梁柱焊接节点范文

梁柱焊接节点范文（精选7篇）

梁柱焊接节点 第1篇

钢结构被认为是具有优良抗震性能的建筑结构,其在地震作用下可以产生较大的塑性变形,吸收地震能量,保持自身的结构稳定性。虽然钢结构有如此优越的抗震性能,但在强震作用下也会遭到破坏,如在1994年美国的北岭地震和1995年日本的阪神地震中,钢结构受到严重破坏[1],破坏位置多位于梁柱焊接节点处,并且焊接节点的破坏原因主要与焊接因素相关。近年来国内外学者对焊接节点的抗震性能进行了一些研究:李国强等[2]对梁柱焊接节点的断裂行为进行了探讨,认为优化焊接质量及结构设计方案可提高梁柱焊接节点的承载力;焦燏烽等[3]通过梁柱的全焊节点和栓焊节点在地震作用下的非线性时程对比分析,认为栓焊节点的抗震力学性能更为突出;李杰等[4]探讨了狗骨式节点及典型梁柱焊接节点在地震作用下的损伤行为,计算表明狗骨式节点对地震能量有较好的吸收,损伤要小于普通焊接节点的损伤;吴艾辉等[5]结合有限元分析和物理试验,对比分析有无缺陷的角接T型节点,认为缺陷的分布和形态对焊接节点的强度有很大的影响;T.D.Righiniotis等[6]建立了简化二维裂纹模型来评估梁柱焊接节点的下翼缘焊缝稳定性;Kawabata Y等[7]分析了翼缘不同位置焊接缺陷对工厂焊接节点和现场焊接节点的影响。

焊接缺陷导致局部应力集中更为严重,使部分区域提前进入塑性阶段,对节点的抗震性能造成不利的影响。如前文所述,国内外学者对梁柱焊接节点进行了一定的研究,但仍有一定的局限性,文献[2]~[4]均是把节点作为匀质材料,并忽略焊接缺陷的影响;文献[5]对于焊接缺陷的研究只是局限于受拉状态,并不完全适用于梁柱节点的压拉混合状态;文献[6]对在腹板和上翼缘处的缺陷研究不足;文献[7]研究的焊接缺陷位于上下翼缘的两端,没有考虑翼缘中部及腹板处缺陷的影响。按照现有规范[8]对一级的焊缝要进行100%的检查,二级焊缝进行不小于20%的抽检,但是由于客观因素的存在,仍不能完全确保焊缝的无损性,因此研究焊接缺陷对节点抗震性能的影响显得非常重要。本文采用通用有限元软件ANSYS,建立梁柱节点的非线性有限元分析模型,结合国内外梁柱节点的典型试验,对比分析不同位置和尺寸的焊接残渣和裂纹在循环荷载作用下对节点损伤的影响。

1 损伤模型

对于承受循环荷载作用的结构,通常会发生疲劳破坏特征,根据循环次数,可分为高周疲劳破坏、低周疲劳破坏和超低周疲劳破坏3种主要形式[9]。①高周疲劳破坏:循环次数N>104次,应力和应变一般都在弹性范围内;②低周疲劳破坏:循环次数104>N>102,应力和应变会部分进入塑性阶段[10];③超低周疲劳破坏:循环次数N<102次,应力和应变会进入深度塑性阶段。地震作用下结构的破坏一般属于超低周疲劳破坏的范畴,结构进入材料非线性区,累积损伤对结构的影响不容忽略。对于累积损伤问题的研究通常是引入损伤指数DM,表达式一般为[11]。

式中:Δ1,Δ2,…,Δn是反映结构力学性能变化的参数,称为损伤参数。

损伤指数DM应具有如下性质:

(1)损伤指数DM的范围应在[0,1]之间。当DM=0时,对应无损状态;当DM=1时,表示结构或构件完全破坏;当0<DM<1时,表示结构不同程度的损伤状态。

(2)损伤指数DM应为单调递增函数,即结构损伤向着增大的方向发展,且损伤不可逆。

损伤指数DM一般主要包含以下3个方面[6]:以能量耗散为自变量,包括刚度、承载力及循环滞回能的退化;以变形为自变量,从构件塑性累积变形方面考虑损伤程度;综合考虑变形和能量双变量为自变量[12]。

为了符合损伤指数的定义、模型的通用性以及便于有限元中的应用,本文引入以应变为自变量的加权线性组合损伤模型[13,14],本模型增大了最大变形对损伤影响的权重:

式中:为荷载对结构造成的最大塑性应变;为第i次加载时的塑性应变;为材料的极限塑性应变;β为权重。

对于本算例中的型钢材料性能[11],弹性模量E=2.1×105MPa,屈服强度σs=310 MPa,强度极限σb=445 MPa,屈服应变εs=0.001 62,极限应变εu=0.241 85,权重β=0.008 1。

2 有限元模型

2.1 梁柱节点

根据现行建筑抗震设计规范[15],选用“强柱弱梁”设计,采用工字型钢柱和梁的型号分别为HM500×300、HM300×200,梁的长度为2m。梁柱材料均为Q235级钢,所有节点焊缝均为全溶透焊缝,焊条为与母材相匹配的E43型焊材,考虑工艺孔的细部构造。节点结构如图1所示。

2.2 焊接缺陷的考虑

焊接过程中会产生气孔、夹渣、裂纹及外观缺陷等焊接缺陷,这些缺陷减小了焊缝有效截面积,降低承载能力,产生应力集中,引起裂纹,降低疲劳强度[16]。在模型计算中,对于气孔缺陷,其形状似空心球体,可采用将空心球体加入到焊缝位置进行替换;对于内含夹杂物的焊接缺陷,由于夹杂物的强度和质量一般都小于周围金属的强度和质量,同时参照其他行业对焊接缺陷的模拟,也可采用空心球体来模拟残渣缺陷[17];对于裂纹缺陷,可用厚度很小的空心长方体来模拟;由于外观缺陷容易发现排查,故本文不考虑焊缝的外观缺陷。

2.3 荷载条件及材料参数

在对地震作用的模拟中,一般以位移作为控制值,或以屈服位移的倍数作为控制值,或以荷载作为控制值。为便于有限元分析,本文在分析过程中借鉴文献[4]的加载模式,以荷载作为控制值,以振幅递增的循环荷载模拟地震,每次增幅为100kPa。由于在试算过程中,竖向荷载为400kPa时部分单元进入材料塑性区,故取500kPa为第一次施加的荷载,分析中考虑梁的自重对结构的影响。加载历程如图2所示。对比其他文献的试验研究,本文以竖直方向的循环荷载来模拟地震作用。

2.4 计算模型

根据节点实际构造,为方便对节点的有限元分析,计算过程中节点按匀质材料处理,不考虑栓接对节点的影响。有限元分析以图3所示的节点构造为分析原型。采用20节点Solid95单元,共有56 839个节点,28 259个单元,有限元模型如图3所示。

3 有限元分析

梁所受荷载一般由楼板均布作用在梁的上翼缘,为了反应真实结构的荷载传递情况,在梁上翼缘施加均布竖向循环荷载。计算中材料非线性按照Von Mises屈服准则及相关流动法则处理,采用多线性随动强化分析方法。材料泊松比为0.3,在循环荷载作用下的应力-应变关系参照文献[18]中所述的循环应力-应变关系。加载历程如前文所述见图2所示。

为得到节点中不同位置的焊接缺陷对节点损伤的影响,本文在节点不同位置采用近似替代法模拟焊接缺陷。考虑到结构的对称性,在节点上下翼缘及腹板的不同位置模拟焊接缺陷,缺陷位置如图4所示。

