桩顶连接节点设计论文

桩顶连接节点设计论文（通用6篇）

桩顶连接节点设计论文 篇1

箱型支撑构件工艺复杂, 制作周期长, 针对工程工期紧的特点, 拟定了一种插接加螺栓固定的箱型截面制作方式。采取这种方式制作的箱型构件在单位用钢量上变化不大, 但却大大节省了建造工期, 对工程来说意义很大。

1 箱型构件节点优化的意义

现如今主流的高层钢结构施工特点都是:首先在设计阶段将整体结构分解为梁、柱等不同的段落, 在工厂分别加工成型这些构件之后, 将这些构件分批运送到工地进行安装, 这种加工安装的方式显然非常有利于工程施工。工厂机械化的流水作业有利于对工程质量的控制, 现场可操作性强的螺栓安装操作又十分利于节省工期。但它所暴露出来的缺点也是不容我们忽视的, 那就是现场构件需要通过节点才能结合到一起, 只有通过节点连接之后的结构才能称得上是完整的钢结构。在历史上发生的多次震害[1]、事故中, 钢结构表现出来的破坏有很大一部分都是首先出现在连接节点的位置[2]。可以说, 钢结构节点设计的质量, 直接关系到整个结构的安全性。因此, 高层钢结构的节点设计是整个设计过程中不可或缺的一个环节。甚至可以说是最关键的一个环节。

在设计中发现, 某项超高层钢结构工程结构体系需要牵扯到大量的箱型构件连接问题, 对部分箱型构件采用插接加两面螺栓固定的安装节点[3], 对应另外两面设置手孔, 不进行连接。下面笔者就针对这种类型的连接节点从工期分析、强度分析以及施工方法分析几个方面对这种节点的可行性进行论证。

2 连接节点的工期分析

采用这种插入式双面连接方式的箱型构件, 在加工过程中需要附加一道手孔制作的加工工序。这样做无异于增加了构件的制造周期, 对整体工期不利, 但是此种连接方法可以大量节省现场安装工期。为了给工期分析找到理论依据, 笔者以应用于该工程设计中的每100t实际箱型构件的平均制作安装工期为例, 列表进行了分析, 见表1。

通过以上表格对比, 我们不难发现, 针对工期优化来说, 采用这种箱型插入式节点还是很有效果的。由于在工厂加工制作的环节中增加了手孔加工这一道工序, 使得整体箱体构件加工效率有少许下降———采用插入式箱型节点相比传统箱型节点每100t增加四个工日。但在后期的安装环节, 此节点的优势就很明显了:表格中显示, 采用传统箱型节点安装每100t构件需要60个工日, 而使用插入式连接节点每100t构件只需要45个工日即可。根据以上的分析, 证明采用插入式箱型连接节点使得整体工期节省了11工日, 占总工期的10.7%。同时, 由于单位劳动工日的减少, 施工费用也能够得到一定的节约。笔者认为, 采用此种节点设计方案对于该项目是有一定积极作用的。

3 连接节点的强度分析

采用这种方式制作的构件, 与常规的箱型钢结构连接节点有很大的不同。因为箱型结构四个连接面的其中两个并未直接与结构接触, 无法产生与钢结构面摩擦的摩擦力, 也不会产生与螺栓摩擦的摩擦力。所有的结构荷载, 也就是全部应力都传递到了连接螺栓的两个连接面。使用这种连接方式不可避免地会出现传递剪力的滞后现象。其次, 这种端部开口的设计方式也必须要考虑其对结构的集中应力等不利影响。

在模型建立之前, 为便于操作, 笔者对此种节点进行了一些简化:1) 关于摩擦力做出如下之假定:此力被认为匀称地分布在整个摩擦面范围之内。2) 因为连接位置的刚性所产生的构件端部的弯矩, 致使的一系列受力变化, 不予计算。3) 对于构件本身的重量不予计算。4) 如杆端虽然存在应力集中的现象但其涉及的面积较小, 可以不予计算。

在应用以上的简化后, 仍然能够体现此种连接方式的剪力滞后现象以及端部开孔的效应。所以, 此简化不影响整体节点安全性的分析。

针对实际情况, 笔者选择的程序为MIDAS设计软件。通过软件建模, 建成了箱型构件端部的有限元模型。在构件其中一个端部的两侧摩擦面分别施加一个摩擦力荷载作为此断面的荷载, 反方向的端部设计为:节点模型在此摩擦面范围内固结指向不同的三个自由度———仅平动, 构件总长20m。

为避免其在进行对比时表述不清, 笔者以构件截面的应力和构件的范围, 来代替从螺栓处所传递出来的应力。其中截面的应力取值为132 MPa。

构件螺栓连接一端的螺栓布置范围根据等强连接的螺栓总需求量来确定。这个范围之内的整个节点加载的荷载也就是对应的换算荷载。

箱型构件剖面图如图1所示, 箱型构件插接形式示意图如图2所示。

根据如上定义及假设, 利用有限元软件MIDAS建立有限元分析模型, 笔者通过MIDAS软件的运算分析, 得出了如下的计算结果数据。软件计算结果数据如表2所示。

软件通过有限元分析所得箱形构件连接部位的应力分布图、剪力分布图以及Von-mises应力分布图见图3、图4、图5。

笔者对计算结果进行了全面的统计分析, 并得出了如下所示的设计结论:

因为该次优化的节点采用了插入式箱型构件这种连接方式, 一些特殊部位的杆端轴向应力之名义最大值会与杆端轴向应力实际最大值出现较大较为明显的差别。此项差值范围浮动在1~9 MPa不等, 呈均匀分布。

之后, 笔者据此分析了杆件的最不利位置所在———也就是其正应力最大的位置, 全部显示在连接螺栓的末尾处。笔者发现剪力滞后现象在箱型构件的双面摩擦插入式连接构造下表现得非常显著。对比构件中的正应力实际取值与正应力名义取值后, 发现二者有着一定的差别, 但差别不大。

在与杆件端部相距1~1.2m的最不利点附近, Von-mises应力最大值为202MPa, 剪应力最大值为77MPa。现以杆件中正应力的最大值与最小值的比值来衡量截面特性。在距离杆件端部四米的位置以及杆件中部两个位置取待测截面得出如图6所示。

对比计算数据后得知, 这两个截面的比值数据的最低值分别为0.879及0.970, 此比值数值较大, 且分布比较均匀。在螺栓位置处数值稍有波动, 但对总体趋势影响不大。据此得知此种截面设计的剪力滞后现象不严重。

又有连接结构板分为螺栓连接面翼缘板和非螺栓连接面翼缘板。这两种翼缘板的面积相比, 比值越小, 正应力最大值和正应力名义值相对应的比值就越大。根据这一数据规律, 笔者在设计时有意将螺栓连接面翼缘板的板厚与非螺栓连接钢板板厚之比应该尽量做大一些。以保证结构局部稳定验算的要求。

