钢结构节点设计.ppt
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1、2023/3/12,1,内容,1、多高层房屋钢结构节点连接设计中 的常见问题。2、多高层房屋钢结构设计施工图的平 面表示法,2023/3/12,2,节点连接在结构设计中的重要性:在以往国外多次地震中,常常发生钢框架节点和竖向支撑节点破坏的事例,特别是 1994 年发生在美国的北岭地震 和 2019 年发生在日本的阪神地震,有数十幢房屋钢结构倒塌,数百幢多、高层房屋钢结构的梁柱刚性连接节点受到严重破坏,引起了世人的极大关注,促使一些国家的学者、科技人员加强了这方面的研究。,2023/3/12,3,我国是世界上遭受地震最严重的国家之一,不论是历史上还是现代,地震在中国的死亡人数和经济损失在世界上都
2、是居于首位。世界地震史上死亡人数最多的一次地震是1156年我国的陕西华县 8 级地震,死83万人(摘自魏琏编著的建筑结构抗震设计万国学术出版社,1991)。在世界近代地震史中,死亡人数最多的一次.地震也发生在我国,即1976年河北唐山7.8级地震,死 24 万余人。地震在我国造成的经济损失十分巨大,据建国以来十几次 7 级以上地震的不完全统计房屋倒塌一亿多平方米,直接经济损失达数百亿之多。,2023/3/12,4,就以最近几年为例,在我国新疆、西藏、云南、内蒙古自治区、江西等地先后就发生了多起 6 级左右的地震,特别是最近 5 月 12 日在四川的汶川还发生了 7.8 级的特大地震,灾情非常严
3、重。这就说明了地震活动在我国不但相当频繁而且给我国造成的危害和损失也非常巨大。因此正确地认识我国地震活动的特点以及我国经济力量的现状,充分运用国内、国外现代地震科学技术的成就,采用合理的,既安全又经济的抗震设计方法,来改善建筑物的抗震性能,减轻城乡地震灾害,是我们每个结构设计人员义不容辞的使命。,2023/3/12,5,多高层房屋钢结构节点连接设计常见问题主要内容包括,一 梁柱刚性连接节点设计中的常见问题 二 框架梁栓焊拼接的常见问题 三 框架梁全栓拼接的常见问题 四 次梁与主梁简支栓接的常见问题 五 中心支撑拼(连)接设计中的常见问题,2023/3/12,6,一 首先谈谈在目前多高层房屋钢结
4、构梁柱刚性连接节点设计中所存在的问题及其正确的设计方法 要点:在现行的高钢规和抗震规中,由于在梁柱刚性连接和中心支撑连接的抗震设计规定,多处存在有较大缺陷,致使在一般条件下,按照现行规程规范设计出来的节点,多数情况下存在并不抗震的情况,特此作专题讨论.,2023/3/12,7,按照现行的建筑抗震设计规范GB 50011 2019多层和高层房屋钢结构的连接节点的抗震设计应分两个阶段进行,如下所示.,2023/3/12,8,即一是,当遭遇多遇地震作用(小震)时的弹性阶段,应采用表达式 即抗震规范公式(5.4.2)(见下页)。注意:该条在规范中为必须严格执行的强制性条文.,2023/3/12,9,2
5、023/3/12,10,式中:S 考虑多遇地震作用时,荷载效应和地震作 用效应在结构构件中的组合设计值,包括 组合的弯矩、轴向和剪力设计值。R 结构构件承载力设计值。结构构件承载力的抗震调整系数(对于框架梁、柱取0.75;连接焊缝取 0.9;连 接螺栓、节点板件取 0.85;支撑取 0.8 等),2023/3/12,11,二是,当遭遇超过多遇地震(小震)作用至基本烈度(中震)设防,或遭遇罕遇地震作用(大震)时,规范还要求用公式 即 抗震规 公式(8.1.8)进行连接的极限承载力验算(如下所示),2023/3/12,12,2023/3/12,13,但是,在执行上述规范时,不同的设计人员,很可能在
