高层钢结构住宅节点设计总结.doc
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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 4 1、梁柱连
2、接节点设计 5 2、柱柱连接节点设计12 3、支撑与梁柱连接节点设计13 4、梁梁连接节点设计36 5、其它拼接节点设计(剪力墙、核心筒等)37 6、柱脚连接节点设计44(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
3、型钢混凝土柱(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:m=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0.700.800.90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。由于柱内配置的型钢骨架参与受压,故型钢混凝土
4、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2的短柱抗剪也很有效。房屋高度大、柱距大、柱中轴力很大时,以及抗震等级为特一级的钢筋混凝土柱, 宜采用型钢混凝土柱。目前型钢混凝土柱较多用在高层建筑的下层部位柱、转换层以下的框支柱,也有的工程全部采用型钢混凝土梁、柱,如上海的金茂大厦、环球金融中心、北京的财福中心、冠城园A楼、陕西的信息大厦、深圳的八一大厦、海口金融大厦等。型钢混凝土柱节点核心区构造复杂, 框架梁纵向受力钢筋必须穿过型钢骨架腹板,故对型钢骨架的制作
5、、安装要求较高, 施工也较为麻烦。钢管混凝土柱在钢管柱内浇灌混凝土,使钢管和管内混凝土形成整体,协同工作,共同受力,这就是钢管混凝土柱(图2)。钢管混凝土柱可使钢管内的混凝土处于有效侧向约束下,形成三向应力状态,因而能大大提高柱的抗压承载力,同时抗剪强度和抗扭承载力也几乎提高一倍。研究还表明: 钢管内的混凝土受压破坏为延性破坏,即具有良好的延性和抗震性能。同时钢管混凝土柱刚度大、截面小,其防火性能也比钢结构要好。图2钢管混凝土柱的截面形式钢管混凝土减小柱子截面尺寸效果十分明显:如钢管内采用高强混凝土浇筑,可以使柱截面减小至原截面面积的50%以上。钢管混凝土柱的钢管外径不宜小于100mm,壁厚不
6、宜小于4mm, 径厚比一般可取70左右,套箍指标q宜控制在0.33.0之间。钢管混凝土柱用在高度大、柱中轴力很大的高层建筑的下层部位柱效果较好。抗震等级为特一级的钢筋混凝土柱, 宜采用钢管混凝土柱。近年来, 整个结构采用钢管混凝土的高层建筑也相继出现,深圳的地王大厦、赛格广场、广州的新中国大厦、香港的长江中心等都是大家所熟知的工程实例。钢管混凝土柱的缺点是梁柱节点构造复杂,某些钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的节点构造还较难满足8设防的抗震性能要求,有待进一步完善和改进。对钢管的制作、安装施工要求较高。通过对比对于我们公司来说能形成产业化的应该最多大的投入与钢管混凝土柱的设计。钢管混凝土按截面形式的
