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.docx

包头钢铁公司炼铁厂 28m2竖炉球团工程 竖炉间钢框架节点设计的思考 (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 10076921(XX)14007303 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 28m2 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 28m2 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 28m2 竖 炉球团工程的重中之重。竖炉间平面轴线尺 寸为 32.2m23.3m(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。 740)this.width=740“ border=undefined 2 设计思想 查建筑抗震设计规范(GB50011-XX)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-XX)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 SR/RE(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 RE 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 SR/RE 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 SR/RE 的要求， 则公式 Mu1.2Mp 自然满足。 该要点的论证如下：首先将 表达式 SR/RE 和公式 Mu1.2Mp 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 wRES=0.9S，梁截面的抗弯设计值取 wRES=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 Mu1.2Mp 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 SR/RE 的要求，则公式 Mu1.2 Mp 必然满足。 以上是对抗震设计规范(GBS001-XX)的理解，在这 里把竖炉间钢框架的节点设计成“ 图 2”形式： 740)this.width=740“ border=undefined “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 wRE/bRE=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： 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 。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。 740)this.width=740“ border=undefined 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 10.83，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 SR/bRE 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/bRE 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。