3.1 残渣对节点损伤的影响

参考文献[17]对焊接残渣的处理方法,本文分别用直径为2和5mm的空心球体在前文所述位置模拟焊接残渣。模拟得到的塑性应变如图5所示,根据损伤模型计算得到损伤指数如图6所示。在循环荷载结束时,不同位置焊接残渣的节点损伤指数与无缺陷状态下节点损伤指数的比值如表1所示。分析计算结果得到:随着循环次数的增加,残渣位置的不同对节点造成的损伤差异逐渐增大。残渣位于翼缘外侧位置对节点损伤造成的影响较小,A处、G处有残渣的节点损伤指数均明显小于其他位置有残渣的节点损伤指数;位于腹板不同位置的残渣对节点损伤的影响也有一定的差异,腹板中部的焊接残渣对节点损伤的影响相对较小,而下部的焊接残渣对节点损伤的影响相对较大;F处有残渣的节点损伤指数最大,该处直径5mm残渣和直径2mm残渣的节点损伤指数分别为无缺陷节点损伤指数的2.24倍和1.89倍。残渣大小对节点损伤指数也有一定的影响,并且随残渣位置的不同而变化,残渣大小引起损伤指数的最大差异位于F处,F处直径5mm残渣的节点损伤指数比直径2mm残渣的节点损伤指数大19%。

3.2 裂纹对节点损伤的影响

参考文献[6]对焊接裂缝的处理方法,本文分别采用0.1mm×2mm×5mm及0.1mm×2mm×10mm的长方体在前文所述位置模拟焊接裂纹。模拟得到的塑性应变如图7所示,根据损伤模型计算得到损伤指数如图8所示。在循环荷载结束时,焊接裂缝位于不同位置的节点损伤指数与无缺陷状态下节点损伤指数的比值如表2所示。分析计算结果得到:随着循环次数的增加,不同位置的焊接裂纹对节点损伤的影响不同,其中位于翼缘外侧位置A处、G处的裂纹对节点损伤造成的影响相对较小,这两处的节点损伤指数均明显小于其他位置有裂纹的节点损伤指数;腹板不同位置的裂纹对节点损伤指数的影响也有一定的差异,下部裂纹对节点损伤指数的影响较大,中上部裂纹对节点的损伤指数影响较小;F处有裂纹的节点损伤指数最大,该处长度10mm裂纹和长度5mm裂纹的节点损伤指数分别为无缺陷节点损伤指数的2.11倍和1.99倍。裂纹的长短对节点损伤指数也有一定的影响,并且随裂纹位置的不同而变化,裂纹长短引起损伤指数的最大差异位于G处,G处长度10mm裂纹的节点损伤指数比长度5mm裂纹的节点损伤指数大20%。

图7有焊接裂纹梁柱节点在循环荷载下的塑性应变Fig.7 Plastic strain of welds with the crack

通过前文的有限元模拟分析,在循环荷载作用下,焊接缺陷的类型、大小及所处位置对结构累积损伤均造成不同程度的影响,分析中不能简单地通过名义承载面积减去缺陷面积来计算。通过上述4组数据可以看出,F处的焊接缺陷对节点造成的影响最大,这与实际地震中下翼缘焊缝更容易发生脆断[19]相吻合。由计算结果可知工艺孔附近区域的焊接缺陷对结构的损伤造成的影响较大,这是由于工艺孔的存在造成了几何形状的突变,易形成应力集中,而附近的焊接缺陷导致局部应力集中更为严重。相较于同类型的缺陷,对大部分位置,缺陷体越大,对结构的损伤造成的影响越大。不同的荷载条件,焊缝对节点的损伤不同,在荷载幅较小的条件下,有缺陷节点的塑性变形与无缺陷节点的塑性变形相差不大,随着应力幅值的增大,有缺陷节点的塑性变形与无缺陷节点的塑性变形差值逐渐增大,导致节点损伤指数急剧上升。虽然荷载每步增量是固定值,但节点的塑性应变及损伤指数不呈线性增长,而是接近指数型增长,说明节点在部分单元进入塑性区后其承载能力显著下降。

4 结论

根据对不同位置的焊接缺陷在模拟地震作用下的累积损伤的研究,得出以下结论。

(1)焊接缺陷不仅削弱节点的有效承载截面,对结构的累积损伤也会造成较大的影响,有焊接缺陷节点的损伤指数可达无缺陷节点的2.24倍,其与焊接缺陷的位置和尺寸存在较大的关系。在节点抗震分析过程中,应综合考虑焊接缺陷的分布和形态大小。

(2)梁柱焊接节点焊接缺陷位置和尺寸的不同对节点损伤的影响不同。其中两翼缘外侧位置的影响比内侧小,梁腹板下部位置缺陷的影响大于腹板上部和腹板中部的影响,对全截面损伤指数影响最大的焊接缺陷位于在腹板与下翼缘的交接处。因此在对梁柱节点的焊缝进行无损检测时,应重点对工艺孔附近的焊缝进行检测。

钢框架梁柱节点抗震性能研究 第2篇

被写入规范的梁和柱全焊连接节点作为具有较好延性性能的抗震结构予以推荐, 但发生在美国和日本的两次大地震中却暴露出这种节点的弱点, 大量框架梁柱连接节点处发生了脆性破坏, 梁端没有形成塑性铰, 裂缝多数出现在焊缝与柱的交界面处, 有的延伸到柱翼缘甚至腹板[3,4,5]。本文对节点进行有限元对比分析, 探讨节点区应力集中程度、耗能, 采用有限元分析方法对四种构造改进型节点抗震性能、极限承载力、刚度变化等方面进行分析。

1 节点传力机理

钢框架节点在地震作用下承受柱和框架梁传来的轴向力、弯矩、剪力和扭矩[4], 对于一般可简化为平面体系的框架结构, 扭矩的影响可以忽略不计;此外, 对于大多数连接来说, 轴向变形、剪切变形与转动变形相比都比较小。

2 有限元节点

2.1 材料特性参数

节点中所有材料的应力应变关系均采用理想弹塑性随动强化节点, 其中螺栓屈服强度为990 MPa, 极限强度为1 160 MPa, 其余杆件部分钢材的屈服强度为215 MPa, 钢材弹性模量取E=2.06×105 MPa, 泊松比0.3, 屈服准则采用von-Mises屈服准则, 强化准则采用双线性随动强化 (BKIN) 准则;采用10.9级M20摩擦型高强螺栓, 每个高强度螺栓的初始预拉力为155 kN, 各部分摩擦面抗滑移系数均取0.4。

2.2 节点细部构造

根据本文分析特点, 节点采用三维实体单元、接触单元、预拉伸单元;对梁柱构件、螺栓、角钢、加劲肋实体都用Solid45单元来建立节点;节点中的螺栓端板间存在大量的接触区, 采用Targe170单元和Conta174单元来模拟其表面接触面;螺栓预拉力采用Prets179单元来施加。具体细部构造见图1, 其中全焊接节点KJ-1, 栓焊连接节点KJ-2, 焊接梁柱加腋节点KJ-3, 焊接盖板节点KJ-4。

2.3 节点尺寸

四个节点梁柱尺寸完全相同, 梁长1 000 mm, 柱长1 500 mm;柱上相应梁上下翼缘部位加劲板厚8 mm, KJ-2等肢角钢厚8 mm, 肢长50 mm, 角钢长120 mm。依据文献[5], KJ-3腋板厚度取10 mm, 宽度100 mm, 高度150 mm, 倾角θ=45°;节点KJ-4盖板厚度10 mm, 宽与梁宽相同, 长度取100 mm。

2.4 约束条件和加载方式

采用柱上下两端面内节点位移全部进行约束的方式来模拟柱上下截面的刚接, 由圣维南原理可知, 这样模拟边界条件仅影响柱端部较小范围内应力分布, 而对所需重点研究的节点应力分布无影响, 为避免加载过程中梁端产生扭转, 将加载点加载方向的位移进行耦合, 这样会造成加载点局部应力集中, 但对重点分析的节点域部位力学性能影响不大。

在梁端进行低周往复加载, 小于120 kN时每次递增40 kN, 大于120 kN时每次递增20 kN, 直到节点破坏。

3 往复加载分析

3.1 承载力分析

从有限元计算结果看到节点KJ-3, KJ-4极限承载力比KJ-1, KJ-2提高很多, KJ-2比KJ-1向下承载力提高50%, 说明采用栓焊连接也可提高承载力, 这与以往的试验研究得到的结论相一致[1,2]。极限承载力的提高, 提高了结构的安全储备, 从而降低因偶然荷载作用可能导致的结构破坏的可能性。

