论文部分内容阅读
摘 要：本文概述了水利工程钢结构建筑梁柱节点的设计原则，探讨了梁与柱连接、梁与梁连接以及柱与柱连接的设计要点，以期能从理论层面提供一定借鉴。
关键词：钢结构 梁柱节点 设计原则 设计要点
1 引言
在水利工程钢结构建筑的设计工作中，梁柱节点的设计是重要环节之一。采取合理正确的设计思路和设计方案可保证钢结构具有良好的可靠性和整体性，进而保证工程质量。随着我国钢产量的激增和建设事业的飞速发展，钢结构体系在各项建设工程中的应用愈加广泛，因具有优良的抗震性和经济性等优点，其在重要建设工程中展现出独特的应用价值。
2 钢结构节点设计一般原则
根据《钢结构设计手册》和《建筑抗震设计规范》要求，将节点连接分为梁与柱的连接、柱与柱的连接及梁与梁的连接三种形式，设计原则均可归为：
(1) 明确节点受力情况，尽可能减少或避免出现应力集中及材料三向受拉的情况；
(2) 采用强连接弱构件的原则进行节点连接设计，避免因连接较弱而导致的结构破坏；
(3) 按照地震组合内力弹性设计节点连接，同时校核连接处所能承受的极限载荷力。实际计算中，梁柱连接的极限受弯和受剪承载力通常遵照下述公式：
，且0.58
式中，Mu——梁上下翼缘全熔透坡口焊缝的极限受弯承载力；
Vn——梁腹板连接的极限受剪承載力；
Mp——梁的全塑性受弯承载力；
ln——梁的净跨（梁贯通时取该楼层柱的净高）；
hw、tw——梁腹板的高度和厚度；
fy——钢材屈服强度。
(4) 对于构建拼接，通常按照与其等强度或比其强度稍高的设计原则。
(5) 考虑加工的可行性同时兼顾定位和调整的便捷性，须对节点构造适当简化处理。
3 钢结构梁与柱的连接
当梁柱的连接点刚度足够时，其接头能使所连构件的夹角在没有达到承载力时实际夹角不变，并且连接的极限承载力大于被连接构件的屈服承载力，这种连接方式称之为梁与柱的刚性连接。细分而言，有全焊接节点和栓焊混合连接节点两种构造形式，前者是目前多层和高层钢结构梁与柱连接最常用的构造形式；后者虽然方便安装，但节点刚性较差，应用不多。
以结构栓焊混合连接节点为例，在进行设计时，按照设计标准和实际施工条件要求，须着重注意以下几方面：
(1) 考虑梁与柱的连接承载力，包括在弹性阶段的连接强度和在弹塑性阶段的极限承载力。为确保强度，梁与柱栓焊混合连接中梁翼缘与柱腹板的连接强度
应满足下述公式：
梁腹板高强度螺栓的抗剪承载力应满足：
其中：M—梁端弯矩设计值，V—梁端剪力设计值，—对接焊缝抗拉强度设计值，n—梁腹板高强度螺栓的数目，—一个高强度落山抗剪承载力的设计值。对计算所得的极限受弯和受剪承载力应满足节点设计一般要求。
(2) 在梁翼缘传来的压力和拉力作用下，柱腹板和翼缘板中可能产生局部应力，很容易破坏。设计时，需验算柱腹板的受压承载力和柱翼缘板的刚度，若无法满足设计要求，应在实际施工中将柱腹板和柱翼缘板加厚或设置水平加劲肋。
对钢结构梁与柱连接的刚性节点，均应在梁翼缘的对应位置设置柱的水平加劲肋来传递梁翼缘传来的集中力。对于不同的结构设计，在满足传递集中力的同时，需考虑水平加劲肋的厚度：若该结构要求抗震设防，那么其厚度不应大于梁翼缘的厚度；如果不要求抗震设计，其厚度只需达到1/2梁翼缘厚度就可满足设计要求，同时其宽度应符合传力、构造和板件宽厚比等的要求。
4 钢结构柱与柱的连接
钢框架适合采用工字形或箱形截面柱，而型钢混凝土较适合采用工字形或十字形截面柱。工字形截面柱采用角焊缝或部分熔透的K形坡口焊缝，焊接腹板与翼缘，箱形截面柱采用部分熔透的V形或U形焊缝焊接四角组合。