6、相同设计条件下设计出三种承载力相差非常悬殊的连接作法,这三种不同的作法是:一是,当按设计表达式 计算时,完全按组合内力来设计节点连接。二是,组合内力只是作为检验构件截面的依据。但在塑性区的节点连接设计时,是取高于构件的最大承载力设计值作为节点的作用力来对节点连接进行设计与验算。三是,完全抛开以上两种设计方法,而是完全按照公式 来进行连接的极限承载力计算。,2023/3/12,14,以上三种截然不同的设计方法,将直接影响到设计的节点是否满足“强节点弱杆杆”的抗震要求。是否能实现“小震不坏,中震可修,大震不倒”设计目标的根本问题,所以下面将着重讨论证明前面所提到的第一种理念正确,但存在有较大缺陷,
7、第三种设计理念虽然可取,但式中的有关系数和强度取值有问题,很不安全。唯第二种设计计算方法才是比较稳妥的。,2023/3/12,15,1.1 第一种设计方法(即按组合内力来设计的方法),采用该法的理论根据是,按照规范的下述规定,即:一般是按梁的应力强度比 R1(,见下页,即梁的地震组合弯矩设计值乘以梁的承载力抗震调整 系数 后,在梁截面中产生的弯曲应力与梁的钢材强度设计值之比)来进行设计。且认为可按以下三种不同情况分别进行处理。为了方便说明问题,在此引用一个具体数字来说明这一方法的思路。,2023/3/12,16,以下是电算结果的表示方法,摘自高层建筑 结构空间有限元分析与设计软件 SATWE,
8、2023/3/12,17,假定梁端有一个 的地震组合弯矩,并将表达式 变换为。在验算梁截面时,要求梁截面抗弯承载力设计值必须,但在确定梁端的焊缝连接时,其焊缝截面的抗弯承载力设计值就必须要。即在相同组合弯矩作用下,经过规范采用不同的调整系数调整后,就变成了在设计焊缝连接与设计梁截面时,分别采用不同的内力设计值来进行设计。即在设计连接焊缝时所取的内力设计值,就应是梁截面内力设计值的 倍。,2023/3/12,18,1)如果所设计的梁截面刚好等于(即应力强度比 R1 刚好等于 时),由于梁端连接焊缝的抗弯承载力设计值需要 此时梁端整个截面即使采用全熔透的对接焊缝,也只能承受 的弯矩。怎么办?可采用
9、加强式连接来解决(如加盖板;或局部加宽梁端翼缘板,或在梁端下翼缘加腋板等办法来增大焊缝的抗弯模量)。,2023/3/12,19,2)如果在梁端不采用加强的作法,而是在工厂采用全焊缝连接的常规作法。由于焊缝的抗弯承载力最多只能作到与梁截面的抗弯承载等强,此时就必须要改用一个能承受 的梁截面,但此时由于梁截面只需用 的弯矩值来设计,梁的承载力有富裕不能充分利用,其应力强度比 R1 只用到了。,2023/3/12,20,3)如果在梁端仍不采用加强的作法,而是在梁端采用栓焊连接的另一种常规作法(即梁腹板与柱之间采用只传递剪力的螺栓连接,梁翼缘与柱之间采用只传递弯矩的全熔透坡口对接焊)由于焊缝的抗弯承载
10、力最多只能作到梁截面抗弯承载力设计值的,此时就必须要改用一个能承受 的梁截面,但此时由于梁截面只需用 的弯矩值来设计,梁的承载力更加富裕而不能充分利用,其应力强度比 R1 只用到了。,2023/3/12,21,总 结 连接设计的第一种方法,从上面的具体算例可以看出,如果在抗震的节点连接设计中,按地震组合内力来进行设计,就必然出现下面归纳的三种情况:,2023/3/12,22,1)当梁的应力强度比大于 0.83 时,就应开始在梁端采取加强措施来增大焊缝的抗弯承载力当梁的应力强度比大到等于 1.0 时,其加强后的焊缝抗弯承载力设计值就应不小于梁截面抗弯承载力设计值的 1.2 倍。(该 1.2 即为