3.2 梁上翼缘应力分析

如图2a) 所示为节点在往复加载到极限状态时, 应力沿梁上翼缘长度方向的分布情况。依据经典力学理论, 应力沿梁长度方向应呈单调递减, 可看到除KJ-3由于加腋板的存在, 使得其应力发生突变外, 其余节点均满足此种力学特征。KJ-2梁翼缘应力小于屈服强度未进入塑性状态, 说明在内力较大的梁柱交接处, 角钢可分担一部分荷载的传递, 减小外力对梁上下翼缘板的作用。如图2b) 所示为极限状态时, 应力沿梁上翼缘宽度方向分布情况, 可看到应力数值分布相对较为均匀, 应力数值相对较小。

4 抗震性能分析

4.1 滞回性能分析

图3给出了各个节点梁端荷载位移曲线, 由图3可知:1) 在开始的几个循环中, 节点处于弹性阶段, 刚度没有明显降低, 卸载曲线和加载曲线的弹性部分接近平行, 恢复滞后现象基本没有, 随着荷载的增加, 四种节点都是在荷载大约达到120 kN时曲线斜率明显降低, 说明开始由完全弹性进入弹塑性, 刚度退化, KJ-3和KJ-4节点表现出了饱满、稳定的滞回性能, 具有很好的耗能能力, KJ-1和KJ-2滞回性能相对较弱。2) KJ-3和KJ-4正向刚度小于反向刚度, 所以向下加载时梁悬臂端位移较大;还有每次循环加载都从向下加载开始, 导致产生向下的位移要由向上的荷载先弥合, 然后才能产生向上的位移, 从图3中也可看到向上刚度几乎没有退化, 荷载位移曲线基本为直线。3) KJ-4连接节点包络图面积最饱满, 表现出最好的延性, 说明采用该种节点构造时, 节点具有较好的耗能能力, 且梁端位移较大, 破坏前会给人以警示;节点域力学性能得到较好改善。

4.2 骨架曲线分析

由图4可知:1) KJ-1, KJ-2刚刚进入弹塑性状态就已经破坏;节点初始刚度很接近, 但可看到KJ-4比KJ-3刚度退化得要快些。2) 几个节点的屈服位移数值较为接近, 尤其是反向屈服时, 位移数值接近相等, 正向屈服位移值:KJ-3和KJ-4大于KJ-1和KJ-2的;极限位移值:KJ-4大于KJ-3的。

4.3 节点耗能能力及延性分析

耗能能力是评价结构抗震性能的重要指标。粘滞阻尼系数he可用来表达结构构件的耗能能力 (取每个节点最后一个完整的滞回环面积计算) ;位移延性系数反映结构、构件非线性变形能力, 是评价结构抗震性能的重要指标。

所有节点的等效粘滞阻尼系数和位移延性系数见表1, 等效粘滞阻尼系数值越大, 耗能能力越好, 由表1可知, 节点KJ-3, KJ-4具有较好耗能能力;加载到屈服状态后, 节点的延性较好, KJ-2, KJ-1次之, 这与骨架曲线的对比图结论相一致, 见图4。

5 结语

汶川地震中, 钢框架结构表现出较好的抗震能力, 但节点部位还是出现了不同程度的破坏, 更加证明了节点是框架结构设计的重要环节。1) 改进后节点抗震性能较好, 滞回环饱满, 在强震时表现出较好的耗能能力。2) 改进后节点极限承载力明显高于KJ-1, KJ-2, 在承载力极限状态时, 梁发生较明显的塑性变形, 破坏时塑性铰外移出节点域, 从而避免了节点的脆性破坏。

参考文献

[1]郭秉山.钢框架梁柱腹板连接在循环荷载作用下的滞回性能和抗震对策研究[D].西安:西安建筑科技大学, 2004.

[2]褚云朋, 许立英, 张玲玲.门式刚架新型节点力学性能分析[J].西南科技大学学报, 2008, 23 (1) :1-7.

[3]William E.Gates, Manuel Morden.Professional Structural En-gineering Experience Related to Welded Steel Moment FramesFollowing the Northridge Earthquake[J].The Structural De-sign of Tall Buildings.1996, 5 (3) :29-44.

[4]P.Maranian.Vulnerability of Existing Steel Framed BuildingsFollowingthe 1994 Northridge (California, USA) Earthquake:Considerations for Their Repair and Strengthening[J].TheStructural Engineer.1997, 75 (10) :34-35.

[5]王万祯.钢框架栓焊刚性连接的滞回性能、破坏机理及抗震设计建议[D].西安:西安建筑科技大学, 2002.

钢框架梁柱刚接节点浅析 第3篇

关键词：钢框架,梁柱刚接节点,震害

1 引言

随着经济、科学技术和城市建设的迅猛发展,钢结构技术也不断发展。多高层钢结构的基本形式是框架体系,框架结构构造简单,易于施工,同时具有良好的延性和耗能能力,钢框架结构还多被设计为强柱弱梁体系,这样就使梁尽量先破坏,以增加结构的延性。梁柱焊接节点在抗弯钢框架结构中扮演着举足轻重的角色,很久以来,人们认为梁柱焊接节点具有很好的韧性,在地震作用下可以充分的发展塑性变形,吸收地震能量,保持结构稳定。但近来几次大地震改变了人们对梁柱焊接节点的看法,被认为抗震性能卓越的现代钢框架结构焊接节点并未如期望的那样如期形成塑性铰,以耗散地震的能量,保持结构的完整,而是遭受了严重的破坏,而且梁柱节点的破坏主要发生在梁柱焊接接头处,且多为脆性破坏。

2 钢框架梁柱焊接节点的破坏情况

通过各国学者对1994年1月17日发生在美国加州圣费南多谷地的北岭地震,以及1995年1月17日发生在日本兵库县南部地区的阪神地震的研究表明:钢框架破坏情况主要集中在梁柱混合连接节点上。

混合连接是一种现场连接,其中梁翼缘与柱用全熔透坡口对接焊缝连接,梁腹板通过连接板与柱用高强度螺栓连接。美国惯常采用焊接工字形柱,日本则广泛采用箱形柱,仅在一个方向组成刚架时采用工字形柱。在梁翼缘连接处,工字形柱腹板上要设置加劲肋(美国称为连续板),在箱形柱中则要设置隔板。

在梁柱混合连接节点的典型构造节点设计上,两国都采用弯矩由翼缘连接承受和剪力由腹板连接承受的设计方法,美国还规定,当梁翼缘承受的弯矩小于截面总弯矩的70%或梁腹板承受的弯矩大于截面总弯矩的30%时,要将梁腹板与连接板的角部用角焊缝焊接;日本则规定腹板螺栓连接应留有余地,即框架达到塑性阶段时的承载力设计,螺栓应设置2列~3列,也是为了考虑腹板可能承受弯矩。

3 节点破坏原因与分析

北岭地震后,美日两国学者就节点破坏原因,通过现场调查、室内试验和现场检验,进行了结构响应分析、有限元分析、断裂力学分析等,还作了很多补充试验,结合震前研究,对节点破坏原因提出了一些看法。认为节点破坏与加劲板、补强板腹板附加焊缝等的变动,并没有什么直接关系,也并不是仅由设计或施工不良所能说明的,而是应从节点本身存在根本性缺陷方面去找原因。

首先,从框架受力的角度出发,框架在侧向荷载和竖向荷载作用下,在节点处弯矩出现极值。即使节点与梁等强,也是节点先进入塑性。

其次,在常用的工字形截面梁中,当处在弹性阶段时,通常翼缘承受全截面抗弯承载力的80%~85%,腹板承受全截面抗弯承载力的15%~20%,这对于通常翼缘采用焊接,腹板采用摩擦型高强螺栓连接的梁柱节点来说,翼缘对接焊缝所能承受的弯矩也只能与翼缘等强。如果腹板连接不考虑这15%~20%的弯矩,则其连接的抗弯承载力就只有框架横梁抗弯承载力的80%~85%。如果再加上因高空施焊条件较差,焊缝存在某些缺陷以及焊接的残余应力等不利因素的影响,则其连接的抗弯承载力很可能只有框架横梁抗弯承载力的70%到75%。

