如何做好鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計之節(jié)點設(shè)計

1、如何做好鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計節(jié)點設(shè)計節(jié)點設(shè)計節(jié)點的設(shè)計應(yīng)該遵循簡潔，可靠，便于施工的原則，并且要考慮當(dāng)前的施工水平。發(fā)達(dá)國家的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點多考慮盡量用高強(qiáng)度螺栓，少用焊接，因為他們的人工費用很高，工廠加工的機(jī)械化程度和精度較高。而目前我們還達(dá)不到這一點，還是安裝螺栓加焊接用得多。這是中國的特色。因此很多情況不能照搬國外。下面介紹的是筆者在工作中經(jīng)常遇到的節(jié)點問題，力求對新手有所啟發(fā)和幫助，偏重于構(gòu)造，具體計算，都有章可循，就不贅述了。7.1柱腳柱腳有多種形式，一般考慮與基礎(chǔ)嵌固比較合適，近幾年的實踐證明，插入式的柱腳是一種比較好的形式。無論是設(shè)計，還是施工，都很簡單。盡管有時材料會稍多一些，但如考慮加工及

2、安裝費用的節(jié)省，可能總的造價還低一些。另外還可以免去交叉施工時對地腳螺栓防護(hù)的煩惱。有一些參考圖集中，柱腳要求預(yù)先焊上抗剪栓釘，筆者認(rèn)為大可不必，除非是柱子受到極大的拉力。但柱腳下部加焊一塊底板是必要的，一是便于找平，二是可以增加嵌固的能力，二次澆灌層的厚度宜100mm，便于找平。按抗震規(guī)范的要求，凡是考慮抗震設(shè)防，柱腳插入深度應(yīng)是兩倍柱高。7.2操作平臺小尺寸的操作平臺(如長向尺寸5米)，應(yīng)按一個構(gòu)件整體考慮為好，在現(xiàn)場地面上將整個平臺焊好，然后再安裝到支乘構(gòu)件上，不必將平臺中的每一個小梁都考慮為一個構(gòu)件在高空進(jìn)行現(xiàn)場拼裝。7.3梁與梁的連接梁與梁的連接最常用到的是鉸接。一角一板幾乎是中國的

3、經(jīng)典連接方式，見圖10中的(a)，角鋼是在工廠焊在主梁上的，它除了起連接作用外，還有定位的作用。板是用安裝螺栓臨時固定在次梁上，在現(xiàn)場用三道焊縫將次梁連接于主梁上，因此，有兩條工廠焊縫，有三條工地焊縫，不可混淆。在次梁與主梁為斜交的情況，角鋼的一個肢要彎折，不如改成兩個板的連接，此時，位于主梁上的定位板還可以兼作加勁肋，如(b)所示。這個節(jié)點要注意，如果是用高強(qiáng)度螺栓連接，次梁與主梁腹板的間隙s不小于20mm即可，但是如果采用焊接，考慮施焊的可行，s則必須大于70mm，再加上螺栓的孔距80mm，因此梁要160mm以上才行。如果次梁不是太大的話，不如采用如(d)所示的節(jié)點，更為簡單。許多設(shè)計手冊

4、更喜歡如(c)所示的節(jié)點，理由是次梁傳來的剪力的作用點離腹板近，因此附加彎矩小一些，其實除非是主梁位于邊跨，如果是中間，再考慮有鋪板的情況，這一附加彎矩是很小的。如(d)所示的節(jié)點可以節(jié)省次梁材料，且加工，安裝都很方便。事實上，上面的連接都不是真正的鉸接，兩條垂直焊縫可以傳遞不小的彎矩，因此考慮次梁的剪力所產(chǎn)生的附加彎矩可能在大多數(shù)情況下沒有什么實際意義。工程中經(jīng)常遇到彎矩不大的懸臂梁，如休息平臺梁，習(xí)慣的做法是在兩個梁的上部加焊一條鋼板，這樣做鋪設(shè)平臺鋼板的時候，要切口，而且如果是上翼緣寬度較小小型槽鋼梁，鋼條的尺寸會很小，此時可以用(e)的做法，簡單省事。7.4梁與柱的連接梁與柱的連接通常

5、有剛性連接和半剛性連接，如圖11中(a)是剛性連接，(b)、(c)是半剛性連接，其中(b)是接近于鉸接的半剛性連接，(c)是接近于剛接的半剛性連接。有的書中稱(b)為柔性連接，其實所謂的半剛性連接(Semi-Rigid)就是指能抵抗彎矩的同時又產(chǎn)生不可忽視的節(jié)點相對轉(zhuǎn)角的連接節(jié)點，所以沒必要再增加一個柔性連接的稱呼。有不少資料和手冊將(b)稱之為鉸接，顯然是不妥當(dāng)?shù)模缥覀冊谏厦嬷v梁與梁的連接時所提到的：兩條垂直焊縫或兩排螺栓都可以傳遞不小的彎矩，因此不可能是鉸接節(jié)點。只有象(d)所表示的置于牛腿上的連接(類似吊車梁)才接近于鉸接。半剛性連接節(jié)點的研究是目前的一個熱門，尤其是在結(jié)構(gòu)抗震研究方

