較為低廉。目前，在我國為了充分發(fā)揮建筑物的功能、提高建筑物的整體質(zhì)量，經(jīng)常會選用鋼結(jié)構(gòu)作為建筑的主體結(jié)構(gòu)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當前在我國建筑設計領域中，鋼結(jié)構(gòu)所占的比例是逐年上升的，由此可知，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展成為提高建筑物質(zhì)量的重要結(jié)構(gòu)形式。因此，在實際建筑結(jié)構(gòu)設計中，要合理選用鋼結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)，同時要以穩(wěn)定性、生態(tài)性、成本低廉的角度對鋼結(jié)構(gòu)進行選型、布置以及設置鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點分類

2.1 剛性連接節(jié)點

只有在連接的節(jié)點處保證結(jié)構(gòu)的完全連續(xù)性，才符合建筑結(jié)構(gòu)的力學特征。在這種情況下，節(jié)點連接的各個構(gòu)件所形成的角度不會在其最大承載力范圍內(nèi)產(chǎn)生變化。另外，剛性連接節(jié)點的強度大小應該超過被連接的構(gòu)件所產(chǎn)生的屈服強度大小。

2.1.1 梁的拼接。梁的拼接一般分為螺栓連接和焊接，螺栓連接雖其剛度比焊接較小，但是螺栓連接的制作卻非常簡便，能保證質(zhì)量，常現(xiàn)場進行拼接，焊接剛度相對較大，適用于工廠拼接。梁的連接在工地常采用螺栓連接，螺栓施工較方便，但連接或拼接全部采用螺栓，會使接頭尺寸過大，板材消耗較多，且螺栓價格也較高，此外，螺栓連接不能避免在罕遇地震作用時滑移。

2.1.2 邊柱與梁的連接。屬于剛性連接的還包括邊柱與梁的連接，通常情況下，都會采用端板連接的方式作為邊柱與梁連接的主要方式。所謂端板連接簡單來說就是一種通過兩個建筑構(gòu)件之間的端板進行節(jié)點連接的方式。在歐美等國家和地區(qū)，端板連接主要應用于低層和高層框架結(jié)構(gòu)中，具有連接性能好、質(zhì)量容易控制、焊接質(zhì)量高、抗震性能好、無需現(xiàn)場焊接、安裝施工簡單等優(yōu)點。

2.1.3 中柱與梁的連接。一般情況下，柱中節(jié)點的剛性連接包括：采用焊縫連接的方式焊接柱和梁端；采用焊縫連接的形式焊接柱和梁翼緣；螺栓連接柱和梁腹板；選擇T形連接件螺栓連接的形式連接柱和梁端。而箱形焊接組合柱和鋼梁的連接形式包含：梁端與柱的連接全部選擇焊縫連接；梁翼緣與柱的連接選擇焊縫連接，梁腹板通過摩擦型高強度螺栓與鋼板相連，鋼板的另一端應焊在柱翼緣上。

2.1.4 柱與柱的連接。在施工中，柱子和柱子之間的連接可根據(jù)柱截面的變化程度劃分為變截面柱拼接和等截面柱拼接。一般柱和柱之間等截面焊接拼接，實際上是和梁的拼接相一致的。

2.2 半剛性連接節(jié)點

半剛性連接節(jié)點應該保障節(jié)點的承載能力不能低于其所連接的建筑構(gòu)件的承載能力。但是半剛性連接節(jié)點在實際設計中一般不予運用，主要是因為半剛性連接節(jié)點選用的連接方式與建筑構(gòu)造設計之間的關(guān)系導致建筑構(gòu)件的彈性剛度要大于連接節(jié)點的彈性剛度。

2.3 鉸接連接節(jié)點

一般情況下，鉸接連接節(jié)點是不可以用在連接建筑構(gòu)件的，主要是因為其不能夠承受彎矩。而通過實際工程分析發(fā)現(xiàn)，鉸接連接節(jié)點一般都用于建筑構(gòu)件端部的連接，舉例來說，連接柱腳、桁架、梁體的端部。不過，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鉸接連接節(jié)點的方式不是實現(xiàn)完全鉸接。

2.3.1 主梁與次梁的連接。在我國建筑施工過程中，處理主梁與次梁的連接采用比較多的方式是選擇簡支連接，但是如建筑要求較高亦可選擇剛性連接。這種連接方式雖較為復雜，但其對次梁不需進行翼緣處理，因而這種連接方式也比較受建筑師們的青睞。