这样在较大地震作用下,就必然使框架梁还没有进入塑性之前,节点先发生脆性破坏。这正是造成在美国北岭大地震中大量钢框架结构房屋梁端焊缝开裂的主要原因。在阪神地震中,凡是梁端与柱连接采用带悬臂梁段的全焊接连接的多高层钢结构房屋,虽然在连接处也发生了焊缝的开裂现象,但却在紧挨焊接处的框架梁上出现了明显的塑性变形。这也正是由于梁端翼缘和腹板全都是焊接,其连接的抗弯能力基本上等于或略低于梁的全截面抗弯能力的结果。

节点发生脆性破坏有以下几方面因素,被认为是决定和影响节点性能而导致了脆性破坏。

3.1 焊缝金属冲击韧性低

美国北岭地震前,焊缝多采用70-4或70-7自屏蔽药芯焊条施焊,这种焊条提供的最小抗拉强度为480,对冲击韧性则无规定,试验室试件和从实际破坏的结构中取出的连接试件在室温下的试验表明,其冲击韧性往往只有10~15,这样低的冲击韧性使得连接很易产生脆性破坏,成为引发节点破坏的重要因素。在北岭地震后不久所作的大型验证性试验,对焊缝进行十分仔细的操作,做到了确保焊接质量,排除了焊接操作产生的影响,焊缝采用70-4型低韧性焊条,尽管焊接操作的质量很高,连接还是出现了早期破坏,从而证明了焊接缝金属冲击韧性低,是焊接破坏的因素之一。

3.2 焊缝存在的缺陷

对破坏的连接所作调查表明,焊接质量往往很差,很多缺陷可以看出明显违背了规范规定的焊接质量要求,不但焊接操作有问题,焊缝检查也有问题。很多缺陷说明,裂缝萌生在下翼缘焊缝中腹板的焊条通过孔附近,该处的下翼缘焊缝是中断的,使缺陷更为明显。对该部位进行超声波检查也比较困难,因为梁腹板妨碍探头的设置。因此,主要的连接焊缝中由于施焊困难和探伤困难出现了质量极差的部位。上翼缘焊缝的施焊和探伤不存在梁腹板妨碍的问题,因此可以认为是上翼缘焊缝破坏较少的原因之一。

3.3 坡口焊缝处的衬板和引弧板造成人工缝

实际工程中,为了确保焊接质量,常在梁翼缘坡口焊时加衬板。往往焊接后将焊接衬板留在原处,这种做法已经表明,对连接的破坏具有重要影响。在加州大学进行的试验表明,衬板与柱翼缘之间形成一条未熔化的垂直界面,相当于一条人工缝,在梁翼缘的拉力作用下,在人工缝处产生应力集中,会使该裂缝扩大,引起脆性破坏。其它人员的研究也得出相同结果。梁柱节点破坏发生在梁底翼缘处显著多于梁顶翼缘。

1995年加州大学等所作的试验,再现了节点的脆性破坏,破裂的速度很高,事前并无延性表现,因此破坏是灾难性的。研究指出,受拉时切口部位应力最大,破坏是三轴应力引起的,表现为脆性破坏,外观无屈服。他们还通过有限元模拟计算,得出最大应力集中系数出现在梁翼缘焊接衬板连接处中部,破坏时裂缝将从应力集中系数最大的地方开始,,这一结论已为试验所证实。研究表明:大多数节点破坏都起源于下部衬板处。

3.4 梁翼缘坡口焊缝出现的超应力

北岭地震后对震前节点进行的分析表明,当梁发展到塑性弯矩时,梁下翼缘坡口焊缝处会出现超高应力。超应力的出现因素有:当螺栓连接的腹板不足以参加弯矩传递时,柱翼缘受弯导致梁翼缘中段存在着较大的集中应力;在供焊条通过的焊接工艺孔处,存在着附加集中应力;据观察,有一大部分剪力实际是由翼缘焊缝传递,而不是象通常设计假设的那样由腹板的连接传递。梁翼缘坡口焊缝的应力很高,很可能对节点破坏起了不利影响。采用8节点块体单元有限元模拟分析发现,节点应力分布的最高应力点,是在梁的翼缘焊缝处和节点板域,节点板域的屈服从中心开始,然后向四周扩散。

北岭地震以前进行的大量试验表明,当焊缝不出现裂纹时,节点受力情况也常常不能满足坡口焊缝近处梁翼缘母材不出现超应力的要求。日本利用震前带有工艺孔的节点,在试验荷载下由应变仪测得的工艺孔端点翼缘内外的应变分布,应变集中倾向出现在翼缘外侧端部,内侧则在工艺孔端部,最大应变发生在工艺孔端点位置上。应变集中的原因,不仅在于工艺孔造成的不连续性,还在于工艺孔部分梁腹板负担的一部分剪力由翼缘去承担了,使翼缘和柱隔板上产生了二阶弯曲应力。这些试验与分析均指出,今后对节点性能的改进,不仅应改善焊缝,而且还应降低梁翼缘坡口焊缝处的应力水平。

3.5 其它因素

有很多其它因素也被认为对节点破坏产生潜在影响,包括:梁的屈服应力比规定的最小值高出很多;柱翼缘板在厚度方向的抗拉强度和延性不确定;柱节点域过大的剪切屈服和变形产生不利影响;组合楼板产生负面影响。

4 钢框架梁柱刚接节点做法

4.1 全焊连接、全栓连接、栓焊连接的比较(见表1)

国内大多数工程都习惯采用短梁拼接(见图1),即框架梁采用悬臂梁段与柱刚接,悬臂段梁与柱之间采用全焊连接,并在工厂内完成,梁与柱悬臂梁段的连接采用现场栓焊连接,在保证抗震性能的同时,便于现场施工。美国北岭地震和日本阪神地震经验表明,梁与柱全焊连接的受弯承载力和塑性变形能力均优于栓焊连接,采用破口全熔透焊缝将梁腹板直接焊在柱翼缘上,或通过较厚连接板焊接,使腹板参与抗弯,从而减少梁翼缘焊缝的应力。故在高烈度地震地区的钢框架,应优先考虑全焊连接。

梁、柱刚性连接采用等强连接的形式,并考虑钢梁腹板承受一定的弯矩。高强螺栓考虑温度折减及长度折减。

4.2 短梁拼接的细部做法

1)为避免由于焊缝金属冲击韧性低而发生脆性破坏,导致节点失效,《建筑抗震设计规范》中规定抗震等级为一级、二级时,应检验焊缝V形切口的冲击韧性,其夏比冲击韧性在-20℃时不低于27J。

2)悬臂梁段与柱采用全焊连接,上下翼缘的焊接孔的形式应相同。梁的现场拼接可采用翼缘焊接腹板螺栓连接或全部螺栓连接。

3)柱在梁翼缘对应位置设置横向加劲肋(隔板),加劲肋(隔板)厚度不应小于梁翼缘厚度,强度与梁翼缘相同,箱型柱在与梁翼缘对应位置设置的隔板,采用全熔透对接焊缝与壁板连接,工字形柱的横向加劲肋与柱翼缘,采用全熔透对接焊缝连接,与腹板可采用角焊缝连接。

4)梁翼缘与柱的连接焊缝应采用全熔透焊缝,并设置较大间隙(≥6mm)及焊接衬板,并在梁翼缘坡口的两端设置引弧板和引出板。由于焊接时引弧和灭弧处通常均有缺陷,焊接完毕,用气刨切除引弧板和引出板后打磨,消除潜在裂缝。

5)梁下翼缘焊缝衬板和引弧板底面与柱翼缘相连接处的焊缝,易引发应力集中等缺口效应,此人工焊缝在梁翼缘拉力作用下会向内部扩张,引发脆性破坏。因此,对抗震设防框架,下翼缘焊缝衬板的底面与柱翼缘相连处,应沿衬板全长用角焊缝补焊封闭,因仰焊施工不便,焊脚尺寸可取6mm。

6)梁上翼缘由于有楼板加强,施焊条件较好,缺口效应并不严重,与柱相连处的震害较少,故上翼缘焊缝衬板的底面可不进行补焊。

7)为设置焊接衬板和方便施焊,应在梁腹板端头上角作扇形切口,扇形切口与梁翼缘交接处,应做成半径10mm~15mm的圆弧,圆弧起点与衬板外侧保持10mm~15mm的间隔,以减小焊接热影响区的叠加效应。腹板端部下角扇形缺口应具有较大高度,确保梁下翼缘焊缝施焊时焊条能顺利通过,实现不间断施焊。

