2 連接節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計
2．1 圓柱與框架梁的連接
2．1．1 中問層圓柱Lj框架梁的連接鋼框架柱的安裝單元采用帶外環(huán)板的懸臂梁段的柱貫通型單元，兩層為一個 元，柱高8．4 m，柱工地接頭設(shè)于主梁頂面以上1．0 m處。梁的安裝單元為每跨一根。帶外環(huán)板的懸臂段與框架梁相連，上、F翼緣采用全熔透工地焊接，腹板采用10．9級高強度螺栓摩擦型連接(圖2)。為了避免應(yīng)力集中，采用圖2a所示無折點平滑過渡的弧形環(huán)板。為外環(huán)板拼接處外環(huán)翼飯緣厚l{度l最同厚相者連 梁II tl ^ Il t1 、’ 一一12啄自U勁板a一節(jié)點平面；b一柱單兀圖2 中間層圓鋼柱與梁連接節(jié)點防止弧形環(huán)板受壓力時屈曲，在上、下環(huán)板之問設(shè)加勁板，采用角焊縫焊接。環(huán)板與柱之問在工廠采用全熔透等強焊接，腹板與柱采用雙面貼角焊。如果外環(huán)板采用無拼接整體下料，則鋼材浪費較大，為了*本I：程得到了黃宗瑜教授級高工的指導(dǎo)．特此致謝。，但要求錯開加勁肋位置，以避免焊縫重疊，外環(huán)板拼接焊縫采用全熔透等強焊接。鋼構(gòu)件在工廠焊接成安裝單元，在工地現(xiàn)場與梁拼裝。由于運輸?shù)南拗�，懸臂段長度與柱直徑總長控制在2．4 ITI以內(nèi)。
2．1．2 頂層圓柱與框架梁的連接頂層圓柱與框架梁的連接在構(gòu)造上有別于中間各層(圖3)，若頂層仍采用中問各層的構(gòu)造，在柱頂需設(shè)置封頭隔板(圖3b)，這種連接形式在焊接和受力時容易產(chǎn)生柱壁鋼板層狀撕裂現(xiàn)象。在節(jié)點設(shè)計三一 外環(huán)板厚度 豐H連梁冀緣中最厚者Il Il 、 一12厚加勁板中，節(jié)點的構(gòu)造應(yīng)避免采用約束度大和易產(chǎn)生層狀撕裂的連接形式。有兩種構(gòu)造方案可選擇：1)在圖3b的基礎(chǔ)上將圓柱端頭伸出接頭焊縫區(qū)，伸出長度不小于柱管壁厚度(圖3c)；2)將上環(huán)板下料成不開洞的整板與柱相連(圖3d)。兩種構(gòu)造形式中方案1能改善、方案2能防止焊接時柱壁鋼板的層狀撕裂。本工程屋面大部分為無鋼筋混凝土樓板的玻璃采光屋面，建筑要求屋面結(jié)構(gòu)平整，無凸出結(jié)構(gòu)部件，因此方案1不能滿足建筑要求。本工程采用方案2，即上環(huán)板整體下料，可避免層狀撕裂的現(xiàn)象出現(xiàn)，并減少了一圈焊縫，不足之處是鋼板下料浪費較大。封頭隔板 封頭隔板一 l一1240(J，a ba 節(jié)點平面；b一不應(yīng)采用的連接；c一可采用的連接；d圖3 頂層圓鋼柱與梁連接節(jié)點
2．2 中部轉(zhuǎn)換桁架與柱的連接
2．2．1 節(jié)點處構(gòu)造中部轉(zhuǎn)換桁架上、下弦桿采用箱形截面，尺寸為800 mm X 800 mm，壁厚50 mm。腹桿采用 10、壁厚36 ITtrlq．的鋼管。由于建筑要求，腹桿與弦桿連接時轉(zhuǎn)換成十字板連接。支承桁架的框架柱采用形截面，在與弦、腹桿連接的部位柱截面變?yōu)榭谛螤�。中部轉(zhuǎn)換桁架是該工程最重要的受力構(gòu)件之一， 除考慮桁架自身滿足各種工況的受力及變形要求外，桁架與柱的連接構(gòu)造便成為設(shè)計的重點，構(gòu)造上要保證連接處受力可靠、傳力明確、焊接牢固、易于施工。桁架與柱的連接焊縫若設(shè)置在柱邊，則焊縫將位于受力最大處，并且現(xiàn)場拼接焊時其各構(gòu)件已處于約束狀態(tài)，桁架上弦上翼板采用圖4b所示連接方式在焊接時易出現(xiàn)柱翼板(板厚50 ram)的層狀撕裂，采用圖4c所示連接方式則焊縫與柱截面焊縫存在部分堆積現(xiàn)象。本工程采取桁架上、下弦桿連接面外移至距柱邊600 mm處焊接(圖4d)，將節(jié)點本工程采用的連接七蓋板整體下料d處柱兩側(cè)翼緣鋼板包括外伸段600 mm 整體下料(圖4e)，這個尺寸是根據(jù)運輸要求而決定的(要求構(gòu)件最寬處≤2．4 ITI)。在桁架上、下弦桿的翼板處按規(guī)范⋯要求應(yīng)在柱內(nèi)設(shè)置隔板，但口形柱中間兩區(qū)格無論采取任何焊接方法，都無法保證隔板四邊均與柱腹板焊接。本工程采取往口形柱中間兩區(qū)格灌C40混凝土的方式來改善其傳力性能，其余四邊區(qū)格仍采取加隔板的構(gòu)造措施(圖4f)。
