装配式钢结构住宅节点破坏研究

装配式钢结构住宅节点破坏研究

周晓亮

长庆工程设计有限公司   陕西西安   710018

摘要：钢结构具有强度、稳定性、成本低等诸多优点，因此在中国建设项目中得到广泛应用。实现钢结构节点优化设计可以进一步巩固钢结构的应用优势，全面提高结构质量水平。本文主要分析装配式钢结构住宅节点破坏。

关键词：装配式钢结构；钢结构住宅；节点破坏机理；节点类型

引言

随着城市化发展的加快，人们对住房需求显著增加，促使各类住宅结构快速发展，其中钢结构住宅就是其中之一。目前，传统的住宅结构体系大多为钢筋混凝土结构，这种结构建造多为现场作业，具有建造周期长、建筑高度受限、工程质量难以把控和劳动力需求大等众多特点，而装配式钢结构具有绿色环保、轻量化、模块化、易于拆解循环利用、人力投入少、部分工作可在工厂完成、对环境影响较小、可适应高层或超高层建筑、建造周期短等优点，与传统建筑模式相比更具优势。在2022年，住建部印发《“十四五”建筑业发展规划》的通知，当中提到要大力发展装配式建筑。构建装配式建筑标准化设计和生产体系，推动生产和施工智能化升级，扩大标准化构件和部品部件使用规模，大力推广应用装配式建筑，积极推进高品质装配式钢结构住宅建设。因此，发展钢结构住宅是大势所趋，尤其是装配式钢结构住宅，将会是未来钢结构住宅的主体形式。

1、建筑钢结构的节点分类

1.1刚性节点与半刚性节点

在建筑施工过程中，钢结构有两种刚性节点和半刚性节点，刚性节点可以确保建筑在压力变形时不会产生角，半刚性节点可以在建筑在压力变形时在梁之间旋转。侧柱和梁连接采用刚性连接，因此承包商采用端板进行连接，具有较强的抗震能力和压缩能力，可以保证侧柱和梁之间的连接质量。柱节点还会根据接合过程中对柱剖面所做的变更，选取刚性连结方式。不同的截面必须以不同的方式连接，通常是在可变截面和等轴测截面中连接。半刚性节点应尽可能少地用于实际构造。如果连接不正确，可能会导致建筑构件之间的角度扭曲，从而危及整个建筑的安全。

1.2柱脚节点

使用钢结构时，需要更加注意柱脚节点。在许多情况下，由于柱脚节点未连接，因此无法确保柱脚节点在安装时的稳定性。柱脚以两种方式连接：插入方式和端点方式。在实际施工中，钢结构受相对较小的侧向力的约束，因此设计者倾向于采用铰链法，这种方法的优点是减少立柱的弯曲力矩并具有经济上的合理性，以及在连接过程中可以使用更多的铰链技术柱脚节点中的铰链连接可在柱脚处安装加强筋，以确保柱脚受柱底部剪切力的影响。

2、节点破坏研究现状

经过对节点破坏的大量研究和试验，造成节点破坏的原因有以下几点：①焊缝质量，由于工程上对焊接节点质量控制不严格、没有成熟的工艺和较为系统的操作步骤等原因造成节点焊缝存在缺陷，使焊接节点的承载能力往往达不到设计的要求；②三向应力的集中，节点在承受三向应力的作用下，连接处容易出现应力分布复杂和应力值过大的现象；③高温因素的影响，由于火灾的影响，使节点构件达到耐高温极限，造成节点构件发生烧熔现象，节点构件的优势未能发挥出来而引起的节点破坏。

2.1焊缝质量

通过对梁柱节点拟静力试验的研究，得到了节点破坏过程、破坏模式、承载能力和滞回性能。试验表明，不同角钢钢肢厚度和破坏模式对节点的刚度会产生不同程度的影响；其中不同角钢形式对节点承载能力的影响较小，而厚度的提高会大大降低节点的延性。通过对承受梁端加载的装配式钢结构住宅铰接节点的研究，采用足尺十字形梁柱节点为简化对象，分析了箱型柱厚度、轴压比和斜支撑对节点性能的影响，还将试验结果与有限元模拟进行了对比。试验表明，柱截面尺寸变大，柱子承载能力也将加强，从而其破坏位置将从柱端向梁端转变。