7、不同,可分为方钢管混凝土、圆钢管混凝土和多边形钢管混凝土。几十年来,国内外对于方钢管混凝土、圆钢管混凝土结构的力学性能等方面进行了大量的研究积累了系统的理论分析和丰富的实验数据,可以说取得了丰硕的成果,颁布了有关设计规范,并在工程实际中得到了广泛应用。所以我们可以在采用方钢管混凝土柱、圆钢管混凝土柱的前提下进行优化选择使用。下面详细分析阐述与方钢管混凝土柱、圆钢管混凝土柱有关的节点设计。(二)、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柱有关节点设计根据受力性能分析 ,方钢管混凝土与圆钢管混凝土相比 ,钢管对其内部混凝土的约束作用相对较弱 ,但是它具有节点形式简单 、便于施工、能有效
8、提高构件延性等优点。为了使方钢管混凝土结构得到推广和应用 ,国内外学者对方钢管混凝土结构进行了大量的试验研究 ,主要集中于对方钢管混凝土柱的性能和设计方法的研究 ,但对方钢管混凝土柱节点的研究相对较少。为此,将对目前国内外所研究的方钢管混凝土柱的节点形式及设计方法进行介绍。1、梁柱连接节点设计按照节点的施工工艺,对于30层以上的高层住宅主要运用梁柱节点刚性连接。(1)梁与柱刚性连接的构造形式有三种,如图所示梁与柱的连接节点计算时,主要验算以下内容: 梁与柱连接的承载力 柱腹板的局部抗压承载力和柱翼缘板的刚度 梁柱节点域的抗剪承载力 (2)在三种梁柱刚性连接节点中最常用的连接形式有全焊接节点、栓
9、焊混合节点。阐述如下梁柱刚性连接节点梁柱全焊接刚性连接节点梁翼缘与柱焊接连接,腹板与柱用高强螺栓连接的栓焊刚性连接节点图c图a图b带柱外悬臂梁段时,柱外悬臂梁与中间梁段的连接按照节点的构造做法,对于30层以上的高层住宅主要分为内隔板节点(内加强板式)、隔墙贯通节点(贯穿加强板式)、外隔板节点(外加强板式)等。2. 1 内隔板节点2. 1. 1 节点构造内隔板式节点是目前在箱形截面柱与 H 型钢梁连接中应用较普遍的一种连接形式 。当柱采用冷成型方矩形钢管截面时 ,其内隔板的一般加工方法是 : 将钢管柱在节点中部截断 ,将横隔板焊接在与 H 型钢梁翼缘对应的位置 ,再将钢管柱用全熔透对接焊缝焊接在
10、一起 ,其构造形式如图1所示 。日本还有一种生产工艺可以在钢板冷弯成钢管的过程中在梁翼缘对应的位置焊接内隔板 ,形成内藏隔 板柱构件产品。梁腹板与柱壁间可以通过焊于柱壁上的角钢等连接件用螺栓连接 ,也可以直接焊接 。图1 内隔板节点构造示意图2. 1. 2 相关研究及结论我国规范规定内隔板应与梁翼缘等厚 ; 而日本规定采用后加内隔板加工方法时 ,内隔板要比翼缘厚2mm,主要是为了不使隔板定位误差影响梁断弯矩的传递。同时,对于空钢管柱,为了防止隔板受压屈曲,文献规定方矩形钢管(内部无混凝土)的隔板宽厚比:,其中,t s为隔板厚度, fy为内隔板屈服强度标准值。2. 1. 3 优点与缺点内隔板节点
11、的优点是 : 传力简洁 、明确 ; 构造简单 ; 节点刚度大 ,可简化为理想刚接。但对于一般规格的冷成型或热轧方矩形钢管 ,要在已经成形的钢管内部设置隔板 ,加工很繁琐 ,节点区域焊缝较多,加劲板以及梁翼缘在钢管冷弯角硬化区的焊缝容易诱发裂缝 。同时 ,钢管内灌筑混凝土时需要在隔板上设灌注孔和排气孔。2. 2 隔板贯通节点2. 2. 1 节点构造采用贯通隔板的连接构造方式时 ,传递梁翼缘内力的隔板穿过整个钢管柱截面 ,柱身分段与隔板焊接 ,梁翼缘通过全熔透焊缝与隔板连接 ,梁腹板通过螺栓连接于柱上的连接件或直接焊接在柱壁上 ,其构造如图 2 所示 。日本的相关规范建议当钢管壁厚小于2 8 mm
