・ｌ５６・ 跨世纪２００８年１２月第１６卷第１２期Ｃｒｏｓｓ Ｃｅｎｔｕｒｙ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００８，Ｖｏｌ １６，Ｎｏ．１２ 浅谈轻钢门式钢架结构节点设计 张文彬刘学彻 （南京汉风紫邦工程设计咨询有限公司，江苏，南京，２１００１８） 【摘要】轻型门式钢架结构近年来在我国得以广泛应用，但出于各种原因，安全事故时有发生。在轻型门式钢架结构的 设计和施工过程中，连接节点是非常重要的部件。焊缝连接和螺栓连接是钢结构中的两大连接形式，本文本文主要讨论轻轻门 式钢架结构中的梁柱节点和柱脚节点的设计方法。 【关键词】轻型门式钢架结构，节点，连接 【中图号】ＴＬ３４１ 【文献标示码】Ａ 【文章编号】１００５—１０７４（２００８）１２—０１５６—０２ １ 前言 好的性能，必须控制节点的刚度，防止节点出现过大的变形。延 轻型门式钢架结构是单层工业厂房巾一种常见的结构形式， 性是反映结构、构件或材料弹塑性变形能力的一个量度指标，如 属于轻型钢结构的一种类型。目前最流行的体系构成，是采用实 果一个结构或构件，屈服后的弹塑性变形能力很大，则延性好，不 腹式门式刚架为承重结构；薄壁型钢檩条或墙梁与彩色金属压型 易发生脆性破坏；反之，如果屈服后的弹塑性变形能力小，则延性 钢板组成的组合屋面及墙面为匍护结构；支撑系统则主要由用于 差，容易发生脆性破坏。对于节点的延性要求，主要是对临近节 纵向传力和空间协同作用的纵向水平系杆、刚性或柔性水平支 点域的梁端和柱端而言的，要求梁端和柱端具有较大的变形能 撑、隅撑等所构成。上世纪９０年代随着我国经济建设的迅速发 力；对于节点核心区并不要求很大的延性，而要求有很大的强度 展，这类结构以其用钢量省、造价低、施工速度快、外形美观以及 和刚度，以保证在梁端塑性铰出现之前不发生节点核心区的弯曲 适用范围广等优点而被广泛地应用厂房、仓库、超市、体育及娱乐 破坏和剪切破坏。 设施等大跨度建筑中。其中用钢量省、结构轻巧、适用范嗣广是 ３．２ 节点设计中的端板设计轻型门式钢架的梁柱连接一般都 轻钢结构最主要的特点。轻钢结构的设计和计算步骤主要包括 做成刚性的，通常通过端板和高强度螺栓将梁、柱结合成整体。 主结构及其支撑体系、次结构及其连接构造、辅助结构系统、维护 门式刚架斜梁与柱的连接，可采用端板竖放、端板横放和端板斜 材料及其连接构造、连接件和密封材料、柱脚和基础设计的计算。 放三种形式。端板竖放适用于局部等截面柱；当竖向荷载起控制 本文主要针对轻钢门式钢架结构设计中的节点设计这一环节中 作用时，将端板横放可减少节点的设计剪力，同时充分利用柱的 的梁柱节点设计和柱脚节点设计，探讨设计中需要注意的问题。 压力对节点受力的有利作用。如果节点弯矩很大，可采用端板斜 ２ 轻钢结构节点的分类及研究现状。 放形式。端板竖放比端板平放有更高的承载力和节点刚度，但端 ①轻型门式钢架结构中的节点按照连接方式，可以分为焊缝 板竖放对螺栓受力不利，其破坏形式往往是螺栓先破坏，从结构 连接、高强螺栓连接和混合连接（焊缝连接＋高强螺栓连接）。② 延性考虑，建议优先采用端板平放节点形式。同时，建议设计节 根据抗震要求的不同，节点可以分为非抗震节点和抗震节点。③ 点时，螺栓直径不宜小于端板厚度。端板拼接连接形式有外伸式 根据节点所处位置的不同，分为梁柱连接节点、梁梁连接节点，檩 和平齐式两种情况，端板外伸式节点受力合理，承载力高于平齐 条节点，墙梁节点和柱脚节点。