有关钢结构梁柱节点连接方法的分析和探讨

2022-09-11

钢结构在现代高层建筑中应用越来越多, 而大量的研究资料表明, 地震中梁柱节点等部位往往是最脆弱的部位, 节点处的破坏可能引起整个建筑的破坏。因此, 选择钢结构梁柱节点的连接方式就显得意义重大。本文笔者将简要探讨目前用得较多的三种钢结构梁柱节点的连接方法——全焊节点连接、高强度螺栓连接和栓焊混合连接。

1 全焊节点连接形式

1.1 全焊节点连接的特点

全焊节点连接是目前高层钢结构工程中应用较为广泛的一种梁柱节点连接方式。梁柱焊接节点的构造形式有多种, 梁一般为H形, 而柱有H形或箱形两种。全焊节点连接具有施工方便、节省钢材、整体刚度大的特点, 它在抗弯钢结构中扮演着举足轻重的角色。早期人们都以为梁柱焊接节点具有很好的韧性, 能通过塑性变形来吸收地震能量来保持结构的稳定, 因而具有良好的抗震性能。但后来的调查中发现, 许多地震中钢结构的脆性破坏多发生在梁柱焊接节点处, 经过强烈地震, 虽然出现了明显的塑性变形, 但在连接处也发生了焊缝开裂现象。为保证焊接钢结构不发生脆性破坏, 就要确保母材及接头各部位具有足够的断裂韧度值, 还要从设计上消除梁柱焊接节点处的应力集中。

1.2 全焊节点连接方式的选材

(1) 材料不仅要满足强度要求, 其冲击韧性的指标也应达到一定的要求。可通过夏比冲击试验来选材, 应满足有关结构标准所要求的冲击。

(2) 由于通常厚壁钢材焊接的缺陷多发生在母材板厚方向, 这与母材的Z向性能有很大关系。如果在钢材中含有硫、磷等有害杂质, 就会在轧制过程中形成片状硫化夹杂物等材质缺陷, 钢材受到板厚方向的力 (常为焊接收缩应力) 时就容易产生层状撕裂。因此, 一定要使母材的板厚达到规范要求的值。目前国际上有两种通行的改善厚钢板的z向性能与冶炼工艺的方法:一是通过特殊的冶炼工艺来剔除硫化物等有害杂质;另一种是提纯法, 通过降低钢材中硫、磷的含量来提高z方向性能。

(3) 焊缝金属应与母材强度相匹配:15Mnv钢应选用E55型焊条或相应的焊丝;16Mn钢用E50型焊条或相应的焊丝;Q235钢用E43型焊条或相应的焊丝。

1.3 全焊节点连接方式的设计

在设计过程中, 可适当的根据“强节点弱杆件”的原则来加强节点, 在不失稳的前提下, 适当削弱梁, 使在梁上出现“塑性铰”, 以避免增加结构的刚度和接头部位的应力集中。腹板上的工艺孔应平滑过渡, 在满足腹板连接强度条件下, 适当加大工艺孔, 不仅能有效避免应力集中, 同时还便于施焊, 有利于提高焊缝质量。

2 高强螺栓连接的梁柱节点

钢结构高强度螺栓连接是一种新型螺栓连接形式, 这种连接方式可简化制造和安装工艺, 对于结构承受动载十分有利, 这种连接方式的施工要求十分严格。因其连接的整体性和刚度较好, 目前在国外已得到普遍应用, 尤其是高层和超高层钢结构的连接节点均采用了高强度螺栓连接方式, 以及承受动载的结构设计中应用也较多。我国的一些桥梁和民用建筑也逐渐开始使用高强度螺栓连接。

2.1 高强螺栓连接的类型和受力特点

按照设计和受力要求的不同, 可将高强度螺栓分为承压型和摩擦型两种。在对摩擦型高强度螺栓连接进行抗剪设计时是以外剪力达到由螺栓预压力所能提供的最大摩擦力为极限的。所以设计过程中要保证摩擦力完全能承受整个使用期间外剪力, 螺栓杆和孔壁间始终保持原有空隙, 使板件间不会发生相对滑移变形。承压型高强度螺栓连接设计只考虑在正常使用荷载作用下剪力不超过最大摩擦力, 若剪力超过最大摩擦力时, 就靠螺栓杆身剪切和板件接触面间摩擦力共同传力。采用高强度螺栓连接, 螺栓受拉力主要靠板件间夹紧力的减少来承受, 在接触面之间的正压力产生很大摩擦力, 它能提供正常载荷下的拉力, 一旦外荷载超过此摩擦力, 连接板接触面就会产生滑移, 则认为连接失效。

2.2 高强度螺栓连接的选型

对于高强度螺栓连接的选型要考虑这些因素:荷载类型、结构受力特点以及连接部位等。由于摩擦型高强度螺栓的连接具有整体性和刚度好、变形小、耐疲劳、传力可靠等优点, 适用于高空安装连接、直接承受动力荷载结构的安装连接和构件的现场拼接。承压型高强度螺栓连接的设计承载力高于摩擦型, 节省螺栓用量, 但其动力性能差, 整体性和刚度稍差, 所以主要用于允许发生一定滑移变形的承受静力或间接动力荷载结构中。

2.3 承压型高强螺栓连接的设计

由于我国对于承压型高强度螺栓连接使用不多, 故设计参考资料较少。原规范中规定承压型的受剪承载力设计值不得大于摩擦型的1.3倍, 这是在缺乏使用经验的条件下做出的规定, 应慎重计算。同时规范规定结构的平均荷载分项系数约为1.3, 按此规定设计的承压型高强度螺栓在标准荷载值时不会产生滑移, 有利于保证结构的变形, 但使得承压型高强度螺栓的效能不能得到充分发挥, 而采用承压型高强度螺栓的前提是结构中允许发生一定滑移变形的连接, 这相当于对承载力进行了控制。因此上述规范规定是不合理的, 后来也予以取消了。

3 栓焊混合连接的梁柱节点

栓焊混合连接的梁柱节点连接形式, 是指梁腹板用普通或高强螺栓与柱翼缘连接, 而梁翼缘与柱翼缘完全采用坡口焊接的形式, 这种连接形式得到业内的专家和学者们一致认可, 目前在国内外应用较多。这种连接方式不但可保证节点属于刚性连接, 还能承受动力荷载, 节点承载能力在反复加载的情况下仍没有降低, 而且还能满足工程抗震所要求的延性。但最近有研究人员通过钢框架梁柱刚性节点破坏机理的试验研究表明, 由于用螺栓连接需要打孔, 这会削弱连接处梁、柱的强度, 而且这种连接方式的施工比较复杂。

4 结语

以上三种连接方式各有优劣, 不能笼统的说哪种连接更好。焊接方式在业领域应用广泛, 尤其是受到大型钢结构设计院的青睐, 对于焊接的同样大小的节点强度比高强螺栓要高得多。高强螺栓在民用高层建筑和一些轻工厂房使用较多, 尤其是在发达国家应用较广, 但高强螺栓价格太贵, 而且容易产生附加弯矩, 还存在孔前传力的问题。而栓焊结合的连接方式结合了两者的优缺点, 在国内正大范围使用, 是目前国内的发展趋势。

摘要：文章主要探讨了钢结构梁柱节点连接方法, 分别介绍了全焊节点连接、高强度螺栓连接和栓焊混合连接三种梁柱节点连接的特点和设计要点。

关键词：梁柱节点,全焊节点,高强度螺栓