鋼節(jié)點的抗震設(shè)計范文
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《四川建材雜志》2014年第四期
1鋼結(jié)構(gòu)中鋼節(jié)點的抗震設(shè)計
隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，高層和超高層中鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計和應(yīng)用越來越多，最近幾年由于自然災(zāi)害(如地震等)的頻繁發(fā)生，鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計問題日顯嚴(yán)重，在鋼結(jié)構(gòu)中，鋼節(jié)點的設(shè)計又是其重要環(huán)節(jié)。
1.1鋼節(jié)點的破壞機(jī)理在鋼結(jié)構(gòu)中，由于鋼節(jié)點處的受力比較集中，結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較復(fù)雜，其施工難度相對較大，容易造成鋼節(jié)點處形成應(yīng)力集中和強(qiáng)度不均勻的現(xiàn)象。另外，由于可能存在一定的構(gòu)造缺陷和施工過程中存在的一些問題(如焊縫施工缺陷:焊縫中存在氣孔、夾渣、咬邊或者焊縫燒穿、弧坑、未滿焊和構(gòu)造缺陷等)都將引起鋼節(jié)點處的連接破壞，最終影響鋼結(jié)構(gòu)的承載能力。經(jīng)過大量的實驗和研究表明，鋼結(jié)構(gòu)中節(jié)點的破壞主要是脆性破壞，其脆性破壞的裂縫從梁下翼緣與柱翼緣相交焊縫處，通過不同的擴(kuò)展途徑，形成了多種多樣的斷裂破壞形式。其主要的破壞形式有:加勁板的屈曲和開裂、加勁板焊縫中出現(xiàn)一定的裂縫、腹板的屈曲和裂縫、焊接部位拉脫、鉚接斷裂、螺栓連接的破壞等。
1.2鋼節(jié)點的設(shè)計原則鋼結(jié)構(gòu)中的節(jié)點連接對結(jié)構(gòu)受力有著重要影響。鋼節(jié)點的基本設(shè)計原則是節(jié)點應(yīng)該能夠完全傳遞被連接板件的彎矩和剪力，并且能夠充分的發(fā)揮鋼材的塑性性能，以保證鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點在地震作用下少發(fā)生甚至不發(fā)生脆性破壞并且要保證結(jié)構(gòu)在梁內(nèi)而不是在柱內(nèi)產(chǎn)生一定的塑性鉸，來消耗地震時所輸入的能量。在抗震設(shè)計中，根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震需求，為了保證結(jié)構(gòu)具有一定的安全性和遵循“強(qiáng)節(jié)點、弱構(gòu)件”的設(shè)計理念，鋼節(jié)點的承載能力應(yīng)大于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力。抗震設(shè)防的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)框架，從梁端或柱端算起的1/10跨長或2倍截面高度范圍內(nèi)，節(jié)點設(shè)計應(yīng)驗算下列內(nèi)容:①節(jié)點連接的最大承載力;②構(gòu)件塑性區(qū)的板件寬厚比;③受彎構(gòu)件塑性區(qū)側(cè)向支撐點間的距離。高層鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接，根據(jù)具體情況可采用焊接、高強(qiáng)螺栓連接或栓焊混合連接。根據(jù)受力情況節(jié)點的焊接連接可采用全熔透或部分熔透焊縫，遇下列情況中的一種時應(yīng)采用全熔透焊縫:①要求與母材等強(qiáng)的焊接連接;②框架節(jié)點塑性區(qū)段的焊接連接。高層鋼結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件的螺栓連接，應(yīng)采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓，以避免在使用荷載下發(fā)生滑移，增大節(jié)點的變形。