④轻钢结构中的节点（以粱柱节 式节点，因此应尽量采取外伸式端板连接，同时应在结点板外伸 点为例说明）按照梁对柱的约束剐度（转动刚度）大致可分为三 部分设置加劲肋，使靠近受拉翼缘两侧的螺栓受力均匀，接近一 类：铰接连接、半刚性连接、刚性连接，连接性质按能够传递的梁 致，提高节点的抗剪能力，有效减少节点板的变形。不同端板厚 端弯距的能力确定。当梁与柱为铰接连接时，连接只能传递梁端 度节点承载力差别较大，端板越厚，节点承载力越大。而现行端 剪力，而不能传递梁端弯距或只能传递梁端很少量弯距；梁与柱 板连接节点计算方法，没有考虑端板厚度对节点承载力的影响。 的半刚性连接，除能传递梁端剪力外，还能传递～定数量梁端弯 另外，节点构造连接形式对螺栓的受力状态影响也较大，规范应 距，梁端能承担２５％的端弯矩；梁与柱的刚性连接，除能传递梁端 根据不同的构造形式来考虑选用不同螺栓的计算模型，这些都有 剪力外，还能传递梁端弯距。⑤以前的研究局限于节点的铰接连 待于今后修订端板连接设计方法时加以改进。 接和刚性连接，而目前对于半刚性连接节点的应用和研究正处于 ３．３ 节点设计巾的节点域设计轻钢结构梁柱节点域是指弯剪 一个逐渐成熟的阶段。半刚性节点的『尤点是：一般的门式钢架， 共同作用下应力情况比较复杂的节点区域，在水平荷载作用下， 梁端弯矩大于跨中弯矩。采用半刚性连接节点，梁端弯矩就可以 钢架将产生侧移，梁柱构件将产生变形，节点将产生转动。与一 向跨中分布了，使得梁端弯矩和跨中弯矩接近，减小梁的截面；目 般钢框架不同，门式刚架轻型房屋钢结构梁柱腹板的宽厚比较 前的震害表明，半刚性连接节点很少在地震作用下破坏。半刚性 大，节点域剪切变形明显，当端板厚度能满足强度设计要求时，整 节点的缺点是：降低钢架的抗侧移刚度。冈此目前主要应用于双 个加载过程中端板的相对张开变形很小，端板和螺栓的变形对节 重抗侧力结构中，水平力主要由支撑体系承担的结构，或水平力 点转角贡献较小，节点的转角主要由节点域的剪切变形引起。因 水平侧移不起控制设计的结构。 此，从节点刚度这点考虑，有必要在节点域设置斜向加劲肋，有利 ３ 梁柱连接节点的设计要求 于提高节点刚度，减小节点剪切变形对整个刚架变形的不利影 ３．１．节点的刚度要求和延性要求对于抗震钢架，在强烈地震 响。本文重点讨论轻型门式钢架中节点域的抗剪强度问题。 作用下将进入弹塑性阶段。与节点相连接的构件可能会发生屈 ３．４ 节点设计中的螺栓设计高强螺栓群的验算同样是节点设 服，节点域及附近的梁端和柱端将产生弹塑性变形，节点刚度明 计的关键问题，主要包括螺栓群的抗弯强度验算，抗剪强度验算 显降低，承载能力也有所减小。在此情况下，为使节点仍具有较 等。轻型门式钢架中的节点连接采用１０．９或８．８级的高强螺栓， 跨世纪２００８年１２月第１６卷第１２期Ｃｒｏｓｓ Ｃｅｎｔｕｒｙ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００８，Ｖｏｌ １６，Ｎｏ．１２ ・ｌ５７・ 直径为Ｍ１６～Ｍ２４，其中１０．９级的高强螺栓具有更高的受力性 ４．４ 轻钢结构柱脚抗剪键的设置由于在门式刚架中，基础除 能，在钢结构连接中最为常用。高强螺栓不宜重复使用，特别是 １０．９级高强螺栓不得重复使用。 ４ 柱脚的设计要求 ４．１ 轻钢结构基础型式的选择基础形式的选择应根据建筑物 所在地的工程地质情况和建筑物上部结构型式等几个方面综合 了承受由柱传来的竖向荷载外还要承受由风荷载等产生的水平 荷载作用，水平荷载通过柱脚底板与基础混凝土之间的摩擦力传 给基础。