5 结语

根据震后美、日两国大量的调查和研究,了解了钢框架结构的梁柱连接节点的震害及生产的原因,对钢框架节点设计有深远的影响。

1)钢框架结构焊接节点的破坏主要发生在梁柱焊接接头,且多位脆性破坏。

2)传统梁柱连接设计时,采用弯矩由翼缘连接承受和剪力腹板连接承受,这样在较大地震作用下,必然使框架梁还没有进入塑性之前,节点先发生脆性破坏;抗震设计时,梁、柱刚性连接采用等强连接的形式,并考虑钢梁腹板承受一定的弯矩。高强螺栓考虑温度折减及长度折减。

3)梁与柱采用全焊接连接,在地震作用下,其震害率和破坏程度均远低于梁柱栓焊连接的框架节点,梁与柱连接焊缝虽然也出现裂缝,但紧挨焊缝的梁截面却产生了显著的塑性变形,表明梁与柱全焊连接的抗弯能力基本上等于或略低于梁自身全截面抗弯能力。

浅谈高层框架结构梁柱节点施工 第4篇

在建筑工程施工中.框架结构的节点是联系整个结构体系的枢纽, 如框架的梁柱交汇点、剪力墙结构的暗梁与柱的交汇点等。节点承受由梁端和柱端传递来的轴力、弯矩和剪力, 受它们共同作用且受力状态复杂。因此节点要求具有足够的强度, 以抵抗相邻构件承受的各种荷载.保证整个结构体系坚固和安全可靠。然而在实际工程中, 我们发现冈节点细部构造设计不细致, 施T不精心.容易给工程质量留下隐患。特别是框架结构节点在施工中发现的若干问题进行剖析

2 钢筋制作方面的问题

节点配筋构造主要包括节点区箍筋的设置及梁筋在节点区的锚固。箍筋对核心区混凝土具有约束作用, 对提高节点的抗剪强度起着重要作用箍筋间距越小, 对混凝土的约束作用就越大, 节点受剪承载力也越高, 尤其是地震区.节点区的箍筋必须加密, 有些设计人员通常只对柱端、梁端的箍筋加密, 而未对节点区作明确的标明。节点区有纵梁、横梁、柱的纵向钢筋三向交叉, 且钢筋密集, 配置箍筋存施工上有一定的难度。常用的施工方法是在支完梁板的模板后放入梁的钢筋骨架.再放节点箍筋。由于钢筋的安装绑扎难度较大.加上怕麻烦的心理, 因此经常出现不放或少放箍筋.或箍筋绑扎不牢等问题, 直接影响到混凝土结构的抗裂性能。因此, 节点区的箍筋可以考虑先按设计要求制成钢筋笼, 套入柱的纵向钢筋, 并绑扎或焊接牢固, 再放梁的钢筋, 以确保构件的抗裂性能:特别要注意做好对工人的技术质量交底, 严格按施工要求和规范进行安装绑扎。

在边柱节点上, 为了保证钢筋的锚固长度.梁钢筋须弯折插入节点区域, 设计人员往往只较重视其最小锚固长度在图纸上作出明确的规定, 而忽视了最小水平锚固长度及垂直锚固长度.因实际工程中水平锚固常能满足要求。如某9层楼, 在设计说明中规定最小锚固长度la=35d, 柱截面bh=80mmx6Omm, d=25mm, 则最小锚固值la=3525=875n111, 其水平段K度为lh=775mm>O.45la这样就容易使垂直钢筋踢破保护层而破坏, 因此对边柱点梁钢筋锚固段制作时, 应考虑同时满足最小锚固长度、最小水平锚固长度及垂直锚固长度的要求节点区也常出现多根梁交汇, 梁钢筋穿人节点区, 出现多层钢筋叠层, 如某楼在一节点区出现3根不同方向的大跨度梁支于同l根柱上.梁底排钢筋均为F25, 梁底保护层厚度为25mm, 由于3根梁底标高相同.因此就出现另外2根梁保护层分别为50 mm、75mm, 如此厚的素凝土层很容易产生裂缝, 同时梁的有效高度臧小会降低其承载力冈此, 设计人员应该审视节点细部构造的详图设汁, 明确节点处的钢筋布置, 避免留下工程质量隐患。

3 节点箍筋加密的问题

《规范》明确规定:框架节点核心区内箍筋量, 不应小于柱端加密区的实际配箍量。这可以提高柱子的承载力, 避免主筋受剪切弯曲破坏。可是有些设计、施工人员对加密节点钢箍的必要性认识不足, 设计人员未考虑节点内力分析, 甚至忽视了按最小体积配箍率做构造配筋, 在节点核心区也无明确标注。对于施工人员而言, 节点区纵横交叉的钢筋本来就很密集, 按正常绑扎钢筋已感困难, 要求加密难度更大, 在施工图无明确标注的情况下, 也就很少能满足规范要求, 致使少放、漏放钢箍的情况时有发生。下面介绍一种节点处箍筋加密区的施工技巧:

3.1 支设梁的底模。

3.2 摆放梁底筋、梁中箍筋。

3.3 安放预制的梁柱节点加密区的箍筋笼, 并与柱筋进行绑扎。箍筋笼必须按照梁的不同高度, 通过计算进行制作。

4 混凝土施工方面出现的问题

为满足结构承载的要求, 节约工程造价.通常存设计中对上、下柱或柱与梁扳的混凝土选择不同强度等级, 然而未对结构的点区域的混凝土强度作出明确说明。柱的混凝土施工通常在梁底标高以下20～30mm处留设施工缝, 点区域与梁板同时施工, 而施工人员往往贪图方便而使用同样强度等级的混凝土施工, 降低节点的强度, 节点受力破坏形态主要为剪切破坏, 节点区域的剪力南混凝土及箍筋菜同承担, 因此应该保证节点域的混凝土具有足够的强度, 按施工规范要求, 当梁柱的混凝土强度等级不同时, 节点处应按强柱弱梁的原则, 节点区域的混凝土强度等级应与柱相同采用强度较高的混凝土, 而在梁柱交汇处侧面设垂直施工缝是不符合规范要求的:混凝土浇筑时, 应按图在梁柱接头周边用钢网或小板定位, 并先浇筑梁柱接头的混凝土, 随后浇筑梁板混凝土, 这样既不便于施工, 其质量也得不到保证有些施工人员为了方便而将梁与柱使用强度等级相同的混凝土, 这样既提高了工程造价, 又造成浪费。因此, 存结构设计时应作综合考虑, 根据实际情况将柱与梁板选择相同的混凝土强度等级, 以方便施工。另外, 浇筑节点区域混凝土前未及时对施工缝按规范要求进行处理在浇筑柱的混凝土时.由丁振捣、石子自重等因素, 柱头施工缝区域一般浮浆较多.表向混凝土层较软弱, 应在安装接点模板之前及支时清除松动的石子及软弱的混凝土层。模扳安装完成后, 要清理杂物、泥砂、小屑等, 防止浇筑混凝土时出现水平裂缝或松散夹层在浇筑混凝土前, 还要先浇一层水泥浆, 以保证新旧混凝土良好地结合成一体:由于节点受力状态复杂, 且钢筋密集, 存混凝土浇注时下料、振捣均较困难, 容易出现蜂窝等情况.降低了混凝土强度, 因此在混凝土施工中要严格控制骨料的颗粒大小, 并选择合适的坍落度, 精心施工以保证工程质量, 模板制作安装方面的问题存框架结构节点的施工中, 由于处在梁、柱、扳的中心或梁、柱钢筋的交叉点, 密度大且受力复杂。

因此当与柱相互交汇的横梁与纵梁设计高度不一致时, 就容易出现误差。在模板制作安装方面难度较大, 对小工的要求一定要非常严格, 模板的尺寸也一定要非常准确, 并认真检查校对图纸, 模板要钉牢, 撑拉受力要均匀, 特别是柱头模板要密实, 四周不能出现空洞, 发现问题时要及时处理或加固否则就容易出现漏浆而形成蜂窝麻面, 或者造成爆模, 既影响混凝土的质量, 也影响梁柱的外观, 因此, 在施工中要做好对施工人员的技术交底, 并精心施工。

