浅析钢结构节点抗震设计的问题
【摘要】本文针对高层及多层钢结构节点设计中容易忽略的一些问题进行分析。
【关键词】钢结构；节点设计；抗震
1.节点抗震设计的原则
在钢结构设计工作中,连接节点的设计是一个重要环节。为使连接节点具有足够的强度和刚度,设计时应合理地确定连接节点的形式和方法。目前,节点有非抗震和抗震设计之分,非抗震设计可以按照组合内力来设计节点,抗震设计则不宜这么做,抗震规范上对节点抗震设计有一系列的要求,显然按照组合内力来设计节点是不能满足这些要求的。以刚性连接的梁拼接节点为例,如将梁翼缘的连接按实际内力进行设计,则有损于梁的连续性,可能使建筑物的实际情况与内力分析模型不相协调,并降低结构延性。因此,对于要求有抗震设计的结构,其连接节点应按构件截面面积的等强度条件进行设计。
进行设计时,首先应判定所设计的节点有无抗震要求。对于抗震结构,为了保证其安全,节点的承载力应大于构件的承载力(《钢结构连接节点设计手册》1-3)，“强节点、弱构件”的设计理念应是工程师遵循的基本原则。《建筑抗震设计规范》表5.4.2中规定结构构件的截面抗震验算应满足下式:s≤r/yre。其中,s为结构构件内力组合的设计值；r为构件承载力设计值；yre为承载力抗震调整系数。强节点、强连接的重要性由此可见。
钢框架体系梁柱连接节点的基本设计原则是:节点必须能够完全传递被连接板件的内力,在强震作用下节点能够发挥材料的塑性,保证结构在梁内而不是在柱内产生塑性铰,以消耗地震输入的能量。
基于制作简便及经济性等因素,国内钢框架体系的梁柱节点主要采用全焊式或栓焊式连接,其最大承载力应符合下列要求:
mu≥1.2mp(《建筑抗震设计规范》8.2.8-1),
vu≥1.3(2mp/l)且vu≥0.58hwtwfay(《建筑抗震设计规范》8.2.8-2)。
公式中mu，mp，vu的计算见图1。
mp=[bftf(h-tf)+twh2/4]fy,
mu=bftf(h-tf)fu。
图1 梁截面尺寸及应力图
vu=anfu/(有螺栓孔等削弱的杆件最大承载力)
vu=0.58nfnaf(高强螺栓的极限受剪承载力)取vu较小者,取v较小者,
式中:mu—基于极限强度最小值的节点连接最大受弯承载力,仅由翼缘的连接承担；
vu—基于极限强度最小值的节点连接最大受剪承载力,仅由腹板的连接承担；
mp—梁构件(梁贯通时为柱)的全塑性受弯承载力；
l—梁的净跨；
hw,tw—梁腹板的高度和厚度；
fay—钢材屈服强度；
fu—钢材抗拉强度最小值；
f—螺栓钢材的抗拉强度最小值；
an—扣除螺栓孔等以后的净截面面积；
a—螺栓螺纹处的有效截面面积；
nf,n—螺栓连接的剪切面数量和高强螺栓数量。
2.抗震验算在实际工程中的必要性及相应的改进措施
当进入大震时梁柱刚性连接位于塑性区,所以节点的内力不能按组合内力来计算,应改用以构件的承载力为依据来进行连接设计。但在工程中,不少人认为等强设计已经安全,抗震验算就往往被忽略了。以下以梁柱栓焊连接为例,分析节点设计中抗震验算的必要性及相应采用的构造措施。
其设计思路是焊缝传递梁端弯矩,螺栓传递剪力。如果梁截面为h500×250×12×25(材料采用q345；腹板与pl-10的连接板用2列5个10.9级m22螺栓双剪连接)。
2.1翼板验算
翼缘对接焊缝承担弯矩,按常规梁上下翼板与柱采用全熔透坡口对接焊缝连接(焊缝下设衬板),焊缝抗拉强度设计值按规范取与母材相同时,可以认为此对接焊缝与梁翼缘是等强的,不必进行强度计算。
2.2腹板螺栓群验算
腹板内力分配:按净截面等强原理设计。
其抗剪承载力:
v1=[tw(h-2tf)-n(d+2)]f=[12×(500-2×25)-5×(22+2)×12]180×10=712.8kn。
腹板螺栓承受的力:
n=v/n=712.8/5=142.6kn。
螺栓抗剪承载力:
n=0.9nfp=0.9×2×0.45×190=153.9kn。
nmu=1395.3,不满足。
2.4抗剪最大承载力验算
v=1.3(2m/l)=1.3×(2×1233.8/10)=320.8kn,
v=0.58htf=0.58×450×12×345×10=1080.5kn,
v=max(v,v)=1080.5kn。
梁腹板净截面的抗剪最大承载力:
v=af/=(500-2×25-5×24)×12×470/×10=1074.6kn。
腹板螺栓群的抗剪最大承载力:
v=0.58naf=0.58×2×5×303×1040×10=1827.7kn。
节点的最大抗剪承载力:
v=min(v,v)=1074.6kn,
v=1080.54>v=1074.6,不满足。
在实际工程已满足等强设计的节点对于抗震设防结构未必是安全的,其实在抗震设防中,等强设计只是做到节点与构件等强,并没
有体现“强节点、弱构件”的设计原则,在较大的地震作用下,就不能满足要求,出现节点破坏也是必然现象。对于上题中验算4),可以通过计算调整螺栓、连接板来满足抗震要求,而对于验算3),翼板已经满焊,但仍无法满足规范规定mu≥1.2mp。当大震时,梁柱将进入塑性区,其对接焊缝的轴向承载力不能满足截面承载力的要求。可以从以往大震后的实例中得到证明,其破坏处多出现在框架梁的下翼缘与柱的工地焊接连接部位。
对于这一点,同样还可由公式s≤r/γre中推得:梁翼缘的最大轴向力设计值可表示为nf1=0.75aff，翼缘连接焊缝应承受的轴向力设计值可表示为nf2=0.9aff(二者之比nf2/nf1=1.2)，这对于等截面工字梁而言,其翼缘与柱的坡口焊缝是不满足节点连接承载力应高于杆件截面承载力要求的。所以,在直接的满焊连接无法满足规范要求的前提下,只能通过抗震措施来加强。目前,主要采用将塑性铰自梁端外移来避免强震下梁柱连接处焊缝破坏的做法,其常用的方法有以下几种:
(1)梁端局部增大截面,如加盖板或局部加宽翼板等。它能以此增大焊缝的抗弯能力,但缺陷是塑性铰外移后,将会增加柱中的计算弯矩,为了满足强柱弱梁的要求,必然影响到需增大框架柱的截面。
(2)局部削弱梁截面,如犬骨式连接。其设计原则是将梁翼缘进行圆弧削弱,以使在罕遇地震下塑性铰出现在梁翼缘的削弱部位,并要求梁翼缘的削弱对梁的刚度和强度影响都很小。这是一种较好的抗震做法,其优点是塑性区长,有较好的转动能力,可以延性设计。但
