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摘要:随着我国建筑行业的飞速发展,建筑材质也在不断增多,多层钢结构逐渐的被应用于建筑等多个领域。钢结构的节点设计中的抗震验算问题也成了越来越多人关注的焦点。结合当前钢结构节点设计当中存在的一些情况 , 对于钢结构节点设计中抗震验算要给予深入的探究。本文主要论述钢结构节点设计中抗震验算问题的研究探讨。
关键词:钢结构;结构节点;抗震验算
引言
钢结构的特征非常明显,如在安装的过程非常便捷,其中的各项性能非常突出,并有着非常高的强度,对于具体的设计工作,需要对钢结构内部的各个节点实施抗震设计,之后实施相应的演算,从而对建筑内部的整体稳定性给予最大程度的保障。在真正对其进行设计的过程中,设计人员要依照其中的设计原则,使用的计算方式为抗震演算,可具体的强度以及实际稳定性等,进行非常细致的演算。对于该项演算方式的应用非常宏观,没有对钢结构各个连接构建当中的节点设计进行详细的验算,甚至有些连接构件当中的节点设计为钢结构厂家直接完成的,但是这便很难保障钢结构工程的安全性。
1、钢结构节点在地震中被破坏的原因
在建筑中,不同的钢结构对应了结构上的不同特点,但是在受震害破坏时都会呈现一定的共同点。钢结构在震害中被破坏的大部分原因都在于钢结构的节点焊缝随着震动而被拉抻,导致脆性破坏。也就是说,影响钢结构的抗震强度的主要因素是钢结构节点的焊接质量和内部的三向应力。在地震的作用下,钢结构的节点处应力值较大,施力点较多,且各个力之间的作用机理较为复杂,使钢结构的焊接节点往往处于三向应力的状态,造成了节点焊接面成为框架中最为薄弱的环节。三向应力作用下的钢结构失去了起本身良好的延展性与韧性,使钢结构无法向侧向收缩和剪切流动,无法发挥材料的性能优势,导致钢结构在地震中以焊接节点为中心发生脆性破坏。这就要求我们在设计钢结构时,不仅仅是要针对钢结构的强度和位移以及稳定性进行简单的抗震验算,更应从实际出发,对其节点的抗震设计进行反复的验算,为钢结构工程的安全性和抗震性提供有效保障。
2、钢结构应用现状
2.1钢结构的特性使得应用广泛
在众多的建筑结构之中,钢结构具有良好的抗震性能,应用十分广泛,北京鸟巢就是一个最好的例子。因其抗震性能高、节能环保、便于运输、施工速度快、延展性好等优点,钢结构已经成为现代建筑重要结构之一。
2.2钢结构使用计算方式影响较大
因为其众多的特点,因此钢结构节点一定要进行有效验算。对钢结构的计算常使用的是反应谱法,对大量的地震进行反应数据的分析而确定,此方法对短期内的地震反应谱准确,对长周期时间的准确性不足。
2.3钢结构自身特点影响用钢量
钢结构中本身的阻力比较小,按照《建筑抗震设计规范》计算,并结合考虑钢结构性能影响抗震作用减小,也因为钢结构中阻力的影响数据变大,使得设计中的用钢需求量增加。
3、钢结构节点抗震设计的原则
有些节点有着明确的抗震要点,对其实施设计的过程中,对于节点的连接需要对构件截面面积以及强度等相关因素要进行充分的考虑。在对钢结构进行设计的过程中,其一,在设计节点时,要给予详细的分析,对节点的实际抗震性要求进行明确。为了进一步提高抗震结构的新能,使其安全性有明显的提升,要将其结合到连接点的相关设计理念,其中节点的承载能力,不能大于构件的实际承载能力。所以,在对钢结构构建当中的截面抗震进行验算的过程中,需要符合S≤R/yRe。在实际设计的过程中,还要对强节点以及强连接的设计理念给予保障。在对钢框架体系梁柱连接节点进行设计的过程中指出,节点需要对被连接板件的内力最大程度进行传递,尤其是在强震下,节点材料发挥出来的塑性依然很强,可确保相关的安全性,不会产生相应的塑性铰。在对节点设计当中的安装以及经济问题进行考虑的过程中,使用的最多连接形式为:其一,全焊式;其二,栓焊式。