11、焊缝的抗震调整系数 与梁的抗震调整系数之比)。如下图所示:,2023/3/12,23,即当应力强度比 R1 为 0.83时,2023/3/12,24,2)当梁的应力强度比 R1 小于 0.83 时,在梁端就可以不必加强,而只需采用全焊接连接(即截面的抗弯等强连接)就可满足使焊缝的抗弯承载力设计值大于组合内力设计值的 1.2 倍的要求。如下图所示:,2023/3/12,25,即当应力强度比 R1 为 0.830.73 时,2023/3/12,26,3)当梁的应力强度比小于时,在梁端还可以采用栓焊连接的作法(即梁腹板与柱之间采用只传递剪力的螺栓连接,梁翼缘与柱之间采用只传递弯矩的全熔透坡口对接焊)
12、同样也能使栓焊连接的承载力大于组合内力设计值 1.2 倍的要求。如下图所示:,2023/3/12,27,即当应力强度比 R1 0.83 0.85=0.70 时,2023/3/12,28,按照以上的思维方法来设计抗震连接节点是不是就可以了呢?如果单从多遇地震作用效应来进行以上的设计,是可行的,但从抗震设计的原理和当地震烈度高于多遇地震时来看,是不行的。因为,我们的设计目标不仅仅是只满足小震不坏的强度要求,而更重要的是要实现中震可修、大震不倒的设计目标。如按组合内力来设计连接节点,只能说,其连接只能抗小震而不能抗大震。这是因为:,2023/3/12,29,多遇地震的烈度要比基本烈度低 1.55 度
13、。其地面加速度和地震影响系数最大值 只是设防烈度地面加速度和地震影响系数最大值的 0.35 倍。当地震烈度高于多遇地震进入设防烈度的过程中,凡是应力比较低(即截面较大)的抗侧力构件,由于仍处于弹性阶段,其构件内力仍将继续随地震作用的加大而加大,梁的弯曲应力比 R1 必然也将随之增大到 1.0。,2023/3/12,30,同样,也需要把前面的第二、第三两种节点连接形式(或下页的第二、第三图)的梁端截面局部加大,使连接焊缝的抗弯承载力设计值达到不小于框架梁抗弯承载力设计值的 1.2 倍,才能确保框架梁在大震时进入塑性,使延性得到充分发挥。否则,只加大截面而不加强连接,当地震作用不断加大时,则连接焊
14、缝的弯曲应力必然高于梁端截面的弯曲应力,必然很容易发生当梁端截面还未进入塑性之前,处于梁端薄弱的连接焊缝,就会因弯曲应力过高而发生“脆性破坏”。现再利用下图来形象的加以说明。,2023/3/12,31,.,2023/3/12,32,1.2 第二种设计方法(即按构件的承载力来设计的方法),从前面的论述和结合上图足以说明:在多遇地震阶段,按设计表达式 对构件和节点连接进行设计验算时,结构构件的地震内力组合设计值只能作为控制构件截面的依据。当结构构件截面决定之后,只要是在塑性区段,就应改用以构件的承载力来进行连接设计。对于框架结构中的梁柱刚性连接节点,就应使梁端焊缝的抗弯承载力设计值不得小于框架梁抗
15、弯承载力设计值的 1.2 倍。,2023/3/12,33,即 其实这就是取“组合内力设计法”中的应力强度比刚好处等于 1.0 这种特定下的结果(这是因为,如前所述,凡是应力比较低(即截面较大)的抗侧力构件,由于仍处于弹性阶段,其构件内力仍将继续随地震作用的加大而加大,梁的弯曲应力比 R1 必然也将随之增大到 1.0 的必然结果。)从而,这就必须要采用“加强型”节点的作法,才能满足这一计算要求。,2023/3/12,34,从理论上讲,在梁柱的连接节点中,要是连接焊缝真正做到了与被连接构件的等强连接而又无瑕疵和缺陷的话,是不需要采取任何加强措施的。但事实上由于在梁端的焊缝连接处存在诸多不利因素,如