2.2三向应力的集中

通过对不同类型节点在弹塑性状态下的静力和动力非线性分析的研究，得出刚性连接节点在弹塑性阶段以剪切变形为主，且对比出新型钢接节点组件模型能充分表达出节点的受力情况，而传统刚接节点组件模型在结构小变形的弹塑性作用下可以较好显示出节点的受力状态。以装配式住宅铰接节点为研究对象，采用模拟仿真的方式对节点进行研究，试验论证了节点在单轴受力状态下，X和Y向水平倾覆力能力比传统的方式更突出，且两者的破坏形式几乎相同，均呈现于斜压破坏形式。

2.3高温因素的影响

为了探讨如何促进组合节点耐火极限的设计方法，对高温下不同连接形式对钢管混凝土柱－钢梁复合节点的耐火极限以及其温度场分布的影响规律进行了研究分析。研究结果显示：在火灾作用下试件温度的分布规律吻合较好，且组合节点的耐火极限因连接方式存在明显差异。通过对平齐短板组合节点的研究，结果表明组合节点在高温条件下，节点的强度、刚度和破坏模式会发生变化，并且节点破坏是先从高温区域开始，逐渐向低温区域发展。

3、设计建筑钢结构的基本要点

3.1分析钢结构的适用性

在设计建筑结构之前，需要对项目的实际情况和周围情况进行深入分析，以确定项目是否适合钢结构的应用，确保钢结构的适用性，并使其适应大型车间和需求相对较高的建筑的钢结构与此同时，设计计划必须具有更好的可操作性，并充分考虑到执行成本，以便为执行单位带来更大的经济利益。

3.2控制建筑钢结构的截面

在设计钢结构时，除了选择钢结构的类型和系统外，还需要估计构件的剖面，包括梁、柱和支撑的尺寸和形状。建筑结构构件的剖面估计集中于几个点：钢结构梁的定义和估计、柱的造型、翼缘的大小和宽度以及支撑的大小。还必须确定建筑构件的剖面高度，并估计合理的楼板厚度。

3.3框架柱的交叉节点

完成建筑钢结构节点的有限元强度分析后，工作人员应根据项目现实，对建筑钢结构的每个关键节点进行设计优化。在本项目中，当巨型柱连接在一起时，它们会形成许多“x”形交点，其中6个图元连接在一起，图元的截面尺寸可达1800 mm x 1800 mm，且节点板厚度可超过50mm。因此，选择销连接节点作为模具钢节点显然不适用。为了有效地提高节点区域的承载能力，使其至少达到构件的承载能力，工作人员可以通过将纵向和横向筋添加到适当数量的横向筋中，有效地实现节点的加固效果。通过在节点元素“x”形状的交点处固定具有一定厚度的适当数量的加强筋，可以在一定程度上有效地增加相交角处的倒角，并且还可以使用附加的调整加强筋板来实现节点强化效果。

3.4充分应用节点破坏模式，多方面因素共同考虑

充分应用实验室试验，设计节点，同时继续应用节点破坏模型进行研究和检查，对节点施加不同形式和强度，观察节点破坏效果，获得有效数据，最大限度地利用节点设计缺陷，并与其他事实进行比较 在技术瓶颈的各个方面寻求突破，将新的组合住宅节点提升到新的技术高度，确保实际使用的安全和稳定，为国家经济建设和改善人民生计提供有效援助。 本文始终以KonXL的新组合节点为例，深入研究其实验数据，利用节点破坏模型，探讨各种影响因素，对破坏模型进行客观、真实的分析，提出了一系列有效提高节点质量的改进方法。

结束语

近年来，中国在不锈钢结构新节点研究方面取得了显著成果，取得了诸多研究成果。在实践中，中国在新型钢结构节点方面具有很大优势，极大地促进了经济建设和生计的改善，为中国人民的生命和财产安全提供了新的技术保障。但是，我们不能满足现状，我们必须逐步查明今后使用中的问题和差距，满足新出现的要求，继续提高我国钢结构新节点的技术水平，为我国的建设和发展提供有效的技术支持。

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