试谈建筑钢结构节点设计要点

董静萍

（云南省设计院集团有限公司，云南昆明 650228）

0 引言

钢结构具有强度较高、稳定性好以及成本低廉等诸多优势特点，因此，在我国建筑工程中得到了广泛应用。而实现对建筑钢结构节点的优化设计，则能够进一步巩固钢结构的应用优势，全面提升建筑结构质量水平。本研究旨在丰富该领域理论研究的同时，也能够为相关工作人员完成建筑钢结构节点优化设计，提供必要实践指导与帮助。

1 工程概况

为有效说明建筑钢结构节点设计要点，本文选择以某地区的大型室内冲浪场为例。该室内冲浪场的总占地面积超过86000m2，建筑基础为典型的桩基础。建筑结构为钢结构，且其平面尺寸长度超过460m，为了避免出现建筑结构单体长度过长，导致结构受力十分复杂，设计人员提出需要将建筑本体和其下混凝土结构、停车楼、超市等相分离，同时设置分隔缝，将其划分成低、中、高三个区域。三个区域的平面尺寸依次为150m×150m、151m×（150～120）m、170m×（120～100）m。该建筑结构的最低与最高立面高度分别为40m与120m。在冲浪场的高区，其最大高差超过85m，楼面倾角超过25°，两侧结构具有较大水平刚度差。高区采用由钢筒体、框架梁柱等共同构成的框架结构。侧面大桁架的支撑力来源于设置在高区左侧两端的混凝土筒体，该混凝土筒体同时需要承担竖向荷载。中区跨度介于120～150m，低区跨度为150m，中区与低区均采用横纵桁架相结合的钢结构体系，图1展示的就是建筑高区的钢结构体系。

图1 高区钢结构体系平面

2 建筑钢结构节点设计的方法与策略

2.1 科学选择节点连接方式

考虑到该冲浪场结构特殊，节点尺寸最大可达1800mm×1800mm，构件厚度最大超过50mm，翼缘板的厚度相对较大，且在节点交汇处有众多杆件。因此，完全使用全焊接或全螺栓连接的节点连接方式均缺乏较高的适用性。例如：在该冲浪场K形节点中，当翼缘板厚度达到25mm时，使用全螺栓连接方式下，节点质量将会超过1300kg，而采用栓焊混合连接方式下，节点质量则不足800kg。本建筑中起连接作用的双夹板厚度普遍超过25mm，相较于栓焊混合节点，结构质量增幅明显更大，且需要众多高强螺栓。在实际进行施工安装时，结构构件需要保障极高的安装精度，施工难度相对较大，工作人员开展施工质量管理的难度也颇大[1]。因此，经过综合考量，在该建筑钢结构节点连接方式设计中，相关工作人员最终选择以翼缘焊接为主，配合使用腹板螺栓连接的方式，同时适当外移连接段，防止出现焊缝交叉而出现焊接冷脆的情况。在有效控制节点用钢量的同时，也有助于避免结构自重过重而影响后续现场施工作业。

2.2 建立模型分析节点受力

在建筑钢结构节点设计中，相关工作人员需要对各结构构件以及节点的受力情况进行准确分析，以此为基础有针对性地制定科学、合理的节点设计方案。为有效提升节点受力分析的准确性和分析效率，在该建筑项目中，工作人员设计采用专业的建模软件，根据工程实际建立三维模型，并对其进行有限元分析。在此过程中，工作人员在运用有限元软件完成建筑钢结构节点三维实体模型的建立后，对其进行四面体单元网格划分，并将节点模型中的相关信息数据直接导入至MIDAS软件中。利用该软件建立该建筑三维实体节点模型，再将该节点模型和结构计算分析构件相对应的线性模型进行耦合，从而运用有限元分析的方式，使得工作人员能够对节点实体模型边界及其具体荷载条件等进行准确把握。全方位地掌握建筑各区域变形情况与应力情况[2]。