例如:Mu≥1.2Mp;Vu≥1.3(2Mp/I)且Vu≥0.58hwtwfay,Mp=[bf*tf*(h-tf)+tw*h2w2/4]fy;Mu=bf*tf*(h-tf)*fu。
4、钢结构节点抗震验算的意义
钢结构节点抗震的验算有效降低了真实环境下的影响,建筑物的安全可靠性,起到实际抗震作用。
4.1钢框架结构强柱弱梁要求
必须严格以《建筑抗震设计规范》作为参照标准。除了三种情况外,都必须对钢框架结构进行有效验算强柱强梁。(1)所受剪承载力与相邻的上一层高出数据达到25%;(2)柱轴压比不大于0.4在2倍地震稳定性有保证;(3)支撑斜杆相连的节点。以上三种情况下不需要对强柱弱梁进行验算。需要进行强柱弱梁进行验算的公司必须要按照《建筑抗震设计规范》中8.2.5-1进行。验算公式如下 :
∑Wpc ·(fyc - N/Ac)≥η∑Wpc · fyh
4.2钢结构中节点强剪弱弯要求
根据对《钢结构设计手册》的学习及研究,设计中应按照其有效性,弹性设计钢结构的梁端剪刀设计值V=(Mbl+Mbr)/Ln+Vgb,要有效计算梁端剪力计算问题,也要考虑柱端的剪力计算。V=(Mcb+Mct)/Hn。从公式中可以有效看出钢结构中节点是否梁和柱的剪力放大。有效结合设计手册的强剪弱弯要求。
4.3钢结构中节点连接重要性
钢结构的节点设计时,要清楚知道设计的节点是否具有强的抗震要求,通过有效验算钢结构承载力确保建设建筑物的安全。在《钢结构连接节点设计手册》中强调节点的承载力应大于构件的承载力,这是钢结构应遵循的原则。强烈按照《建筑抗震设计规范》进行结构构件的截面验算应满足以下公式:S≤R/yRe。(S为结构构件内力组合的设计值;R为构件承载力设计值;yRe为承载力抗震调整系数)。由此可见钢结构中强节点、强连接的重要性。
5、钢结构节点抗震验算内容
5.1翼板验算
翼板指的是钢梁的外两条竖杠,中间横的部分叫腹板,翼板在外、腹板在内的有效应用结合及计算可以有效提高建设生产的效率和精装度,对抗震的验算具有真实有效性。腹板螺栓群验算。腹板内力分配,按净截面等强原理设计,而其中的焊缝设计与母材料相同时,他们强度相同,不必另行计算。
5.2腹板螺栓群验算
腹板螺栓群梁与柱弱轴方向的柔性连接常采用剪力板高强螺栓连接,螺栓群所承受的荷载有竖向力和偏心力矩。主梁之间通过高强螺栓群相互连接。
5.3高强螺栓连接的受力
拼接处内力根据单行受力原理,前文有提到过,假定弯矩M在翼缘和腹板间按其净截面惯性矩lnfx和Inwx分配,剪力V全部由腹板承受。分配于翼缘的弯矩Mf又可分解为上、下翼缘的一对力臂为hf的轴心力Nf,用公式表示为:
翼缘Mf=MInfx/Inx,Nf=Mf/hl,Vf=0
腹板Mw=MInwx/Inx,Vw=V
5.4上或下翼缘拼接每侧的螺栓数目
上或下翼缘拼接每侧的螺栓数目n应按上式的实际轴心力Nf计算,即n=Nf/Nbv,Nbv为一个摩擦型高强螺栓的抗剪承载力设计值。当连接按与翼缘等强度设计时,则Nf应采用翼缘截面的轴心受力承载力设计值,取净截面承载力[Nf]=Anf1f+0.5n1Nbv毛截面承载力[Nf]=Anf1f的较小值。其中Anf1f和Af1分别为一个翼缘的净截面面积和毛截面面积;0.5n1Nbv是考虑摩擦型高强螺栓的孔前传力,n1为第一列的数目。
结束语
总之,在对钢结构构件节点进行抗震设计的过程中,其中应用的演算方式,为设计的重要基础。但还有不足之处,与一些发达国家相比较还存在差距,尽管对钢结构的相关设计,有很多的讨论和研究,但对节点的设计思考和相关的探究还有些缺乏。因此,在实际的工程当中,相关设计和技术人员对抗震节点的设计要实施进一步的探究,以便对钢结构节点设计进行逐步完善。
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