参考文献

框架结构建筑梁柱节点的施工探析 第5篇

现在, 随着设计和施工水平的不断提高, 多层和高层建筑采用钢筋混凝土现浇结构的形势发展很快, 由于现浇框架结构具有较好的整体性能、围护墙体较轻、抗震性较好、布局灵活多样等优点, 在工程中得到广泛的应用。钢筋混凝土框架结构梁柱节点是主体结构的重要组成部分。

框架结构的震害大多发生在柱和梁柱节点这一核芯区。梁柱节点破坏主要是剪切破坏和钢筋锚固破坏, 严重时会引起整个框架的破坏。在2008年5·12汶川地震中就见到了许多框架结构梁柱节点首先出现破坏的情况, 如图1所示。我国在新、老抗震规范中都强调“强节点、强锚固”的设计理念与要求, 并且对节点的箍筋和混凝土强度也做了比较严格的规定。但是, 在实际工程中却发现:在地震力度作用下, 往往是梁柱节点部位首先出现了破坏, 这说明在施工过程中, 对节点需要加强的认识还不足, 节点施工质量不合格所致。

2 梁柱节点箍筋施工存在的问题

在梁柱节点施工时, 由于节点构造较复杂, 纵横向及竖向钢筋数量较多, 钢筋绑扎的施工工人又是高空作业, 施工具有较大的难度, 特别是中间柱子的节点, 纵横向都有受力钢筋, 箍筋不易绑扎, 操作有一定难度, 采用整体沉梁时节点区下部箍筋无法绑扎, 所以施工工人往往在梁节点部位不放或少放柱箍筋, 容易造成安全隐患。再者, 钢筋骨架整体放入模板后, 柱节点内箍筋绑扎困难, 有些施工人员便采用两个开口箍筋拼合, 然而在整个节点区均采用开口箍筋, 或将箍筋末端的135度的弯钩改为90度, 显然不符合规范规定。

实践证明:只有细分工艺流程, 合理安排工作顺序, 木工和钢筋工紧密配合, 才可能保证节点区钢筋符合设计及规范要求。做法是将柱的箍筋分段绑扎:首先将柱箍筋绑至梁底下;其次在穿好框架梁底筋后再绑扎节点区箍筋;最后在绑完框架梁钢筋后再在梁面上加一道节点箍筋。

当采用整体沉梁时, 采用如下措施解决: (1) 下料时每个节点增加若干根纵向短筋 (可用细钢筋) ; (2) 柱节点区箍筋现场焊接在纵向短筋上形成整体骨架, 再将整体骨架套入柱纵筋并搁置在楼板模板面上, 穿梁钢筋并绑扎, 为防止附加纵向短筋位置与柱纵筋冲突而造成套箍困难, 附加纵向短筋应偏离箍筋角部约50mm, 采用该法可保证柱节点箍筋的间距与数量, 实施效果较好。

3 框架柱纵向钢筋的搭接问题

对于矩形、异形柱, 纵向钢筋按照现行规范的规定, 应该优先采用对接焊接或者采用机械连接, 而施工单位为了方便施工、降低施工成本, 在实际施工时大多采用了搭接的方式。这样做对于较大截面的柱影响还不是很大, 但对于较小截面的柱子, 由于钢筋搭接, 钢筋占据一定的混凝土体积, 对小截面柱的有效截面来讲削弱较大。同时, 由于钢筋过于密集, 使得钢筋净距较小, 造成钢筋与混凝土的粘结力减小。

在按规范柱纵筋容许搭接时, 施工人员应在下部柱筋搭接部位末端延伸150mm, 并向外弯折1d, 使上部柱纵筋通过此弯折段与下部柱纵筋轴线对齐, 并在弯折段增加构造焊, 可较好地解决这一问题。

4 梁柱节点不同混凝土强度等级处产生裂缝

4.1 梁柱节点产生裂缝的原因

(1) 在梁柱节点部位, 如果柱与梁的混凝土的强度等级相差较大, 大家都知道, 不同强度等级的混凝土, 其水泥用量、水灰比、用水量都不同, 柱子体积大, 水泥用量多, 产生的水化热高, 高低强度等级混凝土就会产生收缩有差异, 所以在高低强度等级混凝土交界面附近出现微细裂缝。

(2) 柱截面大, 刚度大, 梁的截面相对较小, 受柱子的强大约束, 梁混凝土的收缩受限制, 也容易产生裂缝。

(3) 商品混凝土配合比中, 高强度等级混凝土的水泥用量偏多, 水灰比、含砂率、坍落度偏大, 也会导致高低强度等级混凝土交界附近产生裂缝。

(4) 现浇梁板的梁在板下, 上面保养的水被板充分吸收, 而梁得不到充足的养护水分, 造成梁的内外不均匀收缩, 也容易导致梁的两侧面产生裂缝。

4.2 防止梁柱节点处裂缝的措施

(1) 要求混凝土搅拌厂调整配合比设计, 在满足强度等级及可泵性的条件下, 对柱子混凝土, 减少水泥用量、减少含砂率、增加石子含量、减少坍落度、减少用水量, 并对粉煤灰和外加剂的用量也需作相应的调整。节点处的混凝土实行“先高后低”的浇捣原则, 即先浇高强度等级混凝土, 后浇低强度等级混凝土, 严格控制在先浇柱混凝土初凝前继续浇捣梁板的混凝土, 事先作好技术交底和准备工作。

梁板的混凝土采用二次振捣法, 即在混凝土初凝前再振捣一次, 增强高低强度等级混凝土交接面的密实性, 减少收缩。在产生裂缝相对较多的梁的侧面, 增加水平构造钢筋, 提高梁的抗裂性。严格控制混凝土拌合物的坍落度, 节点核心区柱子部位混凝土采用塔吊输送, 以期降低坍落度。在现场, 对每车混凝土都应进行坍落度检测。

(2) 改变传统观念, 混凝土浇筑后及“早”养护, 商品混凝土施工对环境湿度的要求要比传统现场搅拌混凝土高得多, 养护时间也要大大提前, 这是预防混凝土干缩裂纹的主要措施。要在混凝土浇筑完毕后及时覆盖塑料薄膜或湿草袋, 对混凝土进行保湿养护。接缝处搭接盖严, 避免混凝土水份蒸发, 保持混凝土表面处在湿润状态下养护。特别是梁, 除了板面浇水外, 还应在板下梁侧浇水, 在满堂承重脚手架未拆除之前, 可以用高压水枪对梁进行浇水养护, 并推迟梁侧模的拆模时间。

(3) 采用二次抹压技术。混凝土经过振捣表层刮平抹压1~2h后, 即在混凝土初凝前在混凝土表面进行二次抹压, 消除混凝土干缩、沉缩和塑性收缩产生的表面裂缝, 增加混凝土内部的密实度。但是, 二次抹压时间必须掌握恰当, 过早抹压没有效果;过晚抹压混凝土已进入初凝状态, 失去塑性, 消除不了混凝土表面已出现的裂缝。经过二次抹压混凝土初凝后, 轻微洒水润湿, 混凝土终凝后, 每天分几次浇水, 保持一周时间使混凝土湿润。

5 柱的“烂根”和“夹渣”现象

现浇框架容易出现“夹渣烂根”现象, 使根部混凝土漏浆, 严重时出现“露筋”和“孔洞”。其直接原因是柱模直接放在楼地板上, 预先没有在楼板上做找平层或加标准框浇出底面, 更没有留清扫口。当层段>5m中段未留浇筑口, 进料从顶部直接下。自由落差>3m, 在柱内钢筋阻拦下料使粗细料分离, 另因底部板面不平且未堵缝, 导致水泥浆流失掉, 也存在底面垃圾未清除净、振动棒长度不到位等因素, 造成根部夹渣, 烂根问题。保证质量的措施应在框架柱接头外进行, 即上次烧筑后加相同规格的方框, 并浇平框面, 继续上浇前支横模从板面开始, 浇筑时在顶洒一层l:0.4的水泥砂浆。并铺l:2水泥25~30mm厚, 在其上浇混凝土, 可保证框架柱自然密实, 不会出现夹渣或烂根的质量问题。

框架结构梁柱节点的施工质量不容忽视, 应该提高对抗震节点重要性的认识, 严格管理, 采取合理的施工措施, 确保施工质量能达到设计及规范的要求, 不留安全隐患。这样在今后的自然灾害来临时, 就可以避免像汶川或海地地震中由于建筑梁柱节点抗震性能差而致使房屋倒塌的严重恶果。

摘要：在5.12汶川地震中发现框架结构的许多节点部位首先出现了破坏, 并且破坏严重, 甚至导致结构破坏, 建筑物倒塌的现象。本文就框架节点的破坏情况探讨了如何加强节点的施工来确保工程质量。

关键词：梁柱节点,施工,箍筋,裂缝

参考文献

[1]杨晓红.框架结构混凝土工程施工质量问题[J].煤炭技术.2008 (6) .