根据表2数据, 箱型构件的剪应力最大值都分布在限于构件端部1.2m的狭小位置内。并且通过调整翼缘板的板厚、变换截面构造形式等方式, 并不能根本上改变这种剪应力的分布状态及范围。如果螺栓群的总体范围 (长度) 超过了这个限定范围 (1.2m) , 在螺栓阵列末尾———也就是正应力最大的位置, 螺栓连接翼缘板所承担的正应力如果比较少, 非螺栓连接翼缘板所承担的正应力就会相应变多。因此, 如果将箱型构件钢板的厚度增大, 将螺栓布置沿着构件长边的方向增加排数, 沿着短边的方向相应减少排数, 正应力最大值和正应力名义值之比也会相应有所减少[4]。

在项目设计的过程中, 笔者也考虑到了这个因素, 调整了连接螺栓数目及排列状况。将螺栓布置的排数沿着构件长边的方向增加, 沿着短边的方向适当减少, 并且优化选取箱型截面尺寸, 使得螺栓的排列更加合理可行, 保证了整体构件的安全性。

在螺栓阵列的末尾处———也就是最大正应力的位置, 以及构件一端1.2m的位置———上述最大剪应力分布的位置, 出现最大Von-mises应力值的可能性也比较高。通常来讲, 比较厚重的构件钢板最大Von-mises应力值发生在螺栓阵列的末尾的位置;比较轻薄的构件钢板最大Von-mises应力值发生在构件端部1.2m的位置[5]。

考虑到上述因素, 笔者将箱型构件的钢板厚度做了适当提高, 以保证结构的安全性。在某些部位, 出于经济性的考虑, 实在无法增加板厚的情况, 就通过增加等效用构件数量, 降低构件使用效率, 提高安全系数的办法进行处理。

4 连接节点的施工方法分析

采用这种方式制作的构件, 在进行钢结构吊装作业的时候也相比常规方式有着一定的优势。

众所周知, 钢结构吊装作业多数是由特种工人进行高空作业, 危险系数极大。如果采用传统的四面连接方式安装[6], 工人不仅需要高空安装, 还需要进行高空焊接作业。这种高空焊接作业工作周期长、劳动强度大、作业危险性高、对特种作业人员要求比常规的钢结构作业人员还要高。我们在进行结构设计时要尽可能避免现场焊接构件[7]的出现。

采用这种插入式双面连接方式的箱型构件, 为典型的螺栓连接[3]形式节点, 仅适用普通的摩擦性螺栓连接, 作业工人仅需通过手孔进行“临时螺栓固定—安装螺栓—终拧”这样简单的工序操作即可完成安装, 无需复杂的焊接作业, 无需特种焊工操作。对于现场安装施工非常有利。

5 结论

该结构体系需要牵扯到大量的箱型构件连接问题, 对部分箱型构件采用插接加两面螺栓固定的安装节点, 对应另外两面设置手孔, 不进行连接。

a.在进度控制方面:笔者通过列表, 对比了采用传统方式和此种插入式箱型连接节点的工期区别, 每100t可以节约工期11d, 占总工期的10.7%。论证了采用此节点对于节省工期可以起到一定作用。

b.在安全性方面:经过分析, 笔者认为采用这种连接方法的箱形构件连接部分, 开孔处的剪力滞后现象影响不大, 在采取了适当加大翼缘板厚度、调整螺栓阵列的布局等措施后, 结构安全性可以得到保障。

c.在施工方法方面:此种节点无需复杂的焊接作业, 无需特种焊工操作。施工费用也能够得到一定的节约。

综上所述, 采用此种节点设计方案在满足安全性、经济性的同时, 使得工期节约了10.7%, 有一定的价值。

摘要：针对工程工期紧的特点, 采用一种插接加螺栓固定的连接节点代替传统焊接节点。阐明了此节点的基本结构形式, 并通过软件建立构件的有限元模型, 分析此种节点的应力情况, 以此确定方案的可行性。使用这种节点使得整体工期节省了10.7%。

关键词：钢结构,抗震分析,箱型构件,节点优化

参考文献

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[7]张陕峰.箱型柱-H型梁刚性连接构造探析[J].钢结构, 2008 (6) :68-71.

钢结构梁柱节点连接的优化设计 篇2

在钢结构整体设计过程中, 梁柱连接节点的设计具有十分重要的意义, 连接节点设计的安全性能够为钢结构的整体性、可靠性提供一定的保障, 并且直接关联着制造安装作业质量与作业进度, 以及整体建设周期与成本, 针对此, 必须对钢结构梁柱节点连接设计进行不断深入的分析与研究, 以促进我国钢结构项目的良好发展。

2 钢结构梁柱节点的基本特征

在进行钢结构设计时: (1) 需要解决的问题为在相应的计算模型中确定钢结构连接形式; (2) 还要确定具体的传力途径, 之后才可将整体结构受力模型简化; (3) 再采用相关软件进行分析计算。依据传力特征的差异性, 节点连接主要包括刚接、铰接与半刚性连接, 具体情况如下:

(1) 铰接连接节点的柔性较大, 钢梁仅在腹板部位采用高强螺栓连接形式, 上、下翼缘处不需要进行现场焊接操作。铰接构造较为简便, 能够在很大程度上简化现场的安装程序与流程, 并且还可大大减少现场整体作业量, 同时, 现场安装操作也不会受到天气与季节变化的影响, 大幅提升了钢结构安装速度。但铰接连接刚度与耗能性能较差, 不利于结构的抗风与抗震。

(2) 刚性连接节点的强度与刚度相对较高, 并且具备良好的受力性能, 但构造较为复杂, 施工难度较大。在钢结构梁柱节点设计过程中, 通常采用刚接形式进行, 主要原因在于梁柱节点所承受的荷载往往较大, 并且还需要有低于风荷载与水平地震所引发的位移现象。

(3) 半刚性连接节点的刚度与强度处于铰接与刚接之间。《钢结构设计规范》没有对半钢性连接计算与设计方案进行明确的规定, 节点的转动刚度也大多无法确定, 在工程设计中一般不采用此种节点连接形式。

通过诸多实践经验与结果可以发现, 将连接作为理想刚接或铰接, 可大大简化计算路程, 所获得的计算结构与实际情况之间必定存在较大的偏差, 当前主要采用调整系数的方式尽可能减少此类偏差。

3 钢结构梁柱节点连接设计优化措施

3.1 高强螺栓连接的梁柱节点

3.1.1 高强螺栓连接的类型与受力特点

依据设计与受力要求的差异性, 可将高强度螺栓大致分为承压型与摩擦型两种, 其中, 在进行摩擦型高强度螺栓连接的抗剪设计时, 主要依据外剪力所能够达到的由螺栓预压力提供的最大摩擦力为基础的, 因此, 在进行具体设计时, 需要确保摩擦力能够较好的承受整体使用期间的外剪力, 并且还需保证螺栓杆与孔壁间始终保持原有空隙, 以避免板件间相对滑移变形问题的发生。一般情况下, 螺栓受力形式如图1所示。

在进行承压型高强度螺栓连接设计时, 仅需要对正常使用荷载作用环境下剪力低于最大摩擦力进行充分的考虑, 如果剪力超过最大摩擦力, 就需要通过螺栓杆身剪切与板件接触面间摩擦力同时传力。当采用高强度螺栓连接形式进行节点连接设计时, 螺栓受拉力主要通过减少板件间夹紧力的方式承受, 在接触面间形成的正压力会产生一种较大的摩擦力, 其能够提供正常荷载作用下的拉力, 如果外荷载超过此类摩擦力, 则连接板的接触面部位就会发生滑移现象, 就认为是连接失效。