2．2．2 桁架弦桿拼接焊縫構(gòu)造桁架上、下弦桿與柱連接采用直縫現(xiàn)場焊接，這樣下翼板焊縫必然會出現(xiàn)仰焊，如此大的焊縫采用仰焊其施工難度大，且焊縫質(zhì)量也不易保證。為了避免仰焊，桁架在制作時取掉一塊上翼板(圖5)，焊工進入箱形斷面內(nèi)焊接下翼板(800 mm X 800 mm的箱形斷面內(nèi)有足夠的焊接空間)，最后焊上小塊上翼板，所有連接焊縫均采用二氧化碳氣體保護電弧剖口焊。由于桁架外露，為保證建筑美觀要求，桁架弦桿下翼板采用不加墊板背面清根的剖口焊，其余剖口焊背面均加焊接墊板。2 鋼結(jié)構(gòu)2004年第6期第19卷總第75期維普資訊 http://www.cqvip.com何建波，等：成都高新科技商務(wù)廣場c座鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計桁架I．弦I 篼板 拄頂隔板柱頂隔板外伸 鋼柱內(nèi)灌c l混凝土a 連接 ；b 易廣：'t- 狀撕裂的焊接；C一焊縫堆積的焊接；d一采用的焊接；e 鋼柱側(cè)板下料；f 節(jié)點處鋼柱斷面圖4 『}1部轉(zhuǎn)換桁架 柱連接陶5 桁架弦桿拼援
2．3 對鋼材Z向性能的要求《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2001)規(guī)定：采用焊接連接的鋼結(jié)構(gòu)，當鋼板厚不小于40 mm且承受沿板厚度方向的拉力時，應(yīng)按《厚度方向性能鋼板》(GB 50313—85)的規(guī)定，板厚方向的斷面收縮率不應(yīng)小于該標準ZI5級規(guī)定的允許值；《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—98)對此的要求是鋼板厚度等于或大于50 mm�！督ㄖ摻Y(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》(JGJ 99—91)規(guī)定：對較厚的板件(≥ 25mm)，在T形接頭、角接接頭和十字形接頭中應(yīng)采取防止層狀撕裂的措施。規(guī)范規(guī)定的厚鋼板Z向性能ZI5是最低要求，影響層狀撕裂的因素很多，如鋼材的含硫量、節(jié)點設(shè)計的合理性、焊接工藝的合理性等。設(shè)計中要注意不要以為厚鋼板有了ZI5的保證就可以高枕無憂，對復(fù)雜的連接應(yīng)進行層狀撕裂危險性指數(shù)(LTR)⋯ 評價，以確保連接的可靠性。對本工程中焊接復(fù)雜且鋼板厚度大的構(gòu)件——中部轉(zhuǎn)換桁架與柱連接處的柱斷面(圖6)進行層狀撕裂危險性指數(shù)(LTR)評價，驗證ZI5級是否滿足層狀撕裂的要求，否則通過選擇合理的焊接工藝和提高鋼板的Z向性能級別來滿足要求。在桁架與柱的連接處，柱截面形式為圖4f所示，其組合焊縫在節(jié)點區(qū)域均要求全熔透焊，為了減小焊接變形及對鋼板層狀撕裂的影響，盡量采取雙面剖口焊及窄間隙焊。對圖6中的焊接接頭進行層狀撕裂綜合危險性系數(shù)(ELTR)計算：ΣLTR=INF(A)+INF(B)+INF(C)+INF(D)+INF(E) (1)式中 INF(A)—— 焊縫有效厚度的影響取0．3S，S為焊縫有效厚度；INF(B)—— 焊接形式的影響；INF(C)—— 接頭橫向拘束的影響取0．2 ；INF(D)—— 拘束度的影響；INF(E)—— 預(yù)熱條件的影響，不預(yù)熱取0，預(yù)熱溫度>100