6、面，一些地震災(zāi)害的調(diào)查顯示，在抗震性能方面半剛性連接較比剛性連接有很多優(yōu)點。圖中梁腹板與柱的連接是用安裝螺栓，一些資料中是用高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接，兩種形式都是可以的。對于剛性連接，這次新規(guī)范規(guī)定的比較細(xì)致(見GB50017的7.4節(jié))這一節(jié)是老規(guī)范沒有的，基本上參考國外的居多。尤其是柱腹板節(jié)點域規(guī)定的比較嚴(yán)格，對于輕型鋼結(jié)構(gòu)，此處柱的腹板厚度往往不夠，需要局部加厚。7.5吊車梁帶有制動板吊車梁，以往制動板與吊車梁上翼緣的連接無論噸位大小和工作制的級別的等級如何，都采用高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接，而且螺栓的排列較密，現(xiàn)在正在使用的鋼吊車梁的標(biāo)準(zhǔn)圖集(00G514-)也是如此處理的。這實在是費工費料。本

7、次新規(guī)范有大的改動，在規(guī)范8.5.8條和此條的條文說明中都明確地指出，制動板與吊車梁上翼緣的連接可以采用普通螺栓和焊縫連接。小的吊車梁甚至可以只用單面焊縫連接。當(dāng)遇到抽柱子的情況，對于跨度的吊車梁，有時是剛度控制斷面，就得增加梁的高度，但支座處高度要保持一致，就要采用變斷面的吊車梁。這種吊車梁的端部通常有三種形式。如圖12所示的(a)、(b)、(c)。(a)是過去常用的一種處理方法，采用逐步變化高度，但下翼緣彎折處加工和焊接比較困難，容易開裂，現(xiàn)在已很少用。近來國內(nèi)外趨向采用突變式。(b)是日本人通常采用的形式。根據(jù)我國的實際經(jīng)驗和實驗研究3發(fā)現(xiàn)這種端部形式的抗疲勞性不太理想，在圓弧段容易出現(xiàn)

8、疲勞裂縫，圓弧的半徑愈小主拉應(yīng)力愈大，某煉鋼車間在用這種形式的吊車梁十余年后即出現(xiàn)疲勞裂縫，修復(fù)后繼續(xù)開裂，最后只好更換。(c)是我國和德國常用的直角變化端部構(gòu)造，端部的下翼緣板切口插入腹板后焊接，梁下部加封頭板。這種節(jié)點施工方便，受力性能比較好。顯而易見，變截面的凹角處是應(yīng)力集中的地方，試驗研究也證明了應(yīng)力高峰部位就是插入板附近的腹板。該區(qū)域的應(yīng)力分布非常復(fù)雜，如用普通材料力學(xué)的方法計算出該處腹板下端點a點的主拉應(yīng)力，再與用有限元法計算的該點和附近的主拉應(yīng)力結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中系數(shù)與變截面的幾何參數(shù)有關(guān)，其應(yīng)力集中系數(shù)K=1.374.6，如果按附表1的幾何參數(shù)進(jìn)行設(shè)計的話，K=1.372

9、.32，平均為1.74，簡單起見，可以取K=2。因此可以用普通材料力學(xué)的方法計算出a點的主拉應(yīng)力，再乘以2就可以得到突變點的實際主拉應(yīng)力的近似值。試驗的結(jié)果表明該種節(jié)點有如下的特點：1.凡是h/a2的支座都沒有發(fā)生過破壞。2.裂紋的起點都在端封板與插入板相連的角焊縫上，然后裂縫沿插入板擴(kuò)展，到插入板端點后再向上450擴(kuò)展。3.在凹角處加焊構(gòu)造角鋼(見圖12中c)，對降低突變點附近的應(yīng)力峰值有較大效果。其他一些關(guān)于吊車梁節(jié)點的合適的建議：吊車梁橫向加勁肋與上翼緣還是以焊接為好;橫向加勁肋與下翼緣的距離宜100為好(規(guī)范是50100)。7.6關(guān)于焊縫目前還有一些資料，要求吊車梁下翼緣的對接融透焊縫

10、采用斜焊縫，其目的是想通過延長焊縫的長度來保證焊縫能承受母體所承受拉力。其實對于對接的融透焊縫，只要達(dá)到了二級焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，則可以認(rèn)為該焊縫與母體金屬等強(qiáng)，因此一塊鋼板在對接時，采用斜焊縫就沒有任何意義了。也沒有必要要求對接焊縫非要避開梁的中部受力大的區(qū)域。還有一個是關(guān)于十字焊縫的問題，不知從何時開始，板的對接焊縫不能采用十字焊縫的觀點就被認(rèn)為是絕對正確的觀點，以至于一直流傳至今還被不少設(shè)計人員認(rèn)同。其實在上一本規(guī)范(GBJ17-88)中，已經(jīng)規(guī)定了對接焊縫可以用十字焊縫，但是用的小字注解。這次新規(guī)范還是用小字的注解(見GB50017中8.2.2條的注)，似乎還是有些底氣不足。事實上焊縫的殘余應(yīng)力總是最后一道起作用，因此如果先焊了一條縱向焊縫，再焊橫向焊縫，在交叉點處，縱向焊縫的殘余應(yīng)力受后焊的橫向焊縫的熱影響，已經(jīng)釋放了大部分，只可能稍許增加一些而已，不存在兩者迭加的問題。相反，如果將一條十字焊縫改變?yōu)閮蓷l丁字焊縫，殘余應(yīng)力較大的區(qū)域卻增加