3.1.2 承压型高强螺栓连接设计

就当前情况来看, 相比于摩擦型高强度螺栓连接形式, 国内采用承压型高强度螺栓连接的情况相对较少, 有效的参考资料较少, 大部分教科书仅对摩擦型高强度螺栓连接进行了较为详细的介绍, 对于承压型高强度螺栓连接的介绍相对简单, 所以我国当前的设计大多以现行结构设计规范 (以下简称规范) 为主。在计算承压型高强度螺栓时, 对于剪连接沿着杆轴方向的受拉连接, 以及承受剪力与杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓连接计算, 应当严格按照规范进行。

在原规范中, 抗剪连接与同时承受剪力与杆轴方向拉力连接中, 需确保承压型高强度螺栓受剪承载力设计值低于按照摩擦型连接的规定, 主要原因在于承压型高强度螺栓研究相对较浅, 特别是使用经验的广泛缺乏, 所以需对其进行详细的、严格的计算。在采用承压型高强度螺栓连接形式时, 需确保其承载力低于摩擦型连接形式的1.3倍, 以保证钢结构的安全性与可靠性。

按照规范规定的结构平均荷载分项系数大约为1.3, 在荷载准值情况下, 对于满足此项要求的承压型高强度螺栓, 不会出现滑移问题, 有利于结构变形, 但无法充分发挥出承压型高强度螺栓自身效能。但要想采用承压型高强度螺栓模式, 允许发生一定滑移变形的连接是运用的前提条件, 即为对承载力进行了一定的控制。

3.2 全焊节点连接

3.2.1 全焊节点连接特点

全焊节点连接是一种在当前高层钢结构工程中获得较为广泛运用的一种梁柱节点连接形式。一般情况下, 梁柱焊接节点构造形式有许多种, 其中, 梁通常为H形, 而柱则有H形、箱形两种形式。全焊节点连接较为便利, 并且还可在一定程度上节省钢材, 整体刚度也相对较大, 其在抗弯钢结构中具有十分重要的作用。大多数人们均认为梁柱焊接节点具备良好的韧性, 并且还能够采用塑性变形的方式吸收地震能力, 以维持结构的稳定性, 由此可知, 其抗震性能较良好, 但通过多数实践经验可知, 在大部分地震灾害中, 钢结构的脆性破坏部位几乎都处于梁柱焊接节点部位, 经过强烈地震灾害的作用, 虽然已经出现了较为显著的塑性变形现象, 但在具体连接部位还出现了焊缝开裂问题。通常情况下, 焊缝连接形式如图2所示。针对此类问题, 为了避免焊接钢结构脆性破坏问题的发生, 必须保证母材与接头各部位仅具有充足的断裂韧度值, 对于其韧度值, 还要、要从设计上全面消除梁柱焊接节点处的应力集中情况。

3.2.2 全焊节点设计

为了避免结构刚度增加现象的出现, 在接头部位应力较集中时, 应当依据“强节点弱杆件”原则, 适当加强节点。在不会出现失稳现象时, 可适当削弱梁, 在梁上形成“塑性铰”。同时, 还应当尽可能的减少结构与焊接结构处的应力集中, 对于腹板工艺孔, 应确保其能够平滑过渡, 避免应力集中现象的出现。此外, 在不减小腹板连接强度环境下, 还可适当增加工艺孔, 为焊接操纵提供便利, 提升焊缝质量。

3.3 摩擦型高强度螺栓与焊缝形成的混合连接

(1) 通常情况下, 焊缝的破坏强度要远远超过高强螺栓强度, 基于抗滑极限强度, 应将其比值控制在1~3范围内。 (2) 对于需验算疲劳的连接设计, 不可采用此类连接形式。 (3) 如果先进行焊接操作, 并且板间不夹紧, 此时应当采用大直径螺栓, 但需要将螺栓自身抗剪承载力设计值与折减系数相乘。 (4) 在静力荷载环境下, 摩擦型高强度螺栓与侧角焊缝共同作用。在直接承受动荷载作用的连接中, 不可直接采用此种连接形式, 应当采用先栓后焊工艺。此外, 在进行设计时, 应当对温度影响进行充分的考虑, 并适当拆减高强度螺栓预拉力。 (5) 对于能够共同工作的混合连接, 其总承载力应当按照不同连接方式承载力的总和考虑。

4 结语

综上所述, 在进行钢结构梁柱节点连接设计时, 需对钢结构结构受力特点、适用条件等方面因素进行全面的考虑, 并且还要对相关问题进行深入的、细化研究, 在结合项目实际情况的基础上合理设计, 以确保整体钢结构受力的安全合理。这就要求结构设计人员必须熟练的掌握结构设计各方面内容, 并且还要对结构建设事项进行不断深入的了解与掌握。

参考文献

[1]杨伟兴.有关钢结构梁柱节点连接方法的分析和探讨[J].科技资讯, 2010 (05) :85.

[2]黄冀卓, 王湛, 潘建荣.钢结构梁柱连接节点刚度的半解析测试方法[J].工程力学, 2011 (28) :105~109.

桩顶连接节点设计论文 篇3

钢结构由于具有重量轻、塑性韧性好、制造简便、易于采用工业化生产、施工安装周期短、抗震性能较好等许多优点, 近年来得到了快速的发展。梁、柱节点是钢框架中的关键连接部分, 连接性能直接影响框架结构在荷载作用下的整体行为。实际的钢框架梁柱连接应分为三类:刚性连接 (具有较高的强度和刚度) 、铰接连接 (具有很大的柔性) 和半刚性连接 (刚度和强度介于铰接和刚接之间) 。通过学习了解到对于梁柱节点的研究还有很长的路要走。在工业建筑物、构筑物中, 梁柱连接一般均采用刚接节点, 而民用建筑物、构筑物中, 梁柱连接形式有用刚接节点的, 也有用铰接节点的, 承受荷载的差异是造成不同连接形式的重要原因之一。对于民建, 梁与柱的连接是采用刚接还是铰接还需具体情况具体分析, 如果做铰接, 钢梁仅在腹板处采用高强螺栓连接, 上、下翼缘无需进行现场焊接。这就使得现场安装程序大为简化, 现场安装可以不受天气及季节的影响, 安装速度大大提高。此外, 在节点及构件设计中, 节点和构件可以标准化。节点较好处理, 只承受剪力, 但梁的型号较大;对于工业建筑, 梁柱一般是做刚接, 这是由于结构承受的荷载一般较大而且还有较大的动力荷载。

2 各种连接形式特点

钢结构梁柱实际连接形式可分为螺栓连接、栓焊混合连接、全焊型连接。

2.1 普通螺栓及高强度螺栓连接

2.1.1 普通螺栓

普通螺栓分为A, B, C 3级, A, B级为精制螺栓, C级为粗制螺栓。A级和B级螺栓材料的性能等级为5.6级或8.8级, C级螺栓性能等级为4.6级或4.8级。A, B级精制螺栓已很少在钢结构中采用, C级螺栓用于不直接承受动力荷载结构中的次要连接, 或安装时的临时固定和可拆卸结构的连接等。A, B级螺栓, 从经济观点出发, 以采用高强螺栓代替较为适宜。