[2]郭猛.框架结构梁柱节点区优化施工设计[J].施工技术, 2007 (6) .

[3]杨海生.框架结构节点施工[J].陕西建筑, 2007 (7) .

劲性钢骨砼梁柱节点施工技术 第6篇

1 分析问题

在混凝土柱中插入钢结构劲性柱, 使得主梁节点的钢筋穿越困难。由于本结构地下室多为大开间, 柱距8000*8000, 使得主梁的截面尺寸相对较大, 配筋较多, 而如此众多的柱、梁钢筋交叉穿越, 劲性柱的钢板则成为“障碍”。由于, 钢筋与相邻连接板间距过小, 混凝土难以振捣密实。劲性柱内钢筋密集, 安装不便。框架梁钢筋与型钢柱连接型式比较复杂, 现场钢筋通过连接板与型钢柱进行连接, 现场焊接工作量大。

设计要求不能在柱结构翼缘钢板上随意开孔, 从而使得该项目地下结构梁柱节点钢筋穿越相当困难, 这是本分项工程施工的问题之一。另一问题是, 劲性柱钢板上的钢筋接驳器需在钢结构生产厂家加工, 其位置质量相对能够保证, 而劲性柱运到施工现场安装后, 由于安装误差带来的偏位极有可能使钢筋难以有效连接。

2 问题研究

具体问题主要有:

(1) 钢筋接驳器偏位导致钢筋不能有效连接, 套筒的定位; (2) 节点部位优化不够, 缺乏可操作性; (3) 钢筋过多, 肋板不能随意开孔; (4) 三肢以上的多肢箍筋穿越肋板; (5) 梁、柱主筋交叉在接驳器中相碰; (6) 梁柱斜交带来的钢柱翼缘与梁钢筋的斜交; (7) 现场施工质量管理不到位, 套筒的定位。

3 实际施工措施

3.1 钢筋接驳器偏位导致钢筋不能有效连接, 套筒的定位

在实际施工中, 我们一方面加强钢结构加工厂家的质量控制, 同时, 要求土建单位将所有节点的钢筋翻样, 准确定位接驳器;另一方面, 在钢柱安装过程中, 应格控制柱的定位, 在其纵横竖三向初步定位经复核后最终固定钢柱位置, 从而基本保证接驳器的方向与位置正确;第三, 就是如部分接驳器由于相关原因不能使钢筋有效连接时, 可将预先加工好的两根钢筋分别拧进两端接驳器, 中间部分再进行焊接。

3.2 节点部位优化不够, 缺乏可操作性

安排专人优化设计节点方案, 现场试验优化后的方案的可操作性, 加强与设计院的沟通。

3.3 肋板过多, 不能随意开孔的问题

无论劲性柱是H型柱或十字型亦或圆柱, 钢筋穿越都会受到翼缘板以及肋板的遮挡。由于设计中绝对禁止翼缘板开孔, 而劲性柱外缘离混凝土主柱的边缘尺寸有限, 不能满足连续的钢筋穿过, 因此, 部分钢筋必须要穿过肋板。由于设计单位对肋板开孔要求高、限制多, 使实际施工相当困难。经参建各方研究, 在满足最低数量钢筋穿越的情况下, 对开孔尺寸进行设计严格规定。首先, 开孔的位置由土建单位提出, 交由钢结构制作单位后场加工, 开孔后仍在钢结构加工厂进行孔洞口周边补强。其次, 钢柱进入现场安装时, 纵横竖三向需严格控制, 并严格控制标高, 使孔口位置满足设计和施工要求。第三, 开孔处的如遇水平加劲肋时, 肋板位置应上下调整, 避免阻碍钢筋穿越。

3.4 三肢以上多肢箍筋穿越肋板问题

大尺寸截面柱其箍筋基本都是多肢的, 由于本工程框架柱中有劲性钢柱, 自然, 多肢箍筋的施工就遇到困难。图纸会审时, 与设计单位商量, 将箍筋的形式做些调整, 同时, 在肋板上, 根据指定位置加工竖向圆孔, 便于箍筋穿越!

同时, 为了减少多肋板的损伤, 设计对多肢箍筋也作了适当调整, 减少了在肋板上的过多开孔。

另一方面, 由于对有抗震要求的箍筋弯钩, 其两端角度都要求是135°, 但是肋板上供箍筋穿越的小孔仅3厘米, 因此, 现场加工好的箍筋弯钩就难以穿过肋板小孔。经参建各方商量, 解决措施如下:现场箍筋加工时一端加工成135°, 另一端保持平直, 预留弯钩余量, 待现场穿过肋板孔后现场加工成弯钩。由于, 本项目柱的箍筋直径较大, 实际现成加工有一定难度, 需采用专门工具, 同时, 也增加了现场的工作量。

3.5 梁柱主筋交叉在接驳器处相碰

由于钢柱上钢筋接驳器是在钢结构加工厂现场加工的, 一旦钢柱安装好后, 接驳器的位置就已固定, 因此, 难免出现梁、柱的水平和竖向钢筋相碰的问题, 在施工中因避免采用普通的梁柱钢筋绑扎的方法, 方法是, 钢柱安装后, 外围钢筋竖向钢筋应先穿过一层楼面, 在梁底位置处先用箍筋固定竖向钢筋位置, 此时, 注意将竖向钢筋位置错开, 然后再由下而上绑扎箍筋, 这样就避免了绑扎梁的水平钢筋时会与竖向钢筋相碰的情况。

实际施工时, 现场仍有出现操作不认真、检查部到位的情况, 这是, 就有可能不正确的打弯水平或竖向筋, 才能正常施工。

实际施工中, 为了避免柱的外围钢筋笼在立柱模等施工过程中受到扰动而偏位, 建议在柱钢筋位置固定后, 再用四根短直径16毫米短钢筋头, 将钢筋笼四角与钢柱焊接固定, 这样能够有效地保证钢筋笼位置, 避免梁柱水平与竖向钢筋相碰。

3.6 梁柱斜交带来的水平梁钢筋与钢柱翼缘相交

本工程设计中有部分梁柱斜向相交的情况, 由于斜向的钢筋接驳器难以焊接, 这使得梁内钢筋锚入柱中成为问题。解决的方法主要有;一是将梁的钢筋尽量从钢柱翼缘缝隙里穿入梁内, 二是将接驳器进行加工或与接驳器生产厂家商量定制生产斜向接驳器。

3.7 现场施工质量管理不到位, 套筒的定位

采用CAD制图, 精确定位梁钢筋, 利用梁钢筋位置确定套筒的位置;指派专人在钢结构加工厂负责联络与质量监督工作;钢柱安装中采用红外磁力线坠、经纬仪等保证钢柱安装准。坚持持证上岗制度;质量分包管理, 关键部位旁站监督。

4 结语

在工程施工过程中, 钢结构加工、土建施工、钢结构安装等, 往往由多个分包单位来完成, 期间的图纸会审、技术衔接、工作配合十分重要, 尤其是钢结构的深化设计工作, 稍有不慎, 会产生很多的技术矛盾, 势必影响工期, 继而产生大的经济损失。因此, 此类问题必须在业主统领前提下, 由总包牵头, 业主、设计、监理、钢结构加工、安装等单位共同参与多方研究, 密切配合, 才能将本文所述的梁柱钢筋问题很好的解决。

摘要：混凝土梁与型钢柱连接节点部位钢筋排布密集, 如何保证型钢与钢筋的连接质量, 钢筋位置的准确是保证质量的关键。

关键词：梁柱节点,钢筋,模板,砼施工,钢柱、钢梁的制作,吊装

参考文献

[1]庄发玉.型钢混凝土中钢构件与钢筋连接施工技术探讨[J].福建建筑, 2014 (10) :93-94+70.

