浅析高层钢结构节点设计

罗奎

（中信建筑设计研究总院有限公司　湖北武汉　430014）

引言

与传统的木质构造相比，现代建筑中的钢结构对于房屋的支撑作用更坚实，而相比较于混凝土结构，钢结构又有更好的稳定性而且技术使用上更加灵活，能够根据结构要求改变钢结构框架，所以在建筑中越来越被重视。因此，钢结构在高层建筑中的使用是当前建筑业最重要的研究课题之一，它的灵活使用主要体现在钢结构可以采用节点设计，灵活的节点又可以使得建筑的结构更加稳固，但钢结构的节点设计技术要求是很高的，且设计的方法灵活多样，可以根据具体情况设计不同方案，但钢结构的节点设计决定了高层建筑最终的稳固性，要重视技术的掌握。

1　节点设计概述

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，节点的设计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，所以处理好节点的连接至关重要。

2　钢结构节点设计原理

2.1　节点的连接方式

钢结构设计中最主要的设计方法是节点设计，它通常是指将钢架的断点处进行连接处理，最传统的节点连接方式是对节点处进行高温焊接，这种连接方式可以很好地对钢架结构进行延展，但是焊接的节点会相对没有灵活性，刚性强，对于抗震方面来说，没有震动缓冲导致抗震性较差，不能满足现在建筑对于抗震能力的标准。另外，采用焊接的方式进行节点连接，通常使用全熔透技术。另一种节点连接方式是提前在钢架上打孔，适合放进螺钉，进行螺栓连接，这种连接方式在现在的高层建筑中使用的也很频繁，虽然连接方式上比较简单，但是由于使用的是螺栓连接，在打孔上成本较高，又由于螺栓与螺钉直接通过螺纹摩擦结合，所以在高强度震动时，螺栓会产生松动，形成很大的安全隐患，所以这种连接方式的抗震性能也很差。综合来说，就产生了第三种将以上两种方式相结合的栓焊混合连接方式，这种方式将两种连接上的优势充分发挥出来，灵活性更强，在实际的工程操作中，要注意这种连接方式所承受的温度范围的影响。

2.2　节点连接设计要求

在高层建筑的设计中，使用钢结构的连接方式最主要的问题在于钢本身的特性会限制工程中钢结构的自由度，所以在连接上经常使用节点连接方式，使用节点连接方式时，要注意连接设计的使用要求，首先在建筑施工上要能最大程度的提高工程的进度，且比较易于安装，所以在钢结构的节点连接选择上，螺栓的连接方式是最合适的选择。当然，如果在工程中发现工程的设计比较复杂的时候，为了避免螺栓的松动，给工程的结构稳定性带来影响，造成很大的安全隐患，我们应该选择用焊接连接节点的方式。除此之外，如果在工程中使用的预埋件或者其他构件时也要选择焊接节点连接的方式。

另外，高层建筑的钢结构还要满足一个要求，即使用螺栓焊接混合连接方式的时候，必须要满足两种焊接方式结合所产生的力远远的大于整体结构产生的外力，这样整体结构才会更加的稳定。除此之外，在必要的时候，对于工程设计中小构件的处理，还可以使用混凝土进行最后的加固。

3　钢结构的节点设计应用

节点往往是高层建筑中最薄弱的一个环节，节点设计的合理性，直接关系到整体建筑结构的稳定性。所以节点的选择方式上必须要合理慎重。高层建筑中常用的节点连接方式有：柱脚之间的节点连接，柱与柱之间的连接，柱与梁之间的节点连接，梁与梁之间的节点连接等。

3.1　梁与柱的节点连接

按照工程中节点施工工艺的要求，对于30层以上的高层住宅，通常采用的是梁与柱之间的节点刚性连接，特别是在地震高发地带，为了避免强大的震动会使梁与柱之间的节点产生脆性破坏，通常设计人员应该注意设计中的塑性问题。常见的节点形式如图1所示。

图1　梁与柱之间节点连接

从图1中我们可以清楚的看出，梁与柱之间的节点连接方式有三种，通常节点位置是在横梁与柱体的接缝处，所以无论采用哪一种方式进行节点设计，都必须要考虑到节点连接后，翼缘部位的受弯承受力要比梁本身的受弯力大，这样才能保证梁的重心稳定，柱腹板的局部抗压承载力也要高于梁端的剪切力。其中，进行梁端弯矩的计算时，所参考的标准是：

梁端弯矩：M=Mc-Vd/3≥0.7Mc

力偶：N=±M/h

对于管壁剪力的计算，国际“规程”中的（DL/T5085-1999）也有标准的公式：T=0.6（Vmax/hjt）log（2ro/bj）≤fv，bj=tw+2hj。