2.1.2 高强度螺栓

1) 我国现有两种高强度螺栓连接副:

扭剪型高强度螺栓连接副和大六角头高强度螺栓连接副, 这两种高强度螺栓的性能都是可靠的, 在设计中可以通用。

2) 抗剪连接, 根据受力特性不同, 又可分为以下形式:

a.摩擦型高强度螺栓。为通过连接板层间的抗滑力来传递剪力, 按板层间出现滑动作为其承载能力的极限状态, 适用于重要结构和承受动力荷载的结构, 以及可能出现的反向内力构件的连接。其孔径比公称直径大1.5 mm～2.0 mm。b.承压型高强度螺栓。以连接板层间出现滑动作为正常使用 (即在荷载标准值作用下) 的极限状态, 配以连接的破坏 (螺栓或构件破坏) 作为其承载能力的极限状态, 其计算方法与构造要求与普通螺栓相同。可用于允许产生少量滑移的静荷载结构或间接承受动力荷载的构件, 当允许在某一方向产生较大滑移时, 可采用长圆孔。当为圆孔时, 其孔径比螺栓公称直径大1.0 mm～1.5 mm。承压型高强度螺栓适用于容许连接处有微量滑移的承受静力荷载的结构。

2.2 摩擦型高强度螺栓与焊缝形成的混合连接

这种连接应注意以下几点:1) 焊缝的破坏强度高于高强栓连接的抗滑极限强度, 其比值宜控制在1～3之间;2) 不能用于需要验算疲劳的连接中;3) 其施工顺序, 应根据板件的厚度, 施焊时能否采取反变形措施等具体条件分析决定, 一般采用先栓后焊的方式, 此时高强度螺栓的强度应计及焊接影响, 作一定的折减;当采用先焊后栓且板间又不夹紧时, 宜采用大直径螺栓, 并需将螺栓的抗剪承载力设计值乘以折减系数;4) 在静力荷载作用下, 摩擦型高强度螺栓可以和侧角焊缝共同作用。在直接承受动荷载作用的连接中, 则不能用这种连接, 施工时一般采用先栓后焊的程序, 并在设计中考虑温度影响将高强度螺栓的预拉力予以适当折减, 如乘以0.8, 0.96的系数;5) 能共同工作的混合连接, 其总承载力可按不同连接方式承载力的总和考虑。

2.3 全焊型连接

全焊型连接时疲劳敏感, 焊接结构的低温冷脆问题比较突出, 产生焊接残余应力和变形, 对结构工作产生不利影响, 除因受力复杂, 接头刚度大或施焊不便的安装接头不宜采用焊接外, 可广泛用于工业与民用建筑钢结构中。

全焊型梁柱连接的优点及施工时注意事项试验结果表明, 全焊型梁柱连接的滞回性能好于栓焊型混合连接, 具有较好的塑性变形能力。在全焊型梁柱连接中, 设计时应注意选择合适厚度的节点板。节点板太强, 不仅浪费材料, 也不能充分利用节点域的变形能力耗散地震能量;相反节点板太弱的梁柱连接虽然能发展相当大的塑性变形, 但由于梁翼缘难以形成塑性, 也限制了节点的耗能能力。同时, 节点域的塑性转动过大会增加框架的水平位移, 对框架的整体受力不利。在这种连接中, 梁上、下盖板边缘加工后与柱采用叶接焊缝连接, 盖板与梁的连接采用角焊缝, 梁腹板与柱连接通过钢板或角钢而连在一起, 钢板或角钢与梁腹板采用角焊缝连接, 钢板或角钢与柱采用对接焊缝连接。在施工时应保证对接焊缝的质量, 对接焊缝必须焊透, 梁上、盖板与柱对接焊缝的质量对梁柱刚性连接的滞回性能有很大的影响。特别是焊缝与柱翼缘的连接面应注意除油除漆, 合理安排施工顺序。下翼缘的焊接引弧板如果留在构件上, 应将其与柱焊接, 最好跟梁翼缘也焊在一起, 以减小对接焊缝未焊透对梁柱连接受力的不利影响。

3 各种连接形式比较

欧美及我国广泛采用的梁柱刚性连接又可分为三类:1) 梁端与柱的连接全部采用焊接连接;2) 梁翼缘与柱的连接采用焊接连接, 梁腹板与柱的连接采用摩擦型高强螺栓连接;3) 梁端与柱的连接采用普通T形连接件的高强螺栓连接。

在以上刚性连接节点中, 全焊连接形式是焊缝连接最充分的, 不会产生滑移。从理论上讲, 良好的焊缝质量和焊接构造可以提供足够的延性, 但在实际施工过程中存在一定的困难, 而且要求对焊缝进行比较严格的探伤检查。此外, 焊接残余应力和残余变形也给实际结构带来不利影响;高强螺栓连接施工比较方便, 但存在接头尺寸过大、钢材消耗较多的现象。目前栓焊连接应用较为普遍, 工地安装时, 先用螺栓定位后对翼缘施焊, 具有施工方便的优点。通过实验表明, 其滞回曲线与全焊连接的接近, 但是, 翼缘焊接对螺栓的预拉力有一定的影响, 可使螺栓预拉力降低, 因此高强螺栓的实际应力应留有余度。梁柱连接节点的基本设计原则:节点必须能够完全传递被连接板件的压力 (或拉力) 、弯矩和剪力等。在强震作用下节点能够基于材料的延性, 保证结构产生非弹性变形, 即在梁内而不是在柱内产生塑性铰, 以消耗地震输入的能量, 使节点免于破坏, 并保证结构的整体性使其免于倒塌, 即“强柱弱梁、强节点弱杆件”的设计思想。

4 提高框架梁柱节点抗震性能的措施

地震区的刚性连接节点设计要满足多遇地震下弹性状态的承载力要求和罕遇地震下弹塑性状态的承载力和变形要求。

根据钢框架强柱弱梁的抗震设计原则, 按照有效控制梁上塑性铰位置的思路, 采用在梁腹板进行开孔削弱的节点形式促成塑性铰的形成。结果表明, 采用腹板开孔的构造形式, 可以控制节点处的塑性铰形成位置, 改变了梁翼缘的应力分布、节点的滞回特性和破坏模式, 在严格焊缝工艺的情况下可以使节点的破坏模式从脆性破坏转变为梁的局部屈曲破坏, 降低了连接焊缝发生脆性破坏的可能性, 达到节点的破坏位置向梁中偏移的目的, 从一定程度上改善了节点的延性性能。

提高梁柱焊接节点的抗震性能是钢结构抗震设计的重要内容之一。美国北岭和日本阪神震害教训表明, 为防止梁柱焊接节点在地震中出现源于焊缝的脆性破坏, 设计上应注意降低节点焊缝处的应力集中, 改善焊缝的受力状态, 设法利用钢材的塑性储备来吸收地震能量, 并根据抗震设防要求和地震作用特点选用韧性达标的焊接材料。制造和安装时还应注意消除节点焊缝处的各种应力集中, 通过加腋和加盖板对节点进行加强, 提高节点承载力;对梁局部削弱, 使塑性铰从节点区外移至梁上;改进节点区焊接孔构造形式, 缓解局部应力集中;妥善处理弧板和垫板, 减少焊缝缺陷。

