包头钢铁公司炼铁厂2×8m2竖炉球团工程竖炉间钢框架节点设计的思考
时间：2020-12-17 09:49:16 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
(包头钢铁公司设计研究院，内蒙古 包头 014000)
摘 要：通过对现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-200 1)关于抗震节点设计条文的学习，结合工程实际，总结出了多层和高层钢结构房屋、梁- 柱刚性连接节点设计的要点。
关键词：梁—柱；
连接刚性节点；
抗震设计；
调整系数；
塑性铰延性
中图分类号：TF572 文献标识码：A 文章编号：[HT K]1007—6921(2008)14—0073—03
钢框架体系在最近的几年里得到很快的发展 ，通过对包头钢铁公司炼铁厂2×8m2坚炉球团工程竖炉间(钢框架结构)的设计使我对钢框 架体系有了一定的认识和了解，对框架结构体系的设计理念有限进一步的理解。
1 工程概况及方案确定
包头钢铁公司炼铁厂2×8m2竖炉球团工程是包头钢铁公司炼铁厂为扩大其球团矿生产能力 确保给高炉稳定供应原材料而决定建设的工程，竖炉间是球团工程的核心，它是2×8m2竖 炉球团工程的重中之重。竖炉间平面轴线尺寸为32.2m×23.3m(见“图1”) ，共四层，其中 一层、二层因层高过大，故在一层、二层中间部位各设置一道框架梁层，因竖炉间里工艺设 备多重量大，且工期要求很紧，经多方论证最后决定采用钢框架结构体系，平台板采用钢筋 混凝土楼板。整个结构体系按八度设防。
2 设计思想
查《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)知：包头地区抗震设防烈度为八度,属高烈度区,因 此竖炉间的抗震设防尤为重要。在多层和高层房屋钢结构抗震设计中，梁-柱刚性连接节点 设计是一个非常重要的组成部分，节点设计是否恰当将直接影响到结构承载力的可靠性和安 全性，是至关重要的。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中涉及多层和高层房屋钢结构 梁-柱刚性连接点必须同时满足以下二条：一是，当遭遇多遇地震作用(小震)，按第一水准 烈度设防时，应采用表达式S≤R/γRE(即规范公式5、4、2)对杆件的承载力和节点连接进行 验算，其中承载力抗震调整系数γRE应根据不同结构构件和不同连接材料分别取不同的数值 ，该条为强制性条文;二是，当遭遇超过多遇地震作用至偶遇地震作用(中震)，按第二水准 烈度，或遭遇罕遇地震作用(大震)按第三水准烈度(大震烈度)设防时，规范还要求按公式Mu ≥1.2Mp(即规范公式8、2、8-1)进行连接的极限承载力验算，该条在规范中为一般性条文。
按表达式S≤R/γRE对杆件和节点进行设计验算时，结构杆件的地震内力组合设计值只能作 为控制杆件截面的依据，当结构杆件截面确定之后，就应以杆件截面力设计值为依据来进行 连接的抗力设计，如框架结构中的框架梁，就应使梁柱连接处连接的抗弯承载力设计值大于 框架梁的抗弯水载力设计值，并使二者之比不小于连接承载力抗震调整系数与框架梁抗震调 整系数之比(≥1.2)。以实现强节点弱杆件的设计理念实现“小震不坏，大震不倒”的设计 目标。
在节点设计验算时，如满足了公式S≤R/γRE的要求，则公式Mu≥1.2Mp自然满足。
该要点的论证如下：首先将表达式S≤R/γRE 和公式Mu≥1.2Mp从概念上进行判断。前者反 应出的实质是，在地震作用下，规范要求在弯矩和剪力都处于最大的梁端，其连接焊缝的抗 弯承载力设计值取γwRES=0.9S，梁截面的抗弯设计值取γwRES=0.75S，即要求连接焊缝的 抗弯承载力高于梁截面的抗弯设计值的1.2倍，或者说，在相同S组合内力下，要求连接焊缝 的弯曲应力为fut /0.9, 梁端梁截面的弯曲应力为f /0.75, 即要求连接焊缝的弯曲应力只 是梁截面弯曲应力0.75/0.9=0.83倍。也就是说，当梁截面产生塑性铰时，其连接焊缝的应 力才处于强度设计值阶段，而公式Mu≥1.2Mp反映出的实质是：当梁截面产生塑性铰时，对 接焊缝的应力己达到了焊缝分别极限抗拉强度fwu。以上都是在梁截面产生塑性铰时的相同 条件下，将连接焊缝分别前、后两个式所反映出来的不同应力状态进行对比，就可说明前者 安全，后者不安全。从而初步可以判断，如果满足了公式S≤R/γRE的要求，则公式Mu≥1.2 Mp必然满足。
