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1、高层钢结构住宅节点设计总结河南亚鹰钢结构幕墙工程有限公司技术部总结前言高层钢结构住宅节点设计总结总述节点是结构最薄弱的环节之一 ,是确定结构计算模型的关键 ,节点是否合理不仅直接关系到建筑结构整体的可靠性 ,还对结构的施工质量、 工程进度以及整个工程的造价都有直接的影响。一般来说,高层钢结构住宅节点连接主要包括柱脚连接节点, 柱与柱连接节点,梁柱连接(简支, 刚接)节点, 支撑与梁柱连接节点, 梁梁(主梁与次梁, 次梁与连梁)连接节点,还包括其他拼接节点(剪力墙, 核心筒等).目录、框架柱选择分析 1、与方钢管混凝土柱、圆钢管混凝土柱有关的节点设计方钢管混凝土柱有关节点设计 41、梁柱连接节点
2、设计 52、柱柱连接节点设计123、支撑与梁柱连接节点设计134、梁梁连接节点设计365、其它拼接节点设计（剪力墙、核心筒等）376、柱脚连接节点设计441（一）、框架柱选择分析框架柱选择分析：目前高层建筑中采用的柱子截面型式大致有以下几种：1.普通钢筋混凝土柱；2.高强混凝土柱；3.配有螺旋箍筋的钢筋混凝土柱；4.增设芯柱的钢筋混凝土柱；5.钢筋混凝土分体柱；6.型钢混凝土柱；7.钢管混凝土柱。对于我们公司来说钢结构住宅框架柱可选用型钢混凝土柱和钢管混凝土柱型钢混凝土柱在钢筋混凝土柱内配置型钢(含钢率一般为 4%10%),使型钢骨架和钢筋混凝土形成整体,协同工作,共同受力,这就是型钢混凝土柱
3、(图 1)。型钢混凝土柱既具有钢筋混凝土结构的特点, 又具有钢结构的特点,其承载力高、刚度大,且具有良好的延性和抗震性能,同时防火性能也很好。图 1 型钢混凝土柱的截面形式型钢混凝土柱的轴压比可按下式计算:=N/(fcAc+faAa)高规还给出了型钢混凝土柱的轴压比限值见表 2:型钢混凝土柱轴压比限值 表 2 抗震等级 一级 二级 三级柱轴压比限值 0.70 0.80 0.90注: 1 框支柱的轴压比限值应比上表中数值减少 0.10 采用;2 剪跨比不大于 2 的柱,其轴压比限值应比上表中数值减少 0.05 采用;3 当混凝土强度等级大于 C60 时, 表中数值宜减少 0.05。2由于柱内配置
4、的型钢骨架参与受压,故型钢混凝土柱减小柱子截面尺寸效果十分明显。在相同外力作用下,可使柱截面面积减小 3040%(与钢筋混凝土柱相比)。此外,不但能提高轴心受力、小偏心受力柱的承载力,还能提高大偏心受力柱的承载力,对 5MP / VP 的耗能梁段,不需设置加劲肋。设计时应注意,加劲肋与梁腹板同高且在梁段内等距离布置。对于高度大于600mm 的梁,加劲肋在腹板两侧成对布置;当梁高小于600mm 时,可仅在一侧设置加劲肋。加劲肋必须采用角焊缝与梁相连,与梁腹板焊缝的强度须大于或等于加劲肋的竖向名义抗拉强度,与梁翼缘焊缝的强度须大于或等于加劲肋的竖向名义抗拉强度的25 %。2.2 耗能梁段的侧向支撑
5、耗能梁段的每一端必须设置侧向支撑以限制耗能梁段及其以外的梁段的侧向扭转,同时保证偏心支撑不偏离于框架平面。否则,一旦偏心支撑受压时,其端部将产生平面外弯矩,对梁产生一定的扭转作用,受扭的梁段耗能能力将降低。考虑到楼面并不能对梁上翼缘提供足够的侧向抗扭刚度,侧向支撑应在梁上下翼缘同时布置,并且要保证侧向支撑能够承担相当于梁翼缘名义强度( bf t f f y ) 6 %的设计荷载。2.3 耗能梁段与柱的拼接对于耗能梁段直接与柱相连的框架,AISC 提出了特殊的要求,认为只有剪切型梁段才能采用这种连接方式,节点拼接时,梁段翼缘必须采用深熔焊缝与柱相连且梁段腹板也必须与柱上的外伸节点板相焊接才能充分
