高层建筑钢结构节点的设计原理分析

高层建筑钢结构节点的设计原理分析

程伟光

沈阳远大铝业工程有限公司，辽宁沈阳110027

摘要：随着城市化进程的不断加快，我国的高层建筑也在不断的增加，钢结构也广泛的应用在高层建筑中，钢结构的应用也在一定程度上加快了建筑业的发展。在高层建筑中，钢结构具有其他结构无法替代的优越性，相应地，对钢结构也就提出了更高的要求，要保证钢结构的质量，需要不断提高钢结构的节点设计，从理论和实践上不断完善，以更好的保证高层建筑的质量，促进我国建筑业的发展。本文对高层建筑钢结构节点的设计原理分析进行了探讨。

关键词：高层建筑；钢结构；节点设计；原理分析；应用

1高层建筑钢结构的节点设计原理

1.1高层建筑钢结构的节点连接方式

一般说来，高层建筑钢结构的节点连接方式有三种：焊接连接、高强度螺栓连接、栓焊混合连接。焊接连接，这种连接方式的优点是传力和延展性好，操作简便，缺点是残余应力强，抗震力弱。对于焊接连接这种方式来说，使用最广泛的是全熔透的焊缝技术，该焊接技术针对塑性区域和高强度区域的连接效果比较好；高强度螺栓连接，这种连接方式施工简便，且震动强烈时易出现滑移的情况；栓焊混合连接，该连接方式在高层建筑物翼缘和腹板部分使用最为广泛，其施工简便，成本较低，具有一定的优越性，但是，在使用栓焊混合连接时要注意温度的影响。

1.2高层建筑钢结构节点的设计要求

（1）刚性连接节点。建筑力学要求建筑钢结构的节点设计保持连续性，只有符合这个要求，钢结构节点连接处的各个构件形成的角度才会实现最大承载力且不易发生变化，而且，在此基础上连接而成的钢结构的强度大小远远超过被连接构件所形成的强度和大小。钢结构的连接方式主要有两种，焊缝连接和螺栓连接，与焊接连接相比，螺栓连接工序简单，能在一定程度上保证钢结构的质量。柱和柱之间的连接也是钢结构节点设计应该注意的一个问题，在施工时，柱和柱之间的连接可以按照截面的变化分成等截面拼接和变截面拼接两种，而等截面焊接拼接与梁的拼接方法基本一致。

（2）半刚性连接节点。半刚性连接节点的设计要求其承载力不得低于建筑物的承载力，而且半刚性连接节点的连接方式与高层建筑物设计不一致会使得建筑结构的弹性强度超过钢结构连接节点的弹性刚度，因此，不使用半刚性连接节点。

（3）铰接连接节点。高层建筑中，钢结构主梁和次梁铰接连接节点设计应用比较广泛，与混凝土结构相比，钢结构主梁和次梁铰接连接节点更接近实际，且节点受力简单，主梁和次梁之间采用腹板摩擦性高强螺栓实现铰接连接，如图。螺栓的抗剪承载力是考虑最广泛的因素，门式刚架因内力较小，柱脚可采用铰接连接，为了工程材料运输的方便，一般会将大跨梁分段设计，运输到施工现场后再进行拼接。

2高层建筑钢结构的节点设计应用

2.1点的设计

梁与柱节点的连接可以采用铰接、刚性连接或者半刚性连接的形式，铰接连接可以使得柱身只承受梁端的竖向剪力，梁与柱之间的夹角可以自由变化，因此节点的转动不受约束；刚性连接中，柱身在承受梁端竖向剪力的同时，还需要承受其传递的弯矩，在节点转动时，梁与柱之间的夹角保持固定；半刚性连接柱身承受梁端传递的竖向剪力，以及一部分弯矩，梁与柱轴线之间的夹角在节点转动时，会产生一定的变化，不过也受到相应的约束。