16、焊接工艺孔对梁腹板截面的削弱;对接焊缝不可避免的存在某些缺陷(如焊接产生的气孔、夹渣、熔敷金属未完全熔合、弧坑、咬边、焊后收缩产生的微裂缝);热影响区产生的残余应力的不利因素;以及还应考虑到当梁截面在形成塑性铰时,由于有的钢材屈服强度偏高而加大连接受力的不利因素等等。,2023/3/12,35,所以在规范的强制性条文中分别将焊缝的 取 0.9 将梁的 取 0.75。使焊缝连接的承载力应不小于构件承载力设计值的 1.2 倍。这正体现了强连接弱杆件的抗震设计原则。确保当框架梁的端部出现塑性铰时,梁端的连接基本还处于弹性状态;确保框架梁在经受从小震到大震的全过程中节点不致发生破坏,使结构的整体性自始
17、至终得到保证。这一设计理念与目前美国自1994 年北岭地震以后在设计思想方面所发生的变化和采用的设计方法是相同的。无疑上述第二种设计方法才是比较稳妥的。,2023/3/12,36,1.3 第三种设计方法(极限承载力设计法)即用公式 进行连接计算的方法 采用该法的理论根据,就是充分利用焊缝的极限抗拉强度远高于钢材的屈服强度的这一特性。当框架梁在强震作用下,梁端钢材屈服出现塑性铰后,只要梁端连接焊缝的极限抗弯承载力能够抵抗梁截面塑性弯矩的 1.2 倍,即可认为满足强震要求。从概念上来讲,这种思维方法好像有些道理,但这里面要涉及两个问题。一是,其计算假定是否与实际应力图形相符,二是,计算公式 中 所
18、隐含的 的取值是否符合实际。,2023/3/12,37,为了检验用 公式是否能抗大震的问题,特取高钢规中、最具有代表性的梁柱栓焊连接节点(见下页)来加以讨论。,2023/3/12,38,2023/3/12,39,由于图 8.3.3(a)这种节点的计算假定是:梁腹板连接只考虑传递剪力,不考虑传递弯矩。梁的全截面塑性弯矩全部通过翼缘的连接来传递给柱。这种作法,不但不能用于抗震结构,就是用于非抗震结构也是很不合适的。因为:,2023/3/12,40,其一,就凭直觉,在这种节点中,梁端翼缘未作任何加强,梁腹板与柱的连接螺栓只考虑传递剪力、不考虑传递弯矩。则其梁端栓焊连接处翼缘焊缝的抗弯能力则只有梁截面
19、弹性抗弯能力的 85%左右(即梁翼缘截面的弹性抵抗矩与全截面弹性抵抗矩之比)。如果再将因高空施焊条件较差、焊缝存在缺陷以及焊接残余应力等不利因素考虑在内,按钢结构设计规范规定,焊缝强度的设计值尚应乘以 0.9 的折减系数,则焊缝的抗弯承载力只有框架横梁抗弯承载能力的 75%左右。,2023/3/12,41,很显然,像这种比等强连接还低,连非抗震结构就很难被人接受的连接节点,却用在本比非抗震结构要求更高的抗震结构上,这就违背了在抗震设计中必须遵循的强柱弱梁、强节点弱杆件的基本原则。,2023/3/12,42,其二,从理论上讲,其节点连接的计算公式 与节点的具体作法,在梁腹板中所产生的应力图形严重
20、不符。如下图所示:,2023/3/12,43,2023/3/12,44,其三 即使采用这一与实际弯曲应力图形严重不符的公式,就以这种不合理的计算模型来进行计算,其梁端翼缘与柱的对接焊缝的极限抗弯承载力也大大低于梁截面 1.2 倍的塑性弯矩。这也就有力的证明了这种连接节点的作法是毫无抗震能力的。以下面的验算为证:,2023/3/12,45,如以 Q345 钢,E50 焊条为例 将梁翼缘坡口焊缝的 换算成 来进行比较,由于(式中按规程规定 取最小值)。由上式常用截面翼缘的 只有全截面 的70%80%如考虑高空焊接的不利影响后则:,2023/3/12,46,事实上,式中的 是波动的(如下表所示)不应