除此之外，现在的建筑施工尤其是高层建筑，必须要考虑房屋的抗震性，所以在进行节点连接之后，还要对框架和起支撑作用的梁柱之间进行连接。

3.2　梁与梁的节点连接

梁与梁之间的节点连接，通常是指主梁与次梁之间的连接方式，主梁的作用通常是作为次梁的支座，对上方的次梁起到支撑作用，主梁与次梁之间的连接通常为铰链连接，主梁作为次梁的支座，次梁可视作简支梁，有时直接将主梁的竖向加劲板和次梁的腹板用螺栓连接起来，但是当次梁的截面积较小的时候也可以直接将其与主梁的腹板相嵌入，这两种方式都可以统称为主梁与次梁的简支连接。

图2　次梁与主梁的铰链连接

然而，当次梁数量较多的时候，那么次梁在钢结构中产生的跨度，包括承载能力都会比较大，在使用螺栓连接的方式成本就会比较大，且稳定性较低，此时为了节约成本，次梁与主梁之间的连接方式通常直接使用刚性连接，其连接方式如图3所示。

图3　次梁与主梁的刚性连接

梁与梁之间的连接节点，除了主梁与次梁之外，还有一种是次梁与连梁之间的连接。这种连接方式最需要考虑的因素就是横梁框架所带来的侧向压力，为了避免横梁的承受能力过大，而对整个结构造成不稳定的影响，在进行次梁与连梁的铰链连接设计时，我们还要对横梁设置一个起支撑作用的构件，通常是在翼缘的位置增加一个侧向的支撑。

3.3　柱与柱的节点连接

柱与柱之间节点的连接设计，通常从两个角度考虑。一种是两个柱体的截面积是相等的时候可以直接考虑在空中进行节点的焊接工作，通常两个主体之间的距离应该保持在1.3m左右，因为经过考究这个距离对焊接操作人员来说是进行焊接操作时是比较方便的。这种情况下，最常采用的是等截面H柱对接。另一种情况是，两个柱体的截面不相等的时候进行节点连接，通常采用的方法是保持柱截面的高度不变，但是改变翼缘的厚度来平衡重心。在进行不相等截面柱体的节点拼接时要考虑上下柱体之间，重心偏移所产生的附加弯矩。为了保证高层的稳定性，无论是等截面还是不相等截面柱体之间的连接，均可在外部加上套管进行柱体的固定。

3.4　钢结构与混凝土的节点连接

钢结构与混凝土的连接通常指的是钢结构柱和混凝土梁之间的处理方式，其节点的处理分为三种情况：

（1）进行混凝土的浇筑时在混凝土梁上的特定位置预埋连接件，待混凝土浇筑完成柱体稳固后，就可以直接与钢梁焊接，通常采用螺栓连接或者焊接的方法。

（2）在浇筑混凝土之前，就先将钢梁与混凝土梁内的钢筋进行连接形成一个完整的钢梁框架，然后再进行混凝土的浇筑。

（3）如果是对旧建筑进行改造，则以上两种方式都不再合理，此时可以选择在混凝土梁上进行打孔，然后利用螺栓固定一块钢板或者安装一个固定底座，最后将钢梁固定或者焊接到底座上即可完成钢结构与混凝土的连接。

3.5　钢管柱与钢梁的节点连接

除上述方法外，还有一种节点连接为钢管柱与钢梁的连接，生活中常见的为方钢管混凝土柱与工字钢梁节点连接结构，包括方钢管混凝土柱与工字钢梁，其特征在于：工字钢梁腹板贯通方钢管混凝土柱，方钢管混凝土柱内设有内设钢板，内设钢板在方钢管混凝土柱内的放置方式为竖置，并和工字钢梁的腹板平行，内设钢板边缘和工字钢梁的翼缘平齐。

在节点的连接选择上常用的两种方式是焊接或者螺栓固定，前者属于刚性连接，而后者属于柔性连接，刚性连接成本造价低，但一旦完工再出现问题不容易维修，而螺栓连接虽然建造成本高，但维修方便。

4　结束语

随着形势的发展投入新技术的使用，是顺应时代特点的必然趋势，但掌握一门新技术并将其充分运用到我国的发展中，是需要时间检验的。近些年，高层的崛起对于钢结构的要求愈发严苛，不仅材料的使用上要精益求精，而且钢结构中采用到的各种设计方法也要求很高，我国必须要重视高层节点设计的技术研究，不断提高设计水平，并且能因地制宜，选择合适的节点设计方案，综合考虑钢结构的塑性以及房屋整体的抗震能力，在计算算法上也要多多学习，深入研究，简化框图，确保精确性，使钢结构的节点设计更好的应用在我国的高层建设中，推动建筑业更好的发展。