12、 时隔板挑出长度 e =25 mm ,钢管壁厚大于 28 mm 时挑出长度 e = 30mm; 同时要求隔板比梁翼缘厚 2 mm。图2 隔板贯穿式节点构造示意图柱贯通式连接是我国 现行抗震规范柱贯通式连接是我国现行抗震规范和高层钢结构规范推荐的连接方式 , 而隔板贯通式连接只在矩形钢管混凝土技术规程中有设计规定。在日本 ,经过对阪神地震震害数十年研究之后 ,这类节点仍作为钢管柱梁节点的首选形式。2. 2. 2 相关研究及结论武汉大学对 5 个隔板贯通式节点进行低周反复荷载试 验 。试件的柱 子采用 200 mm 200mm 6 mm 和 200 mm 200 mm 8 mm 冷成型方钢管 。试
13、件在梁端两侧设侧板 ,见图 3。试验表明 ,侧板不仅可以缓解隔板与梁相交处应力集中现象 ,而且可以使塑性铰外移 ,提高节点延性 ; 梁端力 - 位移滞回曲线没有明显的捏缩现象 ,表现出较好的耗能能力 。有限元分析表明轴压比和隔板外伸长度对节点性能有明显影响 。图 3 梁端设侧板的隔板贯通式节点 同济大学对 8个焊接、 热轧钢管隔板贯通式节点进行了滞回试验 ,讨论了隔板外挑长度的要求 ,认为隔板外挑长度不宜太短 ,以免隔板与柱壁、梁翼缘的焊缝热影响区互相影响。天津大学对 3个隔板贯通式十字形梁柱节点足尺试件 (其中 , 2个试件的柱子灌筑混凝土 ,另一个为空钢管作为对比 )进行拟静力试验 9 ,
14、钢管柱为 250 mm 250 mm 8 mm冷成型方管。试验表明:所有试件的延性、 耗能能力均满足抗震设计要求;隔板与梁翼缘连接部位采用半径 25mm的圆弧过渡 ,试验过程中该部位未发现破坏。2 . 2 . 3 优点与缺点这类节点刚度较大 ,可认为是理想刚接;便于实现上下柱壁厚和外包尺寸的变化。但当结构倾覆力矩较大时可能会使一侧柱子受拉 ,此时柱与隔板间的焊缝将处于三向受拉应力状态;钢管内灌筑混凝土时也需要设灌注孔和排气孔。杭萧横隔板贯通式梁柱连接节点2 . 3 外隔板节点2 . 3 . 1 节点构造一种外隔板节点构造示意图见图 4。梁翼缘与水平外隔板采用现场全熔透坡口焊缝连接 ,也有采用盖
15、板螺栓连接的形式,梁腹板与预设的连接件采用高强度螺栓现场连接。图 4 外隔板节点构造示意图2 . 3 . 2 相关研究与结论为了使梁翼缘与外隔板间过渡平缓 ,防止应力集中 ,文献 2 规定30 ;同时 ,为了防止外环板受压局部屈曲 ,限制外环板根部的宽厚比: ,符号意义参见 1 . 1 . 2和图 4。2 . 3 . 3 优点与缺点外隔板式节点对钢管内混凝土浇筑没有影响 ,节点可以简化为刚接 ,但外隔板的存在会影响建筑设计 (边柱、 角柱外隔板会突出墙面 )。赛博思外套筒式梁柱节点技术2 . 3 .4 外套筒式梁柱节点 外套筒式是一种新型钢管混凝土柱一H型钢梁的连接节点形式,它的抗震延性好,能
16、满足设计要求,易于满足住宅建筑的某些要求,且结构布置灵活,可用于多层或小高层住宅建筑中。 钢管混凝土柱的管壁较薄,不宜直接焊接H型钢梁,可选用一节钢套筒来加强和保护柱在节点区不被先拉坏,并通过套筒来承载和传力。钢套筒和钢管柱要有可靠连接,除在套筒上下边采用角焊缝外,还要在中间加一些塞焊点,然后将H型钢梁与套筒进行常规的栓焊混合连接。为了加强梁根部的受力能力,还应在梁上下翼缘加盖板,或部分削弱梁翼缘形成“狗骨式”以减少梁根部的应力集中。为了保证节点的强度,套筒的壁厚t建议取Max(1.2tc,1.2tf),其中tc,tf分别为钢管壁厚和梁翼缘厚,套筒的高度h建议取hb+10t,其中hb为梁截面高