[2]彭明英, 蒋航军, 张林振, 郁银泉.《型钢混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图》介绍[J].建筑结构, 2013 (S2) :512-516.

[3]张福生.框架结构梁柱节点抗震设计及构造问题的分析[J].工程质量, 2010 (05) :11-15+19.

梁柱节点处粘钢加固作法研究 第7篇

粘钢加固技术是利用高强建筑结构胶,将钢板与混凝土或钢结构粘结起来,在两种被粘物之间,依靠结构胶使它们粘结起来构成整体联合工作,达到提高承载能力和抗变形能力的目的。通过粘结胶层使原结构和外粘钢板构成整体传递应力,协调变形。

本工程地处上海市,本工程原建筑是一幢有4楼裙房,主楼地下1层,地上24层,高87.7 m,主体结构为钢筋混凝土框架—核心筒结构,原建筑基础采用桩筏基础。改扩建后主体结构25层,高91.10 m,总建筑面积23 079.16 m2。

由于原设计未考虑抗震设计,所以根据国家、上海有关设计规程,此次设计为改扩建及抗震加固设计。本工程设计使用年限为50年;安全等级为二级。抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组,抗震设防类别为丙类;建筑的场地类别为Ⅳ类,设计特征周期值为0.90 s。建筑结构抗震等级框架抗震等级为二级,剪力墙抗震等级为二级。

本工程为综合加固项目,本文主要介绍采用异型钢板粘钢加固负弯矩区抗弯不足的梁。粘钢加固材料采用Q235B钢板,JGN类粘结胶,及化学螺栓锚固。

GB 50367-2006混凝土结构加固规范中规定,“支座处虽有障碍,但梁上有现浇板时,允许绕过柱位,在梁侧4倍板厚范围内,将钢板粘贴于板上。”在本工程中,板厚100 mm,梁宽400 mm,柱边长1 000 mm,因此按照规范只能在梁侧粘贴100 mm的钢板,本工程采用的异型钢板作法可以在不增加总用钢量的情况下,达到一定的效果(见图1)。

2有限元分析

混凝土是一种非线性材料。在荷载较低的情况下表现出线弹性。一般分析混凝土结构时,假设混凝土只是局部进入非线性,所以可以采用弹性分析。但是随着荷载增大,尤其是混凝土开裂以后,混凝土的非线性就比较明显。在对钢筋混凝土结构或构件的承载力极限分析时,非线性不能忽略。

在本文分析中,混凝土梁柱板采用ANSYS中特有的混凝土单元Solid65模拟,并使用非线性本构关系,该单元是三维实体单元,有8个节点,每个节点3个自由度,x,y,z方向的平移,单元能够发生塑性变形,可以在3个正交方向开裂和压溃;粘贴钢板采用弹性壳单元Shell63模拟,其应力—应变关系曲线采用理想弹塑性(见图2)。

对于混凝土材料,ANSYS要求输入的参数除了弹性模量、泊松比、单轴受压强度、单轴受拉强度之外,还有剪力传递系数和混凝土受拉、受压应力—应变曲线。剪力传递系数反映裂缝表面的情况,取值从0.0变化到1.0。0.0代表光滑的裂缝表面及裂面彻底丧失了剪力传递的能力;1.0代表完全粗糙的裂缝面及没有失去剪力传递能力。根据以往的文献表明当取值在0.8～0.9之间时模拟效果总体上比较好,因此本文分析中取为0.8。

分析中假设钢板和混凝土之间粘结良好,无滑移。用有限元程序进行钢板加固分析中,认为钢板与构件在每一个结束节点完全固结处理,即认为粘结层无滑移或剥离,为了使钢板的每一个节点与结构固结,需要把构件和钢板划分成相同的单元尺寸,而构件的几何尺寸与钢板尺寸存在较大差异,这样给单元划分带来较大困难。本文单元划分中,将粘钢单元直接覆盖划分在混凝土单元的表面,并且让粘钢与混凝土之间共用节点,从而保证两者之间位移协调。

本文分析采用如下几何模型进行计算:柱截面1 000 mm×1 000 mm,高3.5 m;梁截面400 mm×1 000 mm,长7 m;板厚100 mm。直条钢板采用10 mm厚,异型钢板5 mm厚。钢板弹性模量2.06×105 MPa,泊松比0.2;混凝土3×104 MPa,泊松比0.3。加载方式为梁上加均布荷载,模型柱底采用固结。模型见图3。

3结果比较

3.1 应力分布情况

混凝土应力云图见图4,图5,其极限拉应力值比较接近,分别为1.786 MPa,1.813 MPa,与混凝土的抗拉强度基本一致,可看出在梁柱交接处以及粘钢边缘,有较大的应力集中,两种方法产生的混凝土应力相差不大,范围也比较一致。反映出该算例采用的有限元模型较合理,其结果可信。

两种粘钢加固方法的钢板应力云图也类似,都是在柱角处产生最大应力,最大分别为32.947 MPa,39.806 MPa,表明在构件破坏时钢板的材料强度均未得到充分发挥。

3.2 挠度及承载力

对粘钢板前后钢筋混凝土梁进行有限元分析的结果表明:粘钢板使构件的极限承载力明显提高,挠度明显降低,并且有效地抑制了裂缝在构件中的开展,破坏时有明显的征兆。根据有限元计算分析的结果,两种方法的极限承载力相同;异型钢板对挠度控制效果更明显,可减少21%。

3.3 裂缝开展情况

从裂缝的开展看,在梁柱交接处首先产生一些集中的裂缝;随着荷载增加,裂缝逐渐向周围扩展、连接并沿纵向发展,随着荷载进一步增大,混凝土开裂,梁丧失承载力,试件破坏。外粘钢板能有效地控制钢筋混凝土梁的裂缝开展,这是因为外粘钢板增加了受拉钢筋的面积,从而分担了受拉钢筋的应有伸长量,达到了约束混凝土裂缝宽度的目的。

4结语

本文在有限元计算的基础上得出的采用新型粘钢作法与规范作法的对比结果,不仅为具体的粘钢加固方案提供了可靠依据,而且为以后工程提供了参考。钢筋混凝土梁经外粘钢板加固后,承载力有明显的提高。外粘钢板对钢筋混凝土梁的变形约束较为明显,挠度明显降低,并且有效地抑制了裂缝在构件中的开展,破坏时有明显的征兆。

由于外部粘钢加固技术具有良好的经济效益,与常规的加固方法相比,降低工程造价较多,而且基本不增加构件及结构的荷载,不改变原设计的结构体系和受力形式;胶粘剂硬化时间快,施工周期短,工艺简单,施工快捷方便;粘贴钢板所占的空间小,几乎不增加被加固构件的断面尺寸和重量,不影响房屋的使用净空,不改变构件的形状。由于这些特殊的优点,在将来加固及改扩建工程中,必然会得到更加广泛的应用。

另外,钢筋混凝土结构的非线性有限元分析,随着理论研究的深入和计算机技术的发展,将很有发展前景,但其中存在的问题仍然很多,这还有待于广大研究人员不断努力,使其向更为方便实用的方向发展。

摘要：介绍了一种新的异型钢板粘钢加固负弯矩区抗弯不足的作法,并对其与规范中作法进行了有限元分析对比,结果表明这种作法可以有效提高被加固梁的承载力,使挠度明显降低,并且有效地抑制了裂缝在构件中的开展,计算证明此方法有效且可靠。

关键词：梁柱节点,粘钢,加固,有限元

参考文献

[1]JGJ 116-98,建筑抗震加固技术规程[S].

[2]GB 50367-2006,混凝土结构加固设计规范[S].

[3]GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

[4]张雷.钢筋混凝土梁采用外粘钢板加固的有限元分析[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2005(6):21-23.