柱与柱工地接头设计应满足以下原则：(1) 一般情况下，柱的接头位置应在框架梁上方1.5m左右的位置，且在节点塑性区域之外；(2) 柱接头上下各100mm范围内，工字形截面柱翼缘与腹板间及箱形截面柱角部壁板间的组合焊缝，应采用全熔透坡口焊缝；(3) 柱的工地接头处应在柱的一个方向两侧设置安装耳板，厚度不小于10mm。对于工字形截面柱的工地接头而言，一般采用全熔透坡口焊接翼缘，用高强度螺栓进行腹板连接，同时为便于全截面熔透，箱形截面的工地接头应全部采用焊接。由于十字形截面柱的腹板采用高强度螺栓连接施工比较困难，因此在型钢混凝土中的十字形柱工地接头，翼缘和腹板应采用焊接。柱需变截面时，一般柱截面尺寸不变，仅改变翼缘厚度，如需改变柱截面尺寸时，柱的变截面断应由工厂完成，并尽量避开梁柱连接节点。
5 钢结构梁与梁的连接
梁与梁的连接又分为主梁之间的连接和次梁与主梁的连接。设计框架梁工地接头时，应遵循：(1) 按抗震设计时，梁的拼接接头应满足等强度要求；(2) 框架梁的工地拼接接头不能在框架节点塑性区域内，其位置大致应在从梁端算起1/10跨长的位置，长度应不小于1.6m；(3) 在拼接内力较小的情况下，拼接处强度需要达到原截面承载力的一半以上。
主梁的工地拼接首选应用场合为梁与柱全焊接节点的柱外悬臂梁段与中间梁端的连接，其次为框筒结构密排柱间梁的连接。拼接形式可分全熔透焊接、腹板高强度螺栓连接和翼缘全熔透焊接三种。在次梁与主梁的连接设计方面，一般采用简支铰接，用高强度螺栓连接次梁与主梁的竖向加劲板，当次梁内力和截面较小时，可直接与柱梁腹板连接；当次梁跨数较多，跨度和载荷较大时，次梁和主梁连接处会形成刚接，可减少次梁的挠度，节约钢材。
水利工程建设施工过程中，可能会出现管道穿梁腹板的情况，此时应根据施工要求对进行开孔设计。
6 结语
综上所述，在进行水利工程钢结构建筑梁柱节点设计时，设计人员须严格遵照设计手册的要求执行，保证节点连接、焊接连接和高强度螺栓连接的极限承载力，并严格验算校核相关计算结果，以确保连接节点的安全性能，进而保障钢结构工程质量。
参考文献：
[1] 汪一骏.钢结构设计手册[M].北京: 中国建筑工业出版社,2004.
[2] 李星荣. 钢结构连接节点设计手册[M]. 中国建筑工业出版社, 2005.
关键词：钢结构 梁柱节点 设计原则 设计要点
1 引言
在水利工程钢结构建筑的设计工作中，梁柱节点的设计是重要环节之一。采取合理正确的设计思路和设计方案可保证钢结构具有良好的可靠性和整体性，进而保证工程质量。随着我国钢产量的激增和建设事业的飞速发展，钢结构体系在各项建设工程中的应用愈加广泛，因具有优良的抗震性和经济性等优点，其在重要建设工程中展现出独特的应用价值。
2 钢结构节点设计一般原则
根据《钢结构设计手册》和《建筑抗震设计规范》要求，将节点连接分为梁与柱的连接、柱与柱的连接及梁与梁的连接三种形式，设计原则均可归为：
(1) 明确节点受力情况，尽可能减少或避免出现应力集中及材料三向受拉的情况；
(2) 采用强连接弱构件的原则进行节点连接设计，避免因连接较弱而导致的结构破坏；
(3) 按照地震组合内力弹性设计节点连接，同时校核连接处所能承受的极限载荷力。实际计算中，梁柱连接的极限受弯和受剪承载力通常遵照下述公式：
，且0.58
式中，Mu——梁上下翼缘全熔透坡口焊缝的极限受弯承载力；
Vn——梁腹板连接的极限受剪承載力；
Mp——梁的全塑性受弯承载力；
ln——梁的净跨（梁贯通时取该楼层柱的净高）；
hw、tw——梁腹板的高度和厚度；
fy——钢材屈服强度。
(4) 对于构建拼接，通常按照与其等强度或比其强度稍高的设计原则。
(5) 考虑加工的可行性同时兼顾定位和调整的便捷性，须对节点构造适当简化处理。
3 钢结构梁与柱的连接
当梁柱的连接点刚度足够时，其接头能使所连构件的夹角在没有达到承载力时实际夹角不变，并且连接的极限承载力大于被连接构件的屈服承载力，这种连接方式称之为梁与柱的刚性连接。细分而言，有全焊接节点和栓焊混合连接节点两种构造形式，前者是目前多层和高层钢结构梁与柱连接最常用的构造形式；后者虽然方便安装，但节点刚性较差，应用不多。