参考文献

桩顶连接节点设计论文 篇4

关键词：连接节点,有效宽度法,均力法

钢结构连接节点的计算方法是钢结构设计的重要环节,目前各个国家的设计标准均有不同。本文通过分别讨论我国和美国钢结构节点设计方法的异同,得出连接节点设计的优化设计方法。

有效宽度法(Effective Width Method)是我国于2003年在《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)首度提出,该法的提出是基于三方面的考虑:

1) 为简化我国钢结构规范连接节点的计算公式;

2) 考虑连接节点动荷载的作用特性;

3) 参考国外多数国家的经验。

所谓的有效宽度法是指腹杆轴力通过连接件在节点板内按照θ=30°的应力扩散角传至连接件端部与轴力相垂直的一定宽度范围内,该一定宽度即称为有效宽度be。

均力法(Uniform Force Method)是美国钢结构协会(AISC)和美国土木工程师协会(ASCE)联合推荐的一种最经济、安全的钢结构连接节点计算方法。1981年,美国钢结构协会(AISC)开展了由Richard负责的连接节点计算机模拟分析的研究。为配合Richard的分析工作,1985年Bjorhovde 和Chakrabarti、1988年Gross和Cheok、1990年Gross先后完成了大量足尺的模型对比试验。经过近10年的对比研究, AISC和ASCE才正式将该法推荐在美国建筑钢结构规范(LRFD)中。

1 假设与原理相同

在进行钢结构设计中,中国规范与美国钢结构学会对此类支撑设计的假设相同:

(1) 支撑的重心线与梁、柱中心线必须交于一点,以避免考虑由于偏心产生的附加对节点设计产生的影响;

(2)节点板与梁、柱的连接处仅承受剪力和轴力;

(3) 节点板与梁、柱的连接处不存在弯矩。

其原理是在进行设计时,均应求出节点板与梁、柱连接处力的大小再进行连接设计。

2 计算方法的不同

2.1 国内采用的简化方法

斜支撑与连接板连接处,通常采用有效宽度法,即:

$\sigma =\frac{{\rm N}}{b{}_{e}t}\le f$。

be—构件的有效宽度(如图1)。

常将斜向支撑杆的内力分解为水平分力和垂直分力,分别作用于支撑连接板与梁、柱的连接处:

Vu=Pucos θ, Hu=Pusin θ。

Pu —作用在斜杆上的拉力;

Vu —连接板与柱连接处的力;

Hu —连接板与梁连接处的力。

对于不同轴力的大小,《GB 50017—2003》所规定的最小连接板厚如表1。

2.2 美国钢结构协会所采用的计算方法

均力法是被认为最经济、有效的设计方法。如图3所示,(a)图表示连接板与梁、柱连接及受力图;(b)图表示连接板受力详图;(c)图表示连接板与柱相交处,柱的受力详图;(d)图表示连接板与梁相交处,梁的受力详图。

为保证各连接截面不产生弯矩,必须满足:

α-βtan θ=ebtan θ-ec。

eb—梁高的一半;

ec—柱宽的一半;

α—柱的边缘到连接板质心的距离;

β—梁的边缘到连接板质心的距离。

满足以上条件的α和β,则:

$V{}_{uc}=\frac{\beta }{r}{\rm P}{}_u$,${\rm H}{}_{uc}=\frac{e{}_c}{r}{\rm P}{}_u$;

${\rm H}{}_{ub}=\frac{\alpha }{r}{\rm P}{}_u$,$V{}_{ub}=\frac{e{}_b}{r}{\rm P}{}_u$。

其中:$r=\sqrt{(\alpha +e{}_c){}^2+(\beta +e{}_b){}^2}$。

Vuc—连接板与梁相交处的竖向力;

Huc—连接板与梁相交处的水平力;

Vub—连接板与柱相交处的竖向力;

Hub—连接板与柱相交处的水平力。

3 计算对比实例

如图4为有斜支撑的框架结构,取其中一个结点进行研究,其计算简图如图5,梁、柱和斜支撑均采用美国W系列H型钢,其中:斜支撑为W12in×87 lb/ft,梁为W18in×106 lb/ft,柱为W14in×605 lb/ft构成的连接结点,斜支撑上的拉力为2 001 kN。连接板的大小取为500 mm×350 mm,且由表1可知:最小厚度t=20 mm。

3.1 用国内的简化方法进行计算

首先用有效宽度法验算斜支撑与连接板就强度,每边的焊缝长度为350mm,根据有效宽度法,有效宽度

be=(350tan 30°)×2+318.3=722.4 mm。

连接板与斜支撑连接处的正应力:

$\sigma =\frac{{\rm N}}{b{}_{e}t}=\frac{2001\times 10{}^3}{722.4\times 20}=138.5\text{Ν}/\text{m}\text{m}$2<160 N/mm2。

连接板与梁连接处所受力:

Hu=Pusin θ=1 565 kN。

连接板与柱连接处所受力:

Vu=Pucos θ=1 247 kN。

连接板沿长度方向上焊接在梁、柱上,根据《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)中7.1.3可以算出:

连接板与梁连接处的剪应力

$\tau {}_b=\frac{{\rm H}{}_u}{2h{}_e\times 500}=\frac{1565\times 10{}^3}{2\times 0.7\times 20\times 500}=$

111.8 N/mm2<160 N/mm2。

连接板与柱连接处的剪应力

$\tau {}_c=\frac{V{}_u}{2h{}_e\times 350}=\frac{1247\times 10{}^3}{2\times 0.7\times 20\times 350}=$

127.2 N/mm2<160 N/mm2

he—焊缝的有效高度。

3.2 采用美国规范中的均力法

由图5可知:eb=237.9 mm;ec=265.7 mm;β=200 mm。

可求得:α=284 mm,r=702.8 mm。

由均力法可得:

Vuc=569.4 kN; Huc=756.5 kN;

Vub=677.3 kN; Hub=808.6 kN。

根据我国《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)中7.1.3各种力综合作用下,正应力和剪应力共同作用处:

连接板与梁连接处焊缝的应力为

$\begin{array}{l}\sqrt{\left(\frac{\sigma {}_{bf}}{\beta {}_f}\right){}^2+\tau {}_{bf}^2}=\sqrt{\left(\frac{{\rm H}{}_{ub}}{\beta {}_f\times 2h{}_{e}l{}_{w1}}\right){}^2+\left(\frac{V{}_{ub}}{2h{}_{e}l{}_{w1}}\right){}^2}=\\ \sqrt{\left(\frac{808.6\times 10{}^3}{1.22\times 2\times 0.7\times 20\times 500}\right){}^2+\left(\frac{677.3\times 10{}^3}{2\times 0.7\times 20\times 500}\right){}^2}=\end{array}$

67.7 N/mm2<111.8 N/mm2<160 N/mm2。

连接板与柱连接处焊缝的应力为

$\begin{array}{l}\sqrt{\left(\frac{\sigma {}_{cf}}{\beta {}_f}\right){}^2+\tau {}_{cf}^2}=\sqrt{\left(\frac{{\rm H}{}_{uc}}{\beta {}_f\times 2h{}_{e}l{}_{w2}}\right){}^2+\left(\frac{V{}_{uc}}{2h{}_{e}l{}_{w2}}\right){}^2}=\\ \sqrt{\left(\frac{756.5\times 10{}^3}{1.22\times 2\times 0.7\times 20\times 350}\right){}^2+\left(\frac{569.4\times 10{}^3}{2\times 0.7\times 20\times 350}\right){}^2}\end{array}$