2.3.2 斜梁的拼接節(jié)點?？缍容^大的斜梁設計，為了便于施工運輸常把斜梁分段設計，再在施工現(xiàn)場進行現(xiàn)場拼接。

2.3.3 桁架節(jié)點。板節(jié)點主要采用板節(jié)點連接，其節(jié)點連接處理簡單網(wǎng)架結(jié)構(gòu)節(jié)點。網(wǎng)架屬空間桁架形式，是施工較為常見的空間結(jié)構(gòu)，其受力性能較好，多應用于民用建筑中。

2.3.4 柱腳節(jié)點。柱腳在鋼結(jié)構(gòu)設計時要加強重視。實際工程中，因柱腳不穩(wěn)定造成工程事故的案例不勝枚舉。對于民用建筑，剛架所受的側(cè)向力較小，常采用鉸接形式。平板式鉸接因其受力合理、連接方便而成為鉸接的常用形式。帶有加勁肋的柱腳，都可用于荷載很大的情況。鋼管混凝土柱腳鋼管混凝土柱腳連接分為插入式和端承式，但插入式柱腳連接為剛性連接。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)設計要點

3.1 判斷建筑物采用鋼結(jié)構(gòu)的適用性

鋼結(jié)構(gòu)并不是可以適用在任何建筑工程中的。因此，在設計建筑工程結(jié)構(gòu)之前，要結(jié)合建筑工程的實際情況以及建筑工程周遭的環(huán)境進行合理的判別，以防止由于鋼結(jié)構(gòu)不適用于建筑中而導致后期建筑設計方案與實際工程施工不符，從而增加了施工的成本，降低了施工單位的經(jīng)濟效益。通過實際研究發(fā)現(xiàn)，在比較大型的廠房車間、抗震要求較高的建筑中適用鋼結(jié)構(gòu)是合理的。

3.2 剛結(jié)構(gòu)的選型、布置

目前，可將鋼結(jié)構(gòu)的建筑劃分為六大類型，即塔桅、桁架、索膜、框架、網(wǎng)殼以及輕鋼。在對這六種結(jié)構(gòu)進行選擇的時候，要依據(jù)建筑工程的實際施工條件進行確定。舉例來說，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般適用于高度比較高且其荷載較大的建筑物。巨型SRC柱與鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)一般適用于抗震條件要求較為嚴格的建筑物。在進行鋼結(jié)構(gòu)設計時，要充分結(jié)合當?shù)氐奶鞖鉅顩r，如果是冬天，要充分考慮到下雪天雪壓對建筑物的荷載，保障建筑的屋頂荷載與重力墜落曲線的相關(guān)規(guī)范標準相符合。如果建筑工程的跨度相對較大，在進行鋼結(jié)構(gòu)設計的時候，要充分考慮設置建筑物的拉索或者是設置建筑物的支撐物，以防止出現(xiàn)建筑物坍塌事件。除此之外，在進行鋼結(jié)構(gòu)選型時都要考慮到建筑鋼結(jié)構(gòu)受力路線的清晰性，同時要保證其受力分布狀況是均勻的。

3.3 考慮鋼結(jié)構(gòu)的變形限值

一般情況下，如果抗側(cè)力結(jié)構(gòu)選用的是鋼桁架制作組合而成的純鋼結(jié)構(gòu)，需要遵循以下原則：第一，如果是在地震環(huán)境下，要保證其頂點位移在1/300，而其層間位移要保證在1/250；第二，如果是在風力作用的環(huán)境下，要保證其頂點位移在1/500，而其層間位移要保證在1/400。通過實際研究發(fā)展，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)選用鋼桁架制作組合而成的純鋼結(jié)構(gòu)會大大提高剛性指標，進而增加工程成本。

3.4 結(jié)構(gòu)體系選擇

當建筑層數(shù)小于六層時，可以選擇框架體系或者框架-支撐體系；當建筑層數(shù)大于六層時，可以選擇框架-混凝土剪力墻支撐體系或者是框架支撐體系。通常情況下，建筑物層數(shù)較高的時候，都會選用雙重結(jié)構(gòu)體系。目前，組成框架柱的主要有三種，即鋼骨砼柱、H型鋼柱、鋼骨砼柱和鋼管砼柱，鋼骨砼柱和鋼管砼柱是組合型的框架柱，而這種組合柱一般都適用于規(guī)模相對較小的多層、高層建筑中，以通過減少材料的使用而獲取更多的經(jīng)濟利益。在發(fā)生地震時，延性低的話，地震力大，反之地震力小，由于剪力墻的延性比鋼支撐要低，因此就抗震性能而言，鋼支撐結(jié)構(gòu)更好一點。而對于鋼支撐-砼剪力墻結(jié)構(gòu)而言，由于對其的抗震性能研究還不夠成熟，所以其抗震能力還不能夠確定。在實際應用的過程中，應當對建筑的特點進行分析，通過不斷實驗和篩選，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系。