在铰接柱脚中，在满足基础混凝土端面承压后，有时柱 脚与基础之间的摩擦力不足以抵抗由风载产生的水平力而使螺 栓受剪，而柱脚螺栓一般不允许承受剪力。因此，有些设计者为 增大摩擦力而增大了柱脚底板尺寸，但是增大柱脚底板尺寸不能 增大摩擦力。正确的做法是增加抗剪键，抗剪键通常用型钢制 考虑，对于轻钢结构而言，由于柱网尺寸较大，上部结构传至柱脚 的内力较小，一般以基础为主。若地质条件较差，可考虑采 用条形基础，遇到不良地质情况，可考虑采用桩基础。一般情况 作。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（ＣＥＣＳ１０２：２００２）中 规定柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力，此水平剪力 （Ｑ）可由底板与混凝土基础间的摩擦力（Ｆ＝０．４Ｎ）或设置的抗剪 下不采用片筏基础和箱形基础。 ４．２ 轻钢结构柱脚刚接、铰接的实现柱脚根据能否抵抗弯矩 分为刚接柱脚或铰接柱脚。在实际工程中，绝对刚接或绝对铰接 都是不可能的，确切地说应该是一种半刚接半铰接状态。刚接和 铰接柱脚关键在于锚栓布置，铰接柱脚一般采用两个锚栓，刚接 柱脚一般采用四个或四个以上锚栓连接。柱脚的刚接与否在于 对侧移的控制，如果结构对侧移控制较严，则采用刚接柱脚，例如 有吊车荷载的情况，吊车荷载是动力荷载，对侧移比较敏感，而且 侧移过大会造成吊车卡轨现象，此时应将柱脚设计成刚接柱脚； 对工程上常见的门式钢架，柱脚通常设计成铰接，以减少造价。 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（ＣＥＣＳ１０２：２００２）第４．１．４ 条规定：“轻型门式刚架的柱脚多按铰接支承设计，通常为平板支 座，设一对或两对地脚螺栓来实现。当用于工业厂房且有５ｔ以上 桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。”除此以外，轻钢门式刚架的 柱脚是采用铰接还是刚接还要看房屋的高度和风荷载的大小，如 果房屋的高度较大而风荷载也较大，即使是无吊车的情况，如果 柱脚采用铰接，柱顶位移较大，为控制柱顶位移则要靠增大梁柱 断面，增加用钢量来实现；另外，门式刚架的柱脚是采用铰接还是 刚接还要考虑土质情况及基础造价。采用刚接柱脚，由于基础要 承受较大的偏心弯矩，基础的平面尺寸和造价较采用铰接柱脚的 基础要大；土质情况差的时候，相差会更大。因此，选用何种柱脚 形式要根据房屋的高度、风载大小、有无吊车、吊车的吨位和工作 情况及土质情况等综合考虑。 ４．３ 轻钢结构柱脚的计算与构造刚接柱脚和铰接柱脚的传力 机理不同，固对这两类柱脚的设计方法也不同。下面仅列出铰接 柱脚的计算方法与构造。刚接柱脚只是在铰接柱脚的基础上增 加了弯矩的作用效果，具体计算方法可参见相关文献。①底板面 积：Ｌ×Ｂ—Ａｏ≥ 式中Ｎ为柱轴心压力设计值；ｆａ为基础所用 Ｉａ 钢筋混凝土局部承压强度设计值；Ａ。为锚栓孔面积。②底板厚 度：ｔ＿＾／ ｛ 式中Ｍ 为底板弯矩，医 Ｖ Ｉ 具体数值根据底板的实际支 承情况确定；ｆ为底板强度设计值。③锚栓设计：锚栓将上部结构 荷载传给基础，在上部结构与下部结构之间起连接作用。锚栓除 了作为安装过程中的临时支撑以外，还能保证钢柱的定位和安装 的稳定性，将柱脚反力传给基础。