21、采用最小值,2023/3/12,47,所以应符合下述规范中的有关规定高钢规的有关规定,抗震规的有关规定,2023/3/12,48,按最不利考虑,应采用 来计算梁翼缘坡口焊缝的极限抗弯承载力,则:如考虑高空焊接的不利影响后则:,2023/3/12,49,但在高钢规中对于这样的弱节点不但没有作出应加强连接方面的有关规定和作法。相反却作了“在柱贯通型连接中,当梁翼缘用全熔透焊缝与柱连接并采用引弧板时,式 将自行满足”的规定。事实上经过前面的论证,这个结论是不成立的,起到了误导的作用。这种节点一旦在工程中使用(事实上这种节点已在实际工程中用了不少),这就埋下了在大震时,当框架梁尚未进入塑性之前,其连接
22、焊缝就会过早发生脆性破坏的隐患。,2023/3/12,50,也正是这种弱节点在 1994 年的美国北岭地震和 2019 年的日本阪神地震中破坏最为严重,且破坏时毫无塑性发展的迹象。其根本原因就是因为连接焊缝的抗力严重不足、焊缝所受的弯曲应力过高而造成的脆性破坏。(下图为 1994 年,美国北岭地震中梁柱焊接连接处的失败模式。),2023/3/12,51,2023/3/12,52,由此也可将不抗震的栓焊节点引伸到“钢梁与箱形柱”在工厂的全焊接节点上,由于箱形柱的壁板不能有效的传递梁腹板上的弯矩,其实质与“钢梁与工形柱”在工地采用栓焊连接作法的受力情况基本上是差不多的。因此“钢梁与箱形柱”在工厂的
23、全焊接节点,也应采用梁端加强式的作法,才有利于抗大震。如下图所示:,2023/3/12,53,当采用如右图所示的加强式连接后,其塑性铰必然外移,梁腹板上的弯矩,可通过图中所示的力线传递给梁的翼缘加强板。从而就可实现梁端腹板与柱的连接只考虑传递剪力、不考虑传递弯矩的假定。,2023/3/12,54,梁端上、下翼缘用盖板加强后试验的破坏模式,2023/3/12,55,梁端上翼缘加盖板下翼缘加腋后试验的破坏模式,2023/3/12,56,总结前面的讲述,在此特为以下常用的三类节点作法,在抗震性能方面作一个评价:,2023/3/12,57,2023/3/12,58,对比国外在这方面的设计动向,自美国北
24、岭地震以后,在 A.R.Tamboll,P.E.Fasce,Handbook of Structural Steel Construction Design and Details 设计手册中规定:不管是采用加强式连接还是犬骨式连接,在塑性铰处的弯矩值均一律取。为防止焊缝破坏和避免柱翼缘板层状撕裂,在柱面连接处其梁端弯矩在连接中的受力要保持弹性。其柱面在梁翼缘方向的弯矩,即(式中),或在梁端所产生的弯曲应力应满足公式 的要求。,2023/3/12,59,将我国(仅指第一阶段)与美国设计手册的 计算公式进行比较:我国,根据连接的承载力设计值应是框架梁抗弯承载力设计值 1.2 倍的关系:或 也可表
25、达为:或由于焊缝的 大于梁截面的,塑性铰必然外移,其表达式必然为:美国为:取第一项比较:美国/我国,2023/3/12,60,为确保梁端塑性铰的形成需采取的构造措施,在这方面,目前很多国家仍在不断的研究改进,且其主攻方向可归纳为:1)提高焊接工艺,提高焊缝质量;2)采用加强式连接;3)采用削弱式连接;4)有时可能三者并用。这些都是我们值得吸取的有益经验。由此至少可以得到以下启示:,2023/3/12,61,根据我国抗震规范在多遇地震阶段节点设计中有关规定,为了满足连接的抗弯承载力设计值应是框架梁抗弯承载力设计值 1.2 倍的要求,前面已经谈到必需采用塑性铰外移的梁端增强式连接(可采用加盖板,加
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