以上是对《抗震设计规范》(GBS001-2001)的理解，在这里把竖炉间钢框架的节点设计成“ 图2”形式：
“图2”的连接形式是将梁的应力比尽可能地控制在接近于1来确定梁的截面，然后根据梁截 面的抗震设计值来进行连接的抗力设计。使连接的抗弯设计值与框架梁抗弯设计值之比大于 连接承截力抗震调整系数与框架梁抗震调整系数之比为γwRE/γbRE=0.9/0.75=1.2。它可保 证当框架梁的端部出现塑性铰时，而梁端的连接基本还处于弹性状态，以避免当地震烈度高 于众值烈度时，梁与柱的连接焊缝可能存在某些缺陷，框架横梁在尚未出现塑性铰之前，节 点连接就过早的发生脆性破坏，以确保其连接的整体性，按照这一思路设计的连接，就可以 把握实现以下目标：
①保证结构左多遇地震作用下，结构构件具有足够的强度，以实现“小震不坏”的设计目标 。②保证在地震作用下，连接的应力始终低于框架的应力，以保证当地震烈度高于众值烈度 时，处于高应力下的框架梁可率先进入塑性发展成为塑性铰，使钢结构的良好延性得到充分 发挥来耗散地震能量，实现“大震不倒”的设计目标。
目前一些施工企业为施工方便赶工期常采用如“图3”所示的结点。
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，梁的弯矩则全部通 过翼缘的连接来传递给柱。因为在这种节点中，梁端翼缘未作任何加强，考虑腹板传递剪力 ，而不考虑传递弯矩。则其柱面栓焊连接处翼缘焊缝的抗弯能力只有梁截面抗弯能力的80% 左右(即梁翼缘的截面模量与全截面模量之比只有80%)。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 计值尚应乘以折减系数0.9，则其连接的抗弯承载力很可能只有框架横梁抗弯承载能力的70% ～75%。很显然，这种比等强连接还要低25%～30%，连非抗震结构都很难被人接受的节点， 去用在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 ，强节点弱杆件等基本原则，导致当框架梁未进入塑性之前，其连接焊缝就会过早地发生脆 性破坏，钢结构所具有的良好延性得不到发挥，使整个结构失去抵抗大震的能力。也有的认 为将“图3”所示的结点，应力比控制在远小于1～0.83，乃至0.7以下。这种认识是将抗 震设计 停留在只为了满足按第一水准烈度(小震)设防，保证结构具有一定强度的起码要求来考虑问 题，而忽视了抗震设计最主的是实现大震不倒的设计目标。在大震初期结构仍处于弹性阶段 ，结构内力仍将遵守随地震作用的加大而加大这一法则，只有当结构进入塑性阶段，结构才 会只增加变形不增加内力。也就是说，在不违背强柱弱梁的原则下，不管将梁的截面增加多 大，应力比控制得如何小，只要梁截面还未形成塑性铰之前，即梁的应力比还未达到1以前 ，表达式S≤R/γbRE中的S力只会随地震作用的加大而加大，直到S力等于杆件截面承载力S= R/γbRE为止。所以，只想加大截面而不加强连接，是达不到强连接弱杆件要求的，是不能 发展结构塑性、提高结构延性作用的。因此，可以得出这样的结论：加大截面，只能提高弹 性承载力，而不能保证梁进入 塑性状态、发挥钢结构的延性，所以“图2” 所示的方法是 合理的。按“图2” 所示的方法设计出来的结构和节点，既节省钢材，又能发挥钢结构的延 性来抵御大震。
综上所述要想使钢框架结构实现“小震不坏，大震不倒”的设计目标，必须把钢框架结构设 计成延性结构，而延性结构的实现最终是反映在钢框架结构梁——柱节点的设计上。
［参考文献］
［1］ 建筑抗震设计规范(GB50011-2001).北京：中国建筑工业出版社，2001.