℃時取一8。焊接接頭1：ΣLTR=33．7焊接接頭2：ΣLTR=25．9焊接接頭3：ΣLTR=22焊接接頭4：ΣLTR=75fJ 8(J圖6 與桁架連接處的柱斷面焊接表1表示層狀撕裂綜合危險性(ΣLTR)程度不同所要求的鋼材厚度方向斷面收縮率 值，ELTR值為實際工程中各種影響因素的總和。根據(jù)《厚度方向性能鋼板》(GB 5313—85)中斷面收縮率 與鋼材Z向級別的對應(yīng)關(guān)系可知：接頭1、接頭2要求鋼板Z向性能級別為Z35，接頭3要求鋼板Z向性能級別為Z25，接頭4可不要求鋼板Z向性能。據(jù)此本工程要求此部分的80 mlTl厚鋼板Z向性能達Steel Construction．2004(6)，Vo1．19，No．75 3板槽焊鋼開塞㈣一一一
溫州鋼結(jié)構(gòu)新聞 http://www.zgsdsw.com高層鋼結(jié)構(gòu)到Z35級，50 mm 厚鋼板Z向性能達到Z25級要求，同時焊接時要求預(yù)熱，預(yù)熱溫度>100
℃ 。表1 ~．LTR與對應(yīng)的 要求值LTR要求的 ／％平均值 最小值
2．4 鑄鋼件構(gòu)造本工程1～2層為十字形和H三H形柱，以上各層為圓管柱，轉(zhuǎn)換桁架上也為圓管柱，采用上圓下方鑄鋼件作為兩種形式柱及轉(zhuǎn)換桁架上柱的過渡，共用鑄鋼件116個，鑄鋼節(jié)點系首次在我國高層鋼結(jié)構(gòu)框架中使用。其中用量最大的鑄鋼件形式見圖7，該鑄鋼件重1．58 t。鑄鋼件上連圓管柱，下連十字形柱(與鑄鋼件連接處十字柱變?yōu)榉叫沃?，豎向拐點位置即是連接H型鋼框架梁上下翼緣的位置，錐臺上下各設(shè)一道隔板，既是H型框架梁連接受力的需要，同時也是增強鑄鋼件整體剛度的需要。鑄鋼件壁厚根據(jù)鑄鋼與框架柱鋼材的設(shè)計強度換算而來。。l2—2。圖7 十字柱與圓柱轉(zhuǎn)換鑄鋼件鑄鋼件采用砂型鑄造方法制造，構(gòu)造上所有內(nèi)折角必須做成圓角，同時中間兩隔板必須開洞以便脫模，內(nèi)折角的圓角半徑及隔板開洞大小先根據(jù)砂型鑄造工藝要求初步確定，再用有限元軟件進行鑄鋼節(jié)點受力分析并進行局部尺寸調(diào)整。本工程對鑄鋼節(jié)點進行了低周反復(fù)荷載抗震試驗和靜力試驗，試驗表明節(jié)點能滿足受力及延性的要求。為保證鑄鋼節(jié)點滿足設(shè)計要求，對鑄鋼件的力學(xué)性能、化學(xué)成分、延性、可焊性、外觀、制造、檢驗等提出了必須滿足的條件，以保證鑄鋼件的成功應(yīng)用。表2為本工程“鑄鋼件交貨技術(shù)條件”中外形尺寸允許偏差的要求，對無法用人工測量的壁厚，要求用測厚儀測量。表2 鑄鋼件尺寸偏差要求3 結(jié)束語鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施應(yīng)包括：避免采用有應(yīng)力集中的構(gòu)造；設(shè)計中應(yīng)盡量避免有層狀撕裂現(xiàn)象的連接形式；避免采用有層狀撕裂現(xiàn)象的焊接方式；避免采用高空仰焊的連接方式等。為了保證最合理的構(gòu)造設(shè)計，設(shè)計中需要鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝單位的參與，這樣才能確定出合理、可行的方案。
參考文獻
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2 代寫工程碩士論文趙金城．高溫下鋼材力學(xué)性能的試驗研究．建筑結(jié)構(gòu)，2000，30(4)
3李國強，蔣首超，林桂祥．鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計 北京：中國建筑工業(yè)出版社，19994 鋼結(jié)構(gòu)
企業(yè)新聞
中國大型鋼結(jié)構(gòu)工程開展情況及成績