（1）梁与柱节点的连接与极限承载力要求

钢框架一般采用柱贯通型，较少采用梁贯通型。抗震设计时，钢框架和钢支撑框架的梁柱连接应为刚接。工程中常用的方法有两种：①梁与柱直接连接；②在柱上焊接悬臂短梁，梁与悬臂短梁拼接。后一种连接方法对构件制作要求较高。梁柱连接的极限受弯承载力，由翼缘全熔焊缝提供，应不小于梁的全塑性受弯承载力的1.2倍；极限受剪承载力，由腹板连接提供，应不小于梁跨中作用集中荷载时梁端达全塑性受弯承载力对应的梁端剪切力的1．3倍，且不小于梁腹板的屈服受剪承载力。系数1.2和1.3是考虑梁钢材的实际屈服强度可能高于标准值。

（2）对梁与柱连接节点中的抗震设计。连接节点的抗震设计具有一定的要求，包括全熔透的焊缝技术，加强柱与梁翼缘连接处的加劲肋的设置，还有对腹板角处的扇形切角的设置等。其中如果梁的全截面塑性模量高于翼缘的70%的时候，其腹板与柱的连接就要大于两列，最低也不能低于1.5倍。

（2）梁柱节点抗震构造：当梁与工字形截面柱翼缘或者箱形截面柱直接连接时，梁翼缘与柱翼缘的连接可以采用全熔透坡口焊缝，对于8度乙类建筑和9度抗震设计，应该检测V形切口的冲击韧度，确保在-20℃的环境中，其恰帕冲击韧度超过27J。同时，柱体在梁翼缘的对应位置，应该设置横向加劲肋，厚度不小于梁翼缘厚度。在6度抗震设计时，结合受力分析和计算，可以在高出梁翼缘厚度1/2的前提下，适当减小加劲肋的厚度。梁腹板与柱的连接采用高强度螺栓，通过连接板间接连接，在腹板角部设置扇形切角，端部应该避开翼缘全熔透焊缝。若梁翼缘塑性截面模量小于梁截面塑性模量的70%，则梁腹板与柱的连接螺栓应该在两列以上。

2.2主次梁节点设计

主梁与次梁的连接方式包括铰接和刚接两种，如果将次梁按照连续梁或者简支梁计算，在连接节点位置只传递次梁的竖向支座反力，则采用铰接连接；如果将次梁按连续梁计算，节点同时传递次梁的竖向支座反力和端弯矩，则采用刚接连接。在施工现场，对梁进行拼接时，主要是梁与柱带悬臂梁的连接，拼接形式包括：翼缘全熔透焊缝连接；腹板高强度螺栓连接；以及翼缘与腹板采用相同方式的连接。主次梁的连接比较适合采用铰接连接的方式，按照次梁的剪力进行节点设计，不需要考虑主梁受扭。在进行抗震设计时，为了避免框架横梁的侧向屈曲，在横梁下翼缘位置的节点塑性区，应该设置相应的侧向支撑构件。

2.3柱和柱的节点设计

为了运输的便利，柱与柱的连接通常都是在施工现场进行的，为了保证稳定性，框架一般采用工字型或方形截面柱，如果是箱型柱一般采用焊接的形式，而柱与柱之间的焊接应该采用V型或U形焊缝，而且焊接角度不能少于1/3，更不能少于14mm。为了钢结构的稳固新，柱与柱的节点连接还应该安装耳板，但是需要注意的是，耳板的厚度不能超过10mm，且坡口深度应大于板厚的1/2。工字型柱的节点设计，周围部分要采用全熔透的焊缝技术，上柱体采用Ｖ形，腹板采用K形。

2.4柱脚节点的设计

柱脚主要是起固定作用，将柱脚固定在整个柱的底端，通过这种固定，可以将整个柱身承受的内力下传至基础，因基础使用钢筋混凝土制造而成，其承受的压力值远远大于接触面所受到的力，因此对柱脚的节点设计可以使高层建筑物最大限度的承受压力，保证稳定性。在柱脚的节点设计中，铰接柱脚的设计可以使轴心承受更大的压力，如果柱轴承受的压力值较小，可以将柱脚的下端与底板直接焊接。

随着我国高层建筑的不断增加，在高层建筑中，对于钢结构的要求一般都很高，因此其中节点设计的应用十分重要，不断地提高建筑中的技术水平，也是更好地推进高层建筑的发展要求，使其能够更加稳定的发展。

参考文献：

[1]黄展华,徐邹影.论多高层钢结构住宅优势与发展前景[J].中国住宅设施.2017(05)