6、传递梁上的剪力、轴力和弯矩,而不能采用栓接腹板的连接方式(见图3) ,因为栓接节点在循环剪力作用下,螺栓将产生相对的滑移,使梁翼缘与柱连接焊缝处产生局部高应变,最终导致翼缘与柱连接焊缝开裂。而弯曲型梁段由于梁端弯矩很大,普通的抗弯框架节点难以承受相应的塑性铰的转动,因此一般不宜采用耗能梁段与柱直接拼接。图 支撑框架节点细部18另外,耗能梁段尽量不要与柱的腹板拼接,这种连接形式并非十分可靠,并且不符合强柱弱梁要求。此种连接只适用于转角小于0.015rad 的耗能梁段。2.4 提高耗能梁段性能的其它方法(1) 梁段材料应尽可能选用低强度钢材(不超过Q345) ,因为低强度钢材的延性要比高强材料好得
7、多。(2) 不得通过加焊贴板以提高其强度,试验表明,焊在梁段上的贴板并不能充分发挥其作用且有违背剪切屈服的原则。梁段腹板也不得开洞,否则,将使梁段受力性能更加复杂。(3) 偏心支撑的轴线与耗能梁段轴线的交点不能置于耗能梁段外,以防梁段端部弯矩增大。2.5 耗能梁段外其他构件的能力设计偏心支撑中耗能梁段按结构保险丝的作用设计，满足规范规定的设计地震力要求。但耗能梁段的剪力将在偏心支撑及节点外梁段中产生较大的轴力和剪力，所以其他所有构件（耗能梁段外的梁、支撑、柱和节点）都必须按耗能梁段中实际或者期望的力设计，不能按规范规定的地震荷载所产生的力设计。能力设计要求计算耗能梁段的强度时，在钢材屈服强度的
8、基础上不仅要考虑应变硬化，还要考虑楼板的组合作用产生的超强。耗能梁段外的梁应能承受1.25 倍梁段名义强度引起的轴力、剪力和弯矩。另外,为防止节点外梁承受大的轴力,偏心支撑与梁的角度应不小于35。梁段与支撑的节点按支撑的名义强度设计。在多层轻钢框架中,为便于安装,可将节点设为铰接,但节点板上必须附加抗弯或双层焊接加强板(见图3) ,因为在日本一个6 层足尺偏心支撑框架中发现有类似节点的破坏。如采用刚性节点,一般是把支撑和梁直接焊接,但不能伸入到耗能梁段内。设计中应避免柱的非弹性性能,因为这种反应影响了重力结构体系的稳定性,对有支撑的框架跨中的柱,应保证有足够的强度承担重力作用及1.25倍耗能梁
9、段名义剪力引起的弯矩和轴力。三 偏心支撑的布置原则1. 从支撑的布置位置分析在钢框架支撑体系中, 框架的布置原则和柱网的尺寸基本上与钢框架结构体系相同, 对于高层钢结构住宅, 支撑大多在楼面中心部位服务区域周围布置, 且竖向支撑的布置在房屋纵向、横向等主轴方向均应基本对称, 支撑框架之间楼盖的长宽比不宜大于 3.以跨的钢框架支撑结构为例，来说明支撑的布置对结构抗侧刚度的影响：（框架支撑结构的用钢量及支撑的数量、规格均相同） 。19图 支撑布置形式各种支撑布置形式下的框架结构抗侧移刚度计算结果见表1 1) 支撑布置于第1 、3 、4 及第6 跨(图2a 、图2f) 。2) 支撑布置于第2第5 跨
10、,即为布置于框架的中间跨(图2d、图2e 、图2h 、图2k 、图2 l) 。3) 支撑布置于第1 、2 、5 、6 跨,即为布置于框架的边跨(图2b、图2e 、图2g) 。4) 每跨均有支撑,侧重于中间跨(图2i 、图2j)刚度计算的结果列于表2 。表不同支撑布置位置对应的刚度计算结果 20很明显,第4 种情况下的刚度最大,其次为第2种情况,第1 及第3 种情况的刚度相差不大,但要明显小于第2 种情况。设这4 种情况下的刚度分别为 k1 、 k2 、 k3 及 k4 , 则 : k2 = 1.24 k1 , k3 = k1 , k4 =1.31 k1。在支撑杆件总用钢量及规格均相同的情况下,
11、支撑集中布置于中间跨的框架的抗侧移刚度要明显好于将支撑布置在边跨及其他跨上。 （比如和的布置方式，假设将有支撑跨视为一个竖向悬臂杆，无支撑跨的抗侧刚度忽略不计，则显然结构只相当两个竖向悬臂杆的抗侧刚度的简单叠加，而结构却相当于一个倍截面高度的悬臂杆的抗侧移刚度。 ）2.从支撑的形式分析设单根支撑的长度为 l (即为每层每跨的对角线长度) ,则可按结构支撑的通长将框架划分为如下几类:1) 全部由通长为 l 的支撑组成(图2a 、图2c、图2d) 。2) 由通长为 l 和2 l 的支撑组成(图2f) 。3) 全部由通长为2 l 的支撑组成(图2b、图2e 、图2g、图2h) 。4) 由通长为 l