=85.9 N/mm2<127.2N/mm2<160N/mm2

4 节点的最优化设计方法

(1)首先采用我国规范中的有效宽度法对斜支撑与连接板连接进行验算:

$\sigma =\frac{{\rm N}}{b{}_{e}t}\le f$。

(2)再根据美国钢结构规范中所用的均力法求出连接板与梁、柱连接处的力:

$V{}_{uc}=\frac{\beta }{r}{\rm P}{}_u$;${\rm H}{}_{uc}=\frac{e{}_c}{r}{\rm P}{}_u$;

${\rm H}{}_{ub}=\frac{\alpha }{r}{\rm P}{}_u$;$V{}_{ub}=\frac{e{}_b}{r}{\rm P}{}_u$。

(3)最后根据我国钢结构规范中7.1.3中对焊缝强度进行计算:

$\sqrt{(\frac{\sigma {}_f}{\beta {}_f}){}^2+\tau {}_f^2}\le f{}_f^w$。

5 结论

(1)有效刚度法计算简单,概念清楚,并且能准确地验算支撑与连接板连接处是否满足要求;

(2)国内常用的按支撑力沿梁、柱切线方向的剪应力进行设计,计算也较简单,但所得计算结果偏大,尽管其结果会偏于安全,会造成一定的浪费;

(3)均力法计算简单,使用时受力明确,理论性强,且经过大量的实验和理论的证明,是支撑节点计算中最近似的方法;

(4)将中国规范和美国规范结合使用,能得到一种优化设计方法,使得类似结点设计最简单、有效、安全;

(5)这种设计方法也可使用在屈曲结构中,屈曲构件与框架梁、柱的连接,将简化屈曲结构的设计。

参考文献

[1]GB50017—2003.钢结构设计规范.北京:中国计划出版社,2003

[2]American Institute of Steel Construction.Load and Resistance Factor Design Specification for Manual of Steel Construction.2ND Edition.,AISC1990

[3]陈骥.钢结构稳定理论与设计.北京:科学出版社,2008

钢梁与混凝土梁连接节点设计探讨 篇5

随着建设发展, 工程中钢与混凝土混合使用的结构越来越多, 工业项目中经常需要用到钢梁与混凝土主梁连接。这种连接节点, 现有标准及规范未给出明确描述及具体要求, 一般都是依据个人经验设计。本文对于钢梁与混凝土主梁的连接节点的两种不同做法的承载能力和特点, 进行了分析和比较, 并给出了可靠做法。

1 钢梁与混凝土主梁连接的一般做法

1.1 做法简介

按照现有标准图集一般做法, 钢梁与钢筋混凝土主梁的连接节点如图1所示。

该种连接节点, 钢梁的荷载通过T型连接件传递到混凝土梁侧的预埋件上, 最后由钢筋混凝土梁承担。该节点的承载能力取决于以下几个最小值:预埋件的承载能力、连接件与钢梁腹板之间的栓焊混合连接承载能力、钢梁本身的承载能力。

1.2 承载力验算

按尽可能让预埋件的承载能力达到最大的原则, 假设如下, 采用埋板面积750×750 (未注明单位为mm, 以下同) , 厚度20, Q345级钢, 锚筋采用Ф25的HRB400钢筋, 4×4排共16根, 预埋板所受剪力偏心距e=100, 混凝土等级C35。根据GB 50010—2010混凝土结构设计规范9.7.2条公式:

经计算, 并按11.1.9条考虑抗震, 该预埋件最大的抗剪承载力设计值为340 k N。

连接件采用8.8级d20的Q235普通螺栓与钢梁螺栓单剪与焊接混合连接, 不考虑焊接部分, 假定由螺栓承担全部剪力, 根据GB 50017—2003钢结构设计规范7.2.1条计算单个螺栓承载力设计值100.5 k N。螺栓承载力公式如下:

最大剪力设计值为340 k N时共需连接螺栓4个, 分布在腹板上, 钢梁高度需要450以上, 假定钢梁采用HN450×200×9×14的Q235型钢, 根据GB 50017—2003钢结构设计规范4.1.2条计算钢梁抗剪承载力设计值为447 k N, 公式如下:

可见, 钢梁本身承载能力远大于预埋件承载力340 k N。另外, 同材质型钢HN400×200×9×135梁的抗剪承载力为357 k N, 也大于该预埋件抗剪承载力。

1.3 分析总结

综上所述, 钢梁与混凝土梁连接的这种节点做法, 其承载能力主要由预埋板的受剪承载力控制。由于承载能力有限, 只适用于高度在400 mm以下截面的钢梁与混凝土梁的连接, 仅可用于荷载较小的一般民用建筑楼面中。对于承受重型荷载的工业结构中较大截面钢梁的连接, 这种节点本身的承载能力已经满足不了设计要求。

这种节点, 连接件由安装螺栓和焊接混合受力, 需要在现场焊接, 施工不方便。

另外, 这种节点做法尤其是栓焊混合连接在地震作用下的破坏机制和可靠性尚不明确, 在抗震设防等级较高的情况下也应慎重使用。

2 钢梁与混凝土主梁连接的改进做法与讨论

2.1 做法简介

为了避免钢梁与混凝土梁连接中预埋板的承载力不足的缺点, 可以在混凝土梁侧设配筋挑耳, 钢梁的荷载直接传递到混凝土挑耳上, 同时钢梁腹板与梁侧预埋件由安装螺栓连接, 起到支撑作用, 做法详见图2。

这种连接做法, 荷载是由混凝土主梁梁侧的配筋挑耳承担, 结构设计时要保证挑耳的承载力不小于钢梁本身的承载力, 需验算配筋挑耳的局部受压承载力和受冲切承载力。

2.2 承载力验算

考虑楼面荷载较大的情况, 假设结构计算钢梁需要用Q345的钢梁截面为HN600×200×11×17, 根据式 (5) , 梁本身抗剪承载力设计值为1 030 k N。

局部受压截面尺寸复核, 挑耳平面形状为梯形, 假定尺寸如下:梯形高350, 上底宽600, 下底宽1 300, 挑耳立面高500。混凝土等级C35。挑耳顶部预埋面积为400×250、厚度为20的钢板, 直接承受钢梁的压力。根据GB 50010—2010混凝土结构设计规范6.6.1条, 混凝土局部受压面部Aln取钢板面积400×250, 局部受压计算底面积Ab取600×350, 算得挑耳局部受压承载力3 270 k N, 大于钢梁传来的最大荷载, 截面尺寸满足要求, 公式如下:

挑耳局部受压所需网式配筋计算, 承受钢梁的最大荷载1 030 k N, 混凝土挑耳内双向网式配筋, 配筋混凝土核心面积为450×300, 根据GB 50010—2010混凝土结构设计规范6.6.3条, 算得所需网式配筋体积配筋率ρv为负值, 说明挑耳仅需按构造配置局压网式钢筋 (见图3钢筋 (2) 和钢筋 (3) ) , 计算公式如下:

挑耳的抗冲切承载力验算, 假定破坏冲切面垂直于沿混凝土主梁梁侧, 根据GB 50010 6.5.1, 不配箍筋和弯筋情况下的受冲切承载力为643 k N, 远远小于钢梁的荷载1 030 k N。抗冲切承载力不满足要求, 需要按照计算配置箍筋 (钢筋 (2) ) 和弯筋 (钢筋 (1) ) 。假定挑耳配HRB335箍筋Ф10@100 (4) , 沿挑耳高度范围在侧面配HRB335水平弯筋4Ф22。根据GB 50010 6.5.3-1, 6.5.3-2, 算得配置箍筋和弯筋的挑耳受冲切承载力为1 102 k N, 大于钢梁的荷载, 满足承载力要求。公式如下:

根据以上局部受压和受冲切承载力计算, 可以看出, 这种连接节点的承载能力是由混凝土挑耳的抗冲切承载力控制, 结构设计时可以根据钢梁的截面和荷载条件计算所需要的抗冲切箍筋和弯筋。通过选用合理的挑耳截面尺寸和配置足够的钢筋, 这种节点可以用于承受楼面荷载较重的大截面钢梁与混凝土主梁的连接。

2.3 总结建议

综上所述, 钢梁与混凝土主梁的挑耳式连接, 承载力较大, 强度能够满足设计要求。安装相对简单, 施工方便。钢梁与挑耳的铰接搭接, 以及腹板与预埋件的螺栓连接, 在地震作用下, 也能够提供足够的延性和耗能能力, 具有较好的抗震性能。

根据计算和构造需要, 挑耳部位的配筋设置如图3所示。其中, 钢筋 (1) 为抗冲切弯筋, 钢筋 (2) 为抗冲切箍筋, 需要计算确定。钢筋 (3) 按构造配置, 和钢筋 (2) 一起作为局部抗压钢筋网。钢筋 (4) 为附加吊筋, 可以把挑耳承受的荷载传递到混凝土主梁的上部, 根据受力情况合理配置。

3 结语

对于钢梁和混凝土主梁的连接节点, 需要综合考虑连接强度、抗震性能、施工等各方面因素, 设计出强度满足要求、抗震性能好、施工方便的做法。本文通过承载能力分析和性能总结, 提出了较为合理的做法, 但仍需进一步研究其性能。

参考文献

[1]GB 50010—2010, 混凝土结构设计规范[S].

[2]GB 50017—2003, 钢结构设计规范[S].

桩顶连接节点设计论文 篇6

关键词：框架梁,钢筋,节点,受力特性,优化

1 静力作用和地震作用下框架梁下部带肋受力钢筋的受力工况

由于框架梁的构造特性, 梁下部钢筋受力小于相同荷载的简支梁下部钢筋的受力, 在靠近梁支座区段, 梁下部钢筋承受弯曲拉力就会更小。因此, 带肋钢筋的“肋牙”与混凝土的机械齿合作用和现行较高强度混凝土对钢筋的黏结强度, 能可靠阻止框架梁在荷载作用下受力钢筋与混凝土间产生的滑移[1]。可以认为, 梁垮中的下部受力钢筋每两肋牙之间分配承受的弯曲拉力被一个肋牙的齿合力和该区段长度 (节间) 混凝土的黏结力抵消, 不会向支座方向传递, 也很难向支座传递 (破坏性试验除外) 。

一般地承受足够大烈度地震作用的框架结构 (如9度或9度以上) , 框架梁下部受力钢筋应考虑增加钢筋末端锚固措施, 如弯折锚固、锚头 (锚板) 等[2], 或弯折、端头锚混合使用 (此法能克服端头群锚可能产生的不利影响) (见图1) 。

2 框架梁上部受力钢筋在静力荷载作用和地震作用下的受力工况

静力荷载作用下框架梁上部负弯矩受力钢筋受力工况同悬挑梁, 支座处承受的负弯矩最大, 所以, 伸入端支座内 (节点内) 梁上部的受力钢筋所承受的拉拔力大而且也很直接。与框架梁下部受力钢筋受力最大的不同是, 拉拔力直接在支座边缘向支座内传递, 传递直线路径很短。所以, 支座混凝土对钢筋的黏结和钢筋肋牙与混凝土的机械齿合作用也很有限, 因此, 应在钢筋的末端采取可靠有效的锚固措施。特别是在地震作用下, 当框架柱向背离框架梁垮中方向 (支座内) 倾斜时, 则靠近支座处框架梁的上部受力钢筋在负弯矩作用下承受弯曲拉力, 在支座内该钢筋则承受直接的拉拔力, 并与静力荷载作用负弯矩产生的拉拔力相叠加。所以, 端支座内框架梁上部受力钢筋末端应可靠锚固。

框架梁中间支座 (节点) 内的上部钢筋承受负弯矩拉拔力, 但支座两侧负弯矩同时存在 (基本平衡) , 钢筋在支座内直接贯通, 不存在锚固问题。下部钢筋允许在中间支座内直接贯通, 不需特殊锚固。下部钢筋在中间支座内锚固也是很不经济的。

3 框架梁受力钢筋在端支座内的锚固节点构造设计方案

3.1 框架梁下部受力钢筋在端支座内锚固节点构造设计方案

方案1:非抗震设防框架结构中的框架梁下部受力钢筋采用直杆锚固 (见图2) 。

6度、7度抗震设防烈度[3,4]的框架结构中的底下层框架梁下部受力钢筋末端在支座内弯折30°锚固, 弯折段长200mm;顶上层可弯折15°锚固, 或锚头 (锚板) 锚固 (见图3) 。

方案2:8度抗震设防烈度的框架结构中框架梁下部受力钢筋末端在端支座内弯折45°锚固, 弯折段长度250mm, 底下层可弯折段长300mm。钢筋较密时可采用弯折、钢筋端头锚头 (锚板) 相间隔的锚固方式。当受力钢筋为双排时, 可采用上排弯锚, 下排锚头锚板的锚固方式 (见图4) 。

梁下部受力钢筋末端在端支座内采用45°弯折和端头锚板相结合方式锚固, 钢筋的弯折段长350mm, 底下层可弯折60° (见图5) 。

3.2 框架梁上部受力钢筋在端支座内锚固节点构造设计方案

方案1:非抗震设防框架结构中的框架梁上部受力钢筋在端支座内采用100~110°弯锚, 弯锚段长150mm, 或采用钢筋末端锚头 (锚板) 等锚固方式。

方案2:6度、7度抗震烈度设防烈度框架结构中的框架梁上部受力钢筋在端支座内采用弯折100~110°锚固, 弯折段长200mm。钢筋较密时, 可采用弯折与锚头 (锚板) 相间隔的锚固方式, 即一弯折一锚头 (锚板) 。当受力钢筋为双排时, 上排筋可弯锚, 下排筋可锚头 (锚板) 锚固。

方案3:8度抗震设防烈度的框架结构中的框架梁上部受力钢筋在端支座内采用弯折100~110°锚固, 弯折段长250mm。梁上部钢筋较密时, 可采用弯折与锚板相间隔的锚固方式。受力钢筋如为双排筋, 亦可按方案2处理。