17、度。套筒两端加工成内倒角与柱壁形成V形坡口焊接,梁翼缘附近的塞焊孔也是必要的。 套筒式节点2、柱柱连接节点设计“框架柱同一水平面拼接接头的数量不得超过柱子总数的50%;拼接接头之间至少应错开500mm以上。等截面柱的拼接有这样的柱与柱连接图例,除去运输方便外,尚应考虑工地焊接的方便,节点在空中焊接的位置最好在联系梁上方1.3米左右,因为在这个位置安装人员焊接对接操作比较方便,正好是安装人员焊接比较舒适的位置.下图是等截面H柱对接的图例.变截面柱的拼接 柱需要变截面时,一般采用柱截面高度不变,仅改变翼缘厚度的方法。若需要改变柱截面高度时,柱的变截面段应由工厂完成,并尽量避开梁柱连接节点。对边柱可
18、采用有偏心的做法,不影响挂外墙板,但应考虑上下柱偏心产生的附加弯矩,对中柱可采用无偏心的做法。柱的变截面处均应设置水平加劲肋或横隔板。有偏心拼接无偏心拼接不论等截面还是变截面柱与柱均可采用外加套管式连接。3、支撑与梁柱连接节点设计 钢框架支撑结构在多高层钢结构建筑中是一种非常常用的结构形式,钢框架支撑结构是在钢框架结构的基础上,通过在部分框架柱之间布置支撑来提高结构承载力及侧向刚度,支撑框架体系的主要优点是把水平力转化为轴向力, 然后由斜撑来承担,提高了材料的利用效率。该体系具有良好的抗震性能和较大的抗侧刚度支撑体系与框架体系共同作用形成双重抗侧力结构体系,这不但为结构在正常受力情况下提供了一
19、定的刚度,而且为结构在水平地震作用及较大风荷载作用下,提供了两道受力防线,形成了人们较理想的破坏机制。 然而,不同的支撑布置方式会产生不同的效果,这包括支撑的类型及设计原理,支撑杆件所选择的截面形式,支撑布置的位置及与梁柱的连接构造。一. 支撑的类型 1. 中心支撑的形式及优缺点: 中心支撑构件的两端均位于梁柱节点处,或一端位于梁柱节点处,一端与其他支撑杆件相交。 中心支撑包括:单斜杆支撑,交叉支撑,人字形支撑,字形支撑,字形支撑,跨层交叉支撑,带拉链杆支撑。 中心支撑的优点是支撑杆件的轴线与梁柱节点的轴线相汇交于一点,支撑体系刚度较大,保证了正常使用极限状态要求,在常遇地震作用下能有效防止非
20、结构构件的破坏。 中心支撑的缺点是中心支撑存在受压时的屈曲问题,尤其在往复的水平地震作用下,支撑构件反复受压屈曲后刚度和承载力急剧下降,由此造成结构的延性较差。而且设计不当的框架-中心支撑结构在罕遇地震中易遭到破坏。地震中当某一层钢支撑出现刚度、强度退化后,很容易在该层形成软弱层,甚至会引起整体结构的倒塌。施工有困难时偏离中心的距离不应超过支撑、杆件的宽度, 并应计入由此产生的附加弯矩, 在水平地震荷载作用下, 中心支撑容易产生屈曲, 在地震区应慎重。 中心支撑体系一般用于非地震区或地抗震设防等级较低的地区(震区高度不超过12层的建筑中),以及主要有风荷载控制侧移的多高层建筑物。 2. 偏心支
21、撑的形式及优缺点 偏心支撑杆件的轴线与梁柱的轴线不是相交于一点,而是偏离了一段距离,形成一个先于支撑构件屈服的“耗能梁段”。偏心支撑钢框架通过耗能梁段的弯曲和剪切将支撑中的轴力传递给柱或另一根支撑,耗能梁段以稳定的工作性能来担当结构中的“保险丝”,耗散地震能量. 偏心支撑包括人字形偏心支撑,字形偏心支撑,八字形偏心支撑,单斜杆偏心支撑等。 其中D 支撑框架通常用于跨度较小的部位(比如楼梯间) ,但为了保证整体结构的对称反应,此类支撑应成对布置;对于跨度较大的结构,通常采用另外两种形式。特别是分K支撑框架,因其支撑本身的对称性,且耗能梁段不直接与柱相连,从而避免了全弯矩框架的问题,因此具有一定的
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