2.3 立足实际优化设计节点

2.3.1 框架柱的交叉节点

在完成建筑钢结构节点受力有限元分析后，工作人员需要从工程实际出发，针对建筑钢结构中的各关键节点对其进行优化设计。如本工程中，巨柱之间相互连接时形成了众多呈“X”形的交叉节点，在该类节点处有6根杆件进行相互连接，构件截面尺寸最大可以达到1800mm×1800mm，节点板厚度最大值超过50mm。因此，选择将栓焊连接节点作为铸钢节点显然并不适用，为了有效增强节点区承载力，使其能够至少达到构件承载力，工作人员通过将通长纵向加劲肋与适量横向加劲肋，一并增设在节点内部，以此有效达到节点强化的效果。通过将适量具有一定厚度的加劲肋设置在节点杆件“X”形交叉位置处，可以使得交角处的倒角在一定程度上得到有效增加，配合使用增加设置加劲板等方式，可以进一步实现节点加强的效果。在本建筑项目中，为了实现钢结构节点连接的安全可靠，同时有效降低现场施工难度，工作人员最终在连接巨柱交叉主杆件时，设计使用全熔透焊接连接的方式，并要求焊接质量等级达到一级。在分肢连接中需要使用强度等级达到10.9级的高强度螺栓，以此有效保障连接的紧固度与安全可靠性。

2.3.2 桁架上弦节点设计

该室内冲浪场高区楼面的桁架节点，使得主桁架弦杆截面成为箱形截面，从而避免在节点区域需要增设大量加劲肋。但为保障上弦所在斜平面完全相同，还需要使用斜垫板垫，令节点区局部位置可以保持一定角度，从而和该区域的其他构件进行顺利连接。但此时斜垫板在连接各个构件的交界处往往会出现应力过于集中的情况，因此，为了能够对应力集中进行有效控制，同时，尽量避免节点区域出现众多焊缝，在该节点设计中，直接使用一整块碟形斜向大板作为上弦节点区域，用各弦杆上翼缘厚度包络作为碟形斜向大板的厚度[3]。外移和各个弦杆之间的连接焊缝，以此有效提升碟形节点上，应力分布的均匀性，从根本上防止出现应力集中的情况，图2展示的就是该建筑钢结构中的碟形节点。

2.3.3 屋面节点优化设计

图2 碟形节点设计平面

在该室内冲浪场的屋面上弦节点设计中，工作人员在与杆件肢数以及截面尺寸等方方面面进行全面考量下，最终选择运用相贯焊接连接的方式。在运用前期建设的冲浪场三维整体模型的基础上，针对屋面上弦节点开展有限元分析，可知包括工况应力最大值超过310MPa，该最大应力出现在圆钢管连接H型钢腹板的位置处。同样，为有效防止该相交处焊缝出现应力过于集中的情况，工作人员在对该节点进行优化设计时，采用封箱的方式，即在节点区局部封板成箱形。经过后期检测与应力计算可知，运用封箱方式下，H型钢腹板、钢翼缘板和圆钢管相互连接的位置处，应力最大值从最初的310MPa以上降至不足220MPa。此时节点位移最大值不超过29mm，与规定标准要求相符。

2.3.4 桁架连接屋面节点

本室内冲浪场高区转换楼面和屋面的中间位置处设有抗风桁架，其倾角为70°，总长度超过20m。在结合工程实际，并参照相关设计规定要求下，工作人员在连接屋面和抗风桁架的节点设计中，选择使用销轴连接的方式，销轴直径为60mm。在上销轴中使用长圆孔，使得在重力荷载作用下的轴力可以得到有效释放，从而有效减小屋面桁架下弦所需承受的荷载。为有效提升节点连接强度，工作人员选择使用40Cr材质的销轴，这主要是由于该种材质具有良好的耐磨损性能，且硬度相对较高。此外，工作人员还通过将两道厚度为20mm的加劲肋加设在耳板位置处，进而在有效控制耳板厚度的同时，也可以使得耳板局部具有更好的安全稳定性，图3展示的就是本建筑钢结构中的抗风桁架位置图。

图3 抗风桁架位置

3 结束语

综上，在实际开展建筑钢结构节点设计时，相关工作人员需要充分结合工程实际与钢结构具体特征，在严格遵循相关标准要求下，合理选择与之相适宜的节点连接方式。并主动运用建模思想，配合使用各种专业工具软件建立该模型，对各钢结构节点受力情况进行准确分析。在此基础上，对建筑钢结构中的各个节点进行科学优化设计，对其中各项设计要点进行严格把控。从而有效完成建筑钢结构节点设计工作，并获得理想的设计效果。