钢结构住宅节点优化的可行性分析

钢结构住宅节点优化的可行性分析一、项目的背景及意义钢结构住宅结构中，各种构件需要在工厂或工地结合在一起才能成为完整的结构体系。钢结构之间的连接，即钢结构节点连接是钢结构工程的重点。许多钢结构事故及震害都表明，钢结构大多是由于节点的破坏而导致整体结构的破坏。目前钢结构节点的连接形式主要有全焊连接、高强度螺栓连接和栓焊混合连接。这其中焊接已成为主要的连接方式之一，目前应用最多是手工电弧焊和自动埋弧焊，它们均利用电弧产生的热能使连接处的焊接材料和焊条熔化，冷却后共同形成焊缝使两焊件连成一体。焊接时焊缝及周围产生局部高温的不均匀温度场。高温部分钢材要求向外膨胀伸长但受到临近钢材的约束，在焊接件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中随时间和温度的变化形成焊接应力。焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形。对于多跨钢框架，节点焊接的残余应力和残余变形将在梁轴线方向上积累。同时由于现场拼接时施工的不善，也会造成对钢结构整体刚性的影响。因此对住宅钢结构节点的优化，特别是采用拆解式钢结构件，将焊接改为螺接或栓焊混合连接，不但可以避免上述问题，而且它可以完全实现工厂化的生产，从而缩短施工周期，提高施工效率，降低生产成本。同时这也符合钢结构的发展趋势。二、可行性分析1技术设计上的可行性分析钢结构节点连接中高强度螺栓连接是一种新型连接形式，目前在国外已得到普遍使用，尤其是在高层和超高层钢结构连接节点均采用了高强度螺栓连接方式。这种连接方式可简化制造和安装工艺，对结构承受动载十分有利，这种连接方式的施工要求十分严格，其连接的整体性和刚度较好。根据钢结构的荷载和钢结构住宅自身条件，钢结构节点连接用高强度螺栓可分为承压型和摩擦型两种。在对摩擦型高强度螺栓连接进行抗剪设计时是以外剪力达到由螺栓预压力所能提供的最大摩擦力为极限的。设计过程中要保证摩擦力完全能承受整个使用期间外剪力，螺栓杆和孔壁间始终保持原有空隙使板件间不会发生相对滑移变形。承压型高强度螺栓连接设计只考虑在正常使用荷载作用下剪力不超过最大摩擦力。采用高强度螺栓连接，螺栓受拉力主要靠板件间夹紧力的减少来承受，在接触面的正压力产生很大的摩擦力，它能提供正常荷载下的拉力。按照≤钢结构高强度螺栓连接技术规程≥和≤高层民用建筑钢结构技术规范≥中的规定，通过计算来来选用高强度螺栓连接类型。其节点连接（见下图）主要是通过柱翼缘或腹板上的连接板与梁腹板或翼缘用高强度螺栓连接，同时在梁翼缘对应的位置设置柱的水平加劲筋来加固。所用螺栓的数目，列数按受力荷载不用可通过下式计算获得：（其中n为高强度螺栓数目，N为高强度螺栓抗拉承载力，[N]min为高强度螺栓抗剪和承压承载力设计值的较小者）对于高强度螺栓连接的选型要考虑这些因素：荷载类型、结构受力特点以及连接部位等。由于摩擦型高强度螺栓连接具有整体性和刚度好、变形小、耐疲劳、传力可靠等优点，适用于高空安装连接。采用栓焊连接方式在设计过程中，可适当根据“强节点弱杆件”的原则来加强节点（见下图），在不失稳的前提下，适当削弱梁，使在梁上出现“塑性铰”，以避免增加结构的刚度和接头部位的应力集中。腹板上的工艺孔应平滑过渡，在满足腹板连接强度条件下，适当加大工艺孔，不仅能有效避免应力集中，同时还便于施焊，有利于提高焊缝质量。针对焊接缺陷，在设计时尽量使构件各部分刚度和焊缝均匀布置，对称设置焊缝，减少交叉和密集焊缝。制定合理的施工顺序，以减小刚结构节点处的变形。2施工安装的可行性分析随着钢结构的蓬勃发展，各种专项的钢结构生产线设计制造出来，并投入使用，钢结构各构件已实现了工厂化生产。因此，可根据设计要求将钢结构各构件以单元的形式事先在工厂用螺栓或者栓焊进行拼接安装，在运输到工地现场进行吊装拼接，以减少现场焊接的频率。对于现场焊接部分，焊接施工人员要在提高自身焊接技能的同时，焊前制定合理的焊接施工顺序，严格按照焊接施工工艺要求施焊。选择合理的焊接规范和线能，改善焊缝及热影响区组织状态，如焊前预热等。焊条可以选择碱性焊条或焊剂，降低焊缝中的扩散氧含量。焊接后及时进行热处理：一是进行退火处理，以消除内应力，使淬火组织回火，改善其韧性；二是进行消氢处理，使氢从焊接接头处充分逸出，减少焊接处裂纹的出现。三、总结通过上面的分析可以发现，钢结构住宅节点可根据钢结构本身的特点，通过现有技术和设施，改善设计方法，减少焊接节点，改用高强度螺栓连接或栓焊混合连接。在保证结构体系的整体性能的同时又简化了现场施工步骤，缩短了施工周期，节省成本，符合钢结构发展趋势，对于住宅钢结构的产业化发展也有利，因此钢结构节点的优化是有必要进行的，也是可以实施的。