徐珂:建筑结构设计 建筑结构 一个普通结构工程师的建筑结构设计博客

用钢结构实现古建风采(二)

       四.节点设计
       1.斜梁与柱的连接节点
       本工程 的节点设计是我们遇到的另一个主要问题,主要是古建对结构的节点形式要求比较特殊。初步设计阶段,我们考虑用门式刚架的梁柱节点即端板连接的形式。但经过 和建筑方面探讨后发现端板连接根本不能满足古建的基本要求,因为端板连接会使梁柱连接处有大量的螺栓外露,对建筑效果的影响比较大。后我们决定采用梁柱在 节点处做成整体。考虑到梁柱节点处的弯矩和剪力均较大,刚架斜梁与柱连接采用等强连接,而在弯矩和剪力较小的梁柱节点根部以上800处再对屋面斜梁进行拼 接,拼接节点为栓焊混合连接(见图7,图8)。拉梁与刚架用摩擦型高强度螺栓连接,由于摩擦型高强度螺栓是以外力克服摩擦面间的摩擦力为承载能力的极限状 态,因此可以保证在屋面荷载作用下拉梁承受全部的水平推力。由图中可以看出在柱的强轴方向斜梁与柱在根部连接为一整体,而在柱的弱轴方向上屋面斜梁通过坡 口焊缝与柱连成整体。在图9中的双坡屋面的梁柱中间节点处也采取了相似的连接方法,这样虽然增加了工厂加工的一些难度,但降低了工地安装的复杂程度,可以 使梁柱节点的连接质量在加工厂内较好的加工环境中得到可靠的保证。
       2.檩条与斜梁的连接节点
       檩条与屋面 斜梁的连接节点相对上面几个节点遇到的问题要少一些,但是与一般的梁梁铰接做法也有一些差别(见图10、图11)。建筑要求我们在斜梁顶预留100的檩条 高度以方便在钢檩上连接木檩。而钢檩条高多为300,这样我们确定了如下图所示的节点形式:将檩条从下翼缘由下向上切去200,与在斜梁上的两块加劲板用 摩擦型高强度螺栓双剪连接。这样使檩条端部的抗剪强度得到了保证,同时满足了建筑方面的要求。
        本工程还有很多其它的节点做法(如图12—悬山处檩条与斜梁连接节点),但都为普通节点做法改形,这里就不一一列举了。
        五.总结:
        1. 结构形式的问题:在进行实际的设计过程中我们发现本工程的用钢量超出我们的意料,我们觉得其中主要的因素是柱脚为铰接。柱脚铰接使得梁柱接头处的弯矩在地 震作用下增加较多,如果柱脚设成刚接的话会好很多。这样梁柱的截面尺寸会相应的减小,用钢量也就会随之下降。我们进行了相应计算,见表3:

表3—刚接柱脚与铰接柱脚计算结果及用钢量比较
计算结果柱脚形式 梁柱节点最大弯矩(kN.m) 拉梁最大拉力(kN) 柱脚最大弯 矩(kN.m) 柱最大 轴力/剪力(kN) 斜梁最大轴力/剪力(kN) 柱截面尺寸 斜梁截面尺寸 用钢量比较(kg/m2)
刚接 112.72 152.53 125.79 246.04/58.65 262.33/86.72 H300X270X6X12 H300X270X6X12 74
铰接 164.86 153.77 0 258.59/40.71 253.94/102.84 H350X350X10X16 H350X300X8X16 91

       由表中可以看出刚接柱脚比铰接柱脚节省了17kg/m2的用钢量,还是很可观的。两种方案均包括35kg/m2的檩条用钢量,如果排除这部分单独就钢框架而言,刚接柱脚的方案的用钢量为39kg/m2左右,尚属正常范畴。
       2. 柱脚设计成铰接的原因:由于本工程有地下室,柱脚位于地下室混凝土柱顶,柱脚做成刚接会给施工和设计都带来比较大的麻烦。首先,外露式刚接柱脚的锚栓位置 会随着钢柱截面尺寸的变化而变化,而本工程的实际情况是柱网无规律,钢柱截面尺寸变化较多(在H250X250—H350X350之间变化),且工期很紧 张,螺栓需在方案未确定前先期预埋。这样要在地下室砼柱顶预埋刚接锚栓就成为