12、、2 l 和3 l 的支撑组成(图2k 、图2 l ) 。5) 由通长为2 l 和4 l 的支撑组成(图2i) 。6) 由通长为2 l 、4 l 和6 l 的支撑组成(图2j) 。刚度计算的结果列于表3 可以看出,随着支撑杆件通长的增加,结构的刚度也有一定程度的增加,尤其以第 5 、第 6 种情况最为突出。将图 2a 与图 2i 、图 2j 比较,可以得到 ki 、 kj 分别比 ka 高出 31 %和 34 % ,而用钢量两者相同。由分析得出下列结论1）尽量使支撑在长度方向上连续,或者说应尽量增大支撑的通长,即使更多的竖向杆件被支撑杆件联系成整体，发挥空间整体作用，这样才可以有效地增加结构的
13、刚度。如果改变支撑杆件的截面形式及规格,也会取得明显效果。（2）结构的高度越大，层数越多，支撑的设置对结构抗侧移刚度的影响越大。（3）支撑的布置宜上下连续，左右对称，且尽量保证每个节点受力的一致性。21四 支撑与梁柱的连接作为支撑构架主要是承受侧向水平力。支撑杆的截面通常采用：双槽钢或双槽钢组合截面、H 型截面和箱型截面；其端部与梁柱的连接，或与梁柱中间部位的连接，均应能充分的传递支撑杆件的内力，同时尚应留有一定的富余量；当按抗震设计或按塑性设计时，其连接节点的最大承载力，尚需满足规定要求。支撑端部与梁柱的连接，原则上应按支撑杆件截面等强度的条件来确定；即使杆件内力很小，也应按支撑杆件承载力设
14、计值的 1/2 来进行连接设计。在设计支撑端部与梁柱的连接时，应将支撑的内力（拉力或压力）分解为谁水平力和垂直力，把她们分别作用在梁的翼缘和柱的翼缘或腹板上，然后进行连接设计。对 H 形截面的支撑或端部为 H 形截面，而中间区段为箱形截面的支撑，为使作用于支撑翼缘的内力能顺畅地传给；梁和柱，应分别在梁柱与支撑翼缘连接处设置垂直加劲肋（或水平加劲隔板） 。另外，加劲肋（隔板）的尺寸，厚度及其连接应分别按支撑翼缘内力的垂直分力和水平分力来确定，同时应满足构造上的要求，并与梁柱的截面尺寸和梁柱的补强板相协调。采用双角钢或双槽钢组合截面的支撑，一般是通过节点板与梁柱连接。侧向刚度要求较高的结构或大型重
15、要结构，则应采用既能抗拉又具有良好抗压性能的H形截面或箱型截面的支撑，而且支撑与柱的连接是借助相同截面的悬伸支撑杆来实现，支撑杆件本身则采用拼接连接。（一） 中心支撑的构造要求1. 中心支撑的构造要求1.1 抗震设防时不超过 12 层的钢结构宜采用中心支撑。中心支撑的轴线应交汇与梁柱构件轴线的交点。确有困难时偏离中心不得超过支撑杆件宽度，并应计入由此产生的附加弯矩，1.2 中心支撑杆件的长细比及其板件的宽厚比不应大于下表的限值表 中心支撑杆件的长细比及其板件的宽厚比1.3 抗震设防的结构中，超过12层时，支撑宜采用H钢制作，两端与其框架可采22用刚接构造，梁柱与支撑连接处应设置加劲肋，8,9度采用焊接工字形截面时，其翼缘与腹板的连接宜采用全熔透连接焊缝，支撑与框架连接处宜做成圆弧。1.4 梁在其与V型支撑或人字形支撑相交处，宜设置侧向支撑。该支撑点与梁端支撑点间的侧向长细比，不应超过规定限值。1.5 按7度及以上抗震设防的结构，当支撑为填板连接的双肢组合构件时，填板间的长细比不应大于构件最大长细比的1/2，且不应大于40.1.6 在抗震设防的结构中，支撑节点的连接在多遇地震效应组合作用下应将人字形和V型中心支撑的斜杆内力乘以1.5的增大系数后进行弹性设计，并尚应按下式进行极限承载力验算。2 支撑斜杆在框架节点处的连接构造2.1