3.5 控制鋼結(jié)構(gòu)界面

在選擇完鋼結(jié)構(gòu)的類型及體系之后，要簡單估算建筑物的構(gòu)件截面。其估算與假定的主要是建筑物的梁體、柱體以及其支撐的尺寸大小以及形狀。在選擇鋼結(jié)構(gòu)的梁時，可以選擇利用焊接方式、軋制方式或者是槽鋼方式制作而成的H型鋼結(jié)構(gòu)截面。在對建筑物的構(gòu)件截面進行估算時主要考慮以下方面：估算翼緣的寬度大??；估算并設置鋼結(jié)構(gòu)梁體、柱體以及支撐面的尺寸大小和形狀；根據(jù)實際工程條件合理選擇鋼梁；合理確定建筑物構(gòu)件截面的高度；合理估算建筑物板件的厚度。

3.6 設計鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件

在對鋼結(jié)構(gòu)進行設計時，其中最為核心的要素就是構(gòu)件的設計。在設計構(gòu)件時主要考慮以下三個方面：第一，構(gòu)件材料的選擇。其選擇是存在難度的，為了保障構(gòu)件的質(zhì)量，在建筑工程正式施工前要科學合理地創(chuàng)建出囊括采購材料、工程施工以及后期管理的監(jiān)督制度，以此保證建筑構(gòu)件的材料符合設計要求，也符合國家規(guī)定的標準；第二，施工質(zhì)量與施工技術(shù)水平。為了保障施工的質(zhì)量符合設計方案的要求，施工單位需要盡可能任用經(jīng)驗豐富、技術(shù)水平較高的人員進行工程施工，從而防止由于技術(shù)原因而導致的建筑物質(zhì)量問題；第三，控制鋼結(jié)構(gòu)的焊接與變形情況。如果鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)較為特殊、板材較厚并且其屈服強度超過了420兆帕斯卡，為了保障鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，應該依據(jù)不同的接頭形式，合理設置焊接的參數(shù)以及坡口的尺寸大小，同時要嚴格檢驗、測試接頭焊接試件。為了防止因為焊接熱量過高而導致的鋼結(jié)構(gòu)變形，在焊接鋼結(jié)構(gòu)的時候盡可能采用CO2氣體保護焊。利用埋弧自動焊技術(shù)焊接工型或者是箱型的桿件，可以有效地提高工作效率，降低勞動強度。如果因焊接熱量過高而導致鋼結(jié)構(gòu)變形，需要對其進行矯正。矯正的主要方式就是熱和機械相互作用的方式。

3.7 設計鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點

由上文所述我們知道，在設計鋼結(jié)構(gòu)時最為關(guān)鍵的因素就是節(jié)點的設計。當前，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點可劃分為三大類，即上文提到的剛性連接節(jié)點、半剛性連接節(jié)點以及鉸接連接節(jié)點。在選擇節(jié)點時要依據(jù)工程實際情況進行選擇。在對節(jié)點進行設計時需要關(guān)注以下方面：第一，在焊接時要嚴格遵守規(guī)定，即焊縫的尺寸大小與形式都要符合國家標準；第二，在選擇焊條時，要考慮到其與金屬等材料的匹配性；第三，高強螺栓通常情況下作為樓層較高的建筑結(jié)構(gòu)的連接傳力螺栓，在對高強螺栓進行連接前要全面驗算其孔壁的承載力；第四，嚴格遵循施工順序進行施工。

3.8 編制設計圖紙

設計圖紙的編制主要包括設計圖的編制以及施工圖的編制。設計圖是編制施工圖的基礎。制造鋼結(jié)構(gòu)的廠商會依據(jù)設計圖制造出符合設計標準的施工圖。一般情況下，施工圖都是較為詳細的。

4 結(jié)語

目前，鋼結(jié)構(gòu)在我國建筑行業(yè)的廣泛應用推動了我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)成為了我國甚至是世界住宅建筑發(fā)展的主要趨向。主要是因為鋼結(jié)構(gòu)有著其他結(jié)構(gòu)不可比擬的優(yōu)勢，包括其強度較高、防震效果好、施工效率高以及便于回收等。文章主要分析了建筑鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點分類，同時討論了建筑鋼結(jié)構(gòu)設計的要點，以供參考。

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（責任編輯：周 瓊）