1.3防止鋼節(jié)點脆性破壞的措施1)從選材方面，應(yīng)注重選擇屈強(qiáng)比較低的材料，因為這樣的材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積比較大，說明其具有較大的消耗地震能量的能力。材料的選取不僅要滿足強(qiáng)度的要求還要滿足其韌性要求。2)從設(shè)計方面講，從強(qiáng)度角度進(jìn)行設(shè)計，使節(jié)點的強(qiáng)度比桿件的強(qiáng)度高，在避免增加結(jié)構(gòu)剛度和接頭部位應(yīng)力集中情況的前提下，適當(dāng)對節(jié)點進(jìn)行一定的加強(qiáng)，以滿足“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的原則，避免塑性鉸出現(xiàn)在柱中。避免發(fā)生失穩(wěn)破壞，減少結(jié)構(gòu)和焊接接頭處的應(yīng)力集中，在設(shè)計腹板上的工藝孔時應(yīng)盡量的圓滑。3)從施工和檢驗的過程中，要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定。例如:焊接前要將焊條按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行烘干，焊接部位的母材應(yīng)按要求的溫度在一定范圍進(jìn)行預(yù)熱。引弧板和墊板應(yīng)該按照規(guī)定的規(guī)格進(jìn)行加工制造，坡口尺寸要符合有關(guān)規(guī)定。盡量減少焊接過程中的缺陷，要對所有焊縫進(jìn)行檢查，凡不合格的焊縫，都要按相關(guān)要求進(jìn)行修補(bǔ)。4)從鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的拼接方面，在鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的拼接過程中，預(yù)制鋼構(gòu)件的連接增加了結(jié)構(gòu)整體的超靜定次數(shù)，從而增加了形成塑性鉸的數(shù)量，構(gòu)成多道抗震防線，不僅能夠提高結(jié)構(gòu)的抗震可靠度，更延長了結(jié)構(gòu)進(jìn)入倒塌的過程。即使是純框架結(jié)構(gòu)之類的樓房，也能大大提高其抗震能力。并且這種結(jié)構(gòu)也具有施工方便、工期短、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)面積小、節(jié)能環(huán)保、方便維修等優(yōu)點。5)降低節(jié)點的缺陷敏感程度，強(qiáng)度和延性是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的兩個最重要的指標(biāo)。從梁柱連接方面來說，現(xiàn)行的抗震設(shè)計規(guī)范基本上能有效的實現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計概念。但是，結(jié)構(gòu)鏈接的塑性變形能力還不是很可靠，不管是全焊式連接還是栓焊混合連接，其延性都不能很好的達(dá)到理想要求。為了能從根本上解決脆性破壞的問題，對延性的抗震設(shè)計概念，不僅要求抗彎鋼框架的設(shè)計應(yīng)能保證塑性鉸在且僅在梁上出現(xiàn)，而且還要求延性的可靠性，也就是要求采取有效的措施來降低節(jié)點的缺陷敏感程度。例如:將梁柱連接在構(gòu)造上使塑性鉸外移，可以通過局部加強(qiáng)節(jié)點部位和在離開柱面一定距離處將梁截面局部消弱。在鋼梁結(jié)構(gòu)中，塑性鉸長度約為梁高的一半，當(dāng)對節(jié)點進(jìn)行局部加強(qiáng)時，可使塑性鉸位置距加強(qiáng)部分邊緣處梁高的1/3。同時，節(jié)點的局部加強(qiáng)也可以將塑性鉸外移，但應(yīng)該注意的是不要出現(xiàn)弱柱，否則就違反了“強(qiáng)柱弱梁”的原則。
2結(jié)語
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在我國現(xiàn)代化建設(shè)中的地位日益突出，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。同時，由于鋼結(jié)構(gòu)是一種抗震性能良好的結(jié)構(gòu)形式，在我國的抗震建筑設(shè)計中表現(xiàn)出極其重要的作用。在鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，鋼節(jié)點的抗震設(shè)計是一個重要環(huán)節(jié)。本文基于鋼節(jié)點的破壞機(jī)理，分析了鋼節(jié)點的設(shè)計原則，提出幾種防止鋼節(jié)點脆性破壞的措施，對于高層建筑中抗震設(shè)計具有重要的意義。
作者：唐紅梅唐翠麗單位：黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院西安工業(yè)大學(xué)