以结构栓焊混合连接节点为例，在进行设计时，按照设计标准和实际施工条件要求，须着重注意以下几方面：
(1) 考虑梁与柱的连接承载力，包括在弹性阶段的连接强度和在弹塑性阶段的极限承载力。为确保强度，梁与柱栓焊混合连接中梁翼缘与柱腹板的连接强度
应满足下述公式：
梁腹板高强度螺栓的抗剪承载力应满足：
其中：M—梁端弯矩设计值，V—梁端剪力设计值，—对接焊缝抗拉强度设计值，n—梁腹板高强度螺栓的数目，—一个高强度落山抗剪承载力的设计值。对计算所得的极限受弯和受剪承载力应满足节点设计一般要求。
(2) 在梁翼缘传来的压力和拉力作用下，柱腹板和翼缘板中可能产生局部应力，很容易破坏。设计时，需验算柱腹板的受压承载力和柱翼缘板的刚度，若无法满足设计要求，应在实际施工中将柱腹板和柱翼缘板加厚或设置水平加劲肋。
对钢结构梁与柱连接的刚性节点，均应在梁翼缘的对应位置设置柱的水平加劲肋来传递梁翼缘传来的集中力。对于不同的结构设计，在满足传递集中力的同时，需考虑水平加劲肋的厚度：若该结构要求抗震设防，那么其厚度不应大于梁翼缘的厚度；如果不要求抗震设计，其厚度只需达到1/2梁翼缘厚度就可满足设计要求，同时其宽度应符合传力、构造和板件宽厚比等的要求。
4 钢结构柱与柱的连接
钢框架适合采用工字形或箱形截面柱，而型钢混凝土较适合采用工字形或十字形截面柱。工字形截面柱采用角焊缝或部分熔透的K形坡口焊缝，焊接腹板与翼缘，箱形截面柱采用部分熔透的V形或U形焊缝焊接四角组合。
柱与柱工地接头设计应满足以下原则：(1) 一般情况下，柱的接头位置应在框架梁上方1.5m左右的位置，且在节点塑性区域之外；(2) 柱接头上下各100mm范围内，工字形截面柱翼缘与腹板间及箱形截面柱角部壁板间的组合焊缝，应采用全熔透坡口焊缝；(3) 柱的工地接头处应在柱的一个方向两侧设置安装耳板，厚度不小于10mm。对于工字形截面柱的工地接头而言，一般采用全熔透坡口焊接翼缘，用高强度螺栓进行腹板连接，同时为便于全截面熔透，箱形截面的工地接头应全部采用焊接。由于十字形截面柱的腹板采用高强度螺栓连接施工比较困难，因此在型钢混凝土中的十字形柱工地接头，翼缘和腹板应采用焊接。柱需变截面时，一般柱截面尺寸不变，仅改变翼缘厚度，如需改变柱截面尺寸时，柱的变截面断应由工厂完成，并尽量避开梁柱连接节点。
5 钢结构梁与梁的连接
梁与梁的连接又分为主梁之间的连接和次梁与主梁的连接。设计框架梁工地接头时，应遵循：(1) 按抗震设计时，梁的拼接接头应满足等强度要求；(2) 框架梁的工地拼接接头不能在框架节点塑性区域内，其位置大致应在从梁端算起1/10跨长的位置，长度应不小于1.6m；(3) 在拼接内力较小的情况下，拼接处强度需要达到原截面承载力的一半以上。
主梁的工地拼接首选应用场合为梁与柱全焊接节点的柱外悬臂梁段与中间梁端的连接，其次为框筒结构密排柱间梁的连接。拼接形式可分全熔透焊接、腹板高强度螺栓连接和翼缘全熔透焊接三种。在次梁与主梁的连接设计方面，一般采用简支铰接，用高强度螺栓连接次梁与主梁的竖向加劲板，当次梁内力和截面较小时，可直接与柱梁腹板连接；当次梁跨数较多，跨度和载荷较大时，次梁和主梁连接处会形成刚接，可减少次梁的挠度，节约钢材。
水利工程建设施工过程中，可能会出现管道穿梁腹板的情况，此时应根据施工要求对进行开孔设计。
6 结语
综上所述，在进行水利工程钢结构建筑梁柱节点设计时，设计人员须严格遵照设计手册的要求执行，保证节点连接、焊接连接和高强度螺栓连接的极限承载力，并严格验算校核相关计算结果，以确保连接节点的安全性能，进而保障钢结构工程质量。
参考文献：
[1] 汪一骏.钢结构设计手册[M].北京: 中国建筑工业出版社,2004.
[2] 李星荣. 钢结构连接节点设计手册[M]. 中国建筑工业出版社, 2005.