一般柱脚铰接情况下可按下列 原则确定锚栓：跨度小于等于１８ｍ时，采用２个Ｍ２４；跨度小于等 于２７ｍ时，采用４个Ｍ２４；跨度大于等于３０ｍ时，采用４个Ｍ３０。 其中锚栓采用Ｑ２３５或Ｑ３４５钢制作，分为弯钩式和锚板式两种。 直径小于Ｍ３９的锚栓，一般为弯钩式，直径大于Ｍ３９的锚栓，一般 为锚板式，应采用双螺母。为了方便柱的安装和调整，柱底板上 锚栓孔为锚栓直径的１．５倍，或直接在底板上开缺口；底板上须 设置垫板，厚度根据底板确定，垫板上开孔较锚栓直径大１～ ２ｒａｍ，待安装，校正完毕后将垫板焊于底板上。柱脚锚栓在钢结构 中作用非常重要，在施工中应严格控制其预埋质量，只有这样，才 能保证安装的顺序和安装质量。 键承受。所以，判断柱脚是否需设置抗剪键是根据其受力情况确 定的，与柱脚的型式（铰接或刚接）无关。通常单层门式轻型钢结 构厂房的柱脚不论刚接或铰接均需设计抗剪键，因为厂房的自重 较轻，在风荷载作用下可能会在柱脚产生上拔力及水平剪力，此 时如果柱脚没有设置抗剪键，柱脚锚栓为拉弯构件，对于由普通 钢筋制成的锚栓是相当不利的。所以一般规范都不允许用柱脚 锚栓来承受水平剪力。 ４．５ 轻钢结构柱脚破坏型式及其措施对轻钢结构基础除发生 冲切、剪切破坏之外，由于存在较大的水平力，对于刚接柱脚，还 存在较大的弯矩作用，从而导致基础产生倾覆和滑移破坏。另 外，在风荷载较大的情况下，特别对于一些敞开和半敞开的结构， 轻钢结构自重很轻，有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力，导 致基础上拔破坏。柱脚的破坏形式主要有。①受拉侧锚栓屈服， 柱脚在有或没有微小滑移的情况下，刚体转动不断发展。②基础 外伸边缘尺寸过小，致使在底板压力作用下的混凝土基础边缘被 压裂。③混凝土抗压强度不足，在压力作用下基础发生局部承压 破坏。④锚栓端部的锚固力不足，整个锚栓呈椎体拔出。⑤锚栓 粘结力不足被拔出。⑥基础混凝土抗剪强度不足，使锚栓周围的 混凝土沿４５。斜线破坏。⑦锚栓受剪弯曲是，与锚栓接触的混凝 土产生永久变形而破坏。第一种锚栓屈服破坏时，混凝土部分是 完好的，此种受力作用能保证锚栓柱脚与基础的共同工作，只要 锚栓钢材的延伸率比较大，锚栓变形就可以保证柱脚有稳定饿变 形能力，符合抗震对节点变形能力的要求。除第一种外，其余六 种都与基础混凝土的破坏形式有关，这些破坏不能保证柱脚与基 础共同工作，而且在破坏前也没有较大的变形能力。只有锚栓屈 服的第一种破坏，才是合理的破坏模式，其他六种破坏模式，应在 基础设计中使之有足够的尺寸，或配置足够的加强钢筋，保证这 些破坏不出现。 ５ 结束语 当前，轻钢门式刚架结构仍具有很好的发展势头，它以其自 身的诸多优点，在工程中得到越来越广泛的应用。另一方面，仍 要求科研和生产部门，不断提高科研、设计、制作和安装的能力， 促进该结构更快的发展。在实际工程设计时工程人员应根据连 接节点的位置及其所要求的强度和刚度，合理地确定连接节点的 形式、连接节点的连接方式、细部构造，并且要遵循以下原则。① 在节点处内力传递简捷明确，安全可靠。②确保连接节点有足够 的强度和刚度；当有抗震设防的要求时，节点的承载力应按有关 规定大于杆件（梁、柱、斜杆）的承载力。③节点加工简便，施工安 装方便。④连接节点应该是经济合理的。 ４ 参考文献 ［１］李星荣、魏才昂、丁峙岘、李和华．钢结构连接节点设计手册 ［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００５．