方案4:9度及9度以上抗震设防烈度框架结构中的框架梁上部受力钢筋在端支座内采用弯折100~110°锚固, 弯折段长300mm;如果梁上加腋, 弯折段长则可缩短至200mm[5]。梁上部钢筋较密时, 同样可采用一弯折一锚板的锚固方式;如为双排筋, 锚固方法同上。

3.3 结构中顶上层梁受力钢筋在端支座内节点构造设计方案

结构中顶上层梁端支座内受力钢筋锚固可降低1度 (抗震设防烈度) 设计, 如9度及9度以上的降为8度;8度的降为7度

3.4 框架梁受力钢筋在端支座内锚固节点构造设计方案的理论、技术、经验依据及可行性

1) 区别框架梁受力钢筋在支座内 (节点内) 锚固与悬索结构中的悬索在支座内锚固的受力工况不同点, 避免悬索在支座内锚固的误导。

2) 充分利用现行的工程结构设计标准提高对框架梁受力钢筋受力的有利客观条件及因素。

3) 充分利用带肋钢筋与混凝土的机械齿合作用和混凝土对钢筋的黏结力。

4) 清晰认识支座内带肋钢筋直锚段的阻尼作用使拉拔力传到受力钢筋末端已大幅度衰减, 或传不到末端。

5) 框架梁受力钢筋在支座内锚固应以保证锚固效果, 节省钢筋资源和方便施工为前提。

6) 非抗震设防结构只考虑承受静力荷载, 所以框架梁下部受力钢筋采用直锚;上部受力钢筋在支座内要承受很直接的拉拔力, 采用可靠的小弯钩弯锚或钢筋端头锚头 (锚板) 焊接锚固方式。

7) 6度、7度抗震设防烈度的框架结构能承受的地震作用是抗震设防结构中最小级别的, 框架梁下部受力钢筋在支座内可小角度弯折锚固。钢筋较密时可采用弯钩与锚头 (锚板) 相间隔的锚固方式。

8) 8度抗震设防烈度结构承受较强的地震作用, 底下层框架梁在支座内的受力钢筋承受比6度、7度抗震设防烈度更大一些的拉拔力。所以, 参照6度、7度抗震设防烈度受力钢筋锚固方案, 适度加强了8度抗震设防烈度的受力钢筋在端支座内的锚固。特别地还是强化底下层框架梁受力钢筋的锚固。

9) 9度及9度以上抗震设防烈度的框架结构承受更强的地震作用, 所以对端支座的受力钢筋更应加强锚固。更应采取综合的抗震结构设计。

10) 端支座内梁上部受力钢筋末端采用100~110°弯钩锚固, 目的是使梁端的混凝土层加厚, 增大了混凝土对弯钩的约束力。所以可以使钢筋的弯钩缩短, 抗拉拔力不减。100~110°弯钩也比90°弯钩受力更合理一些。

11) 结构中顶上层梁端支座内受力钢筋锚固可降低1度 (抗震设防烈度) 设计, 是根据唐山、汶川等大地震经验及相关的理论技术专著得出的结论。

4 框架梁下部受力钢筋 (含上部) 连接优化及可行性

现行的框架梁下部受力钢筋可在支座内直接贯通 (钢筋接头布置在靠近中间支座外弯矩较小的区段, 也就是限定了接头位置。但现在市场供应的建筑结构用受力钢筋都是12m长定尺, 在有多个中间支座的纵向梁中配置下部受力钢筋时, 势必会因钢筋接头位置限制而不得已截断整根钢筋, 出现了“钢筋头”损耗。下部受力钢筋最理想的连接方式是12m长整根钢筋依次连续连接, 在纵梁最后一跨测实际需要长度连接。不宜采用消耗钢筋资源最大的“绑扎搭接” (也是应该淘汰的连接方法) 。此法不但浪费钢筋资源, 而且也不易准确控制钢筋位置。推广应用丝扣套筒机械连接。在不具备机械连接条件的施工现场, 可采用手工电弧“帮条焊”的连接方法。

整根钢筋连续连接能够可行, 必须满足两个基本条件:

1) 钢筋接头的抗拉强度≥钢筋接头母材的抗拉强度;

2) 不限定钢筋连接的接头位置 (限制截面接头数量) 。

第一个条件现在均能满足, 只有满足第一个条件, 才能实现第二个条件。不限定钢筋连接接头位置, 就是钢筋接头位置无论是在梁弯矩最大的垮中, 还是受拉拔力较大的端支座、中间支座内外, 均可正常连接。

钢筋连接方案的理论、技术和经验依据是:

1) 钢筋接头的抗拉强度≥接头母材的抗拉强度;

2) 带肋变形钢筋与混凝土联合协同工作改善了钢筋接头位置的受力工况;

3) 限制在梁垮中1/3区段和中间支座内钢筋接头数量, (增加保险系数) 。

钢筋接头连接方案是:

1) 框架梁下部受力钢筋在中间支座内和梁垮中1/3长度内的“相邻区段”接头数量≤25%;在靠近支座的1/3长度内的“相邻区段”钢筋接头数量≤50%;连接方法是专指机械连接或焊接;

2) 框架梁上部受力钢筋 (贯通钢筋) 在支座内和靠近支座的1/3长度内的“相邻区段”钢筋接头数量≤25%;在垮中的1/3长度内的“相邻区段”钢筋的接头数量≤50%;

3) 梁跨度内单根钢筋不限制接头数量, 限制一垮梁内单根多接头钢筋的根数。

还应特别说明, 以上限定的钢筋接头数量百分比, 还是没有充分相信钢筋机械连接接头和焊接接头的抗拉强度。如果做到充分相信, 限定钢筋接头数量≤25%的, 则可改为限定接头数量≤50%;限定钢筋接头数量≤50%的, 可改为限定接头数量≤75%。

允许一垮梁中单根钢筋多个接头的依据是, 江河上铁路、公路钢筋混凝土静定多垮梁的设计施工经验:“对称平衡吊模法”。此法施工的静定多垮梁的纵向单根钢筋就是多接头的。

鉴于此, 所以可允许一垮梁中的纵向受力钢筋有多个接头, 这样框架结构中的梁、柱配筋过程中截断剩下的“钢筋头”就可全部得到应用。

5 结语

现在国家已明确规定了全国各地的抗震设防烈度分区, 这是科学合理设计工程抗震结构的基础和指南。框架梁受力钢筋在端支座内锚固的节点构造与框架结构的抗震设防烈度密切相关。所以应该有的放矢, 即根据结构抗震设防烈度的大小不同, 设计与该结构相适应的框架梁受力钢筋在端支座内锚固的节点构造。力求实现框架梁受力钢筋在端支座内锚固“保证效果、节省资源、方便施工”的目标。

纵向框架梁受力钢筋采用“12m超长钢筋不限接头位置整根连续连接”, 是最优化的钢筋连接方式。在保证框架梁结构安全的前提下, 节省每一寸钢筋, 努力实现“工程材料, 物尽其用”;努力使“12m超长钢筋轧制”的冶金工业技术进步成果在建筑工程中收获成效。

我们应该解放思想, 借鉴经验, 取长补短, 允许单根钢筋连接多个接头, 使“钢筋头”得到充分利用, 达到节省钢筋资源、提高经济效益和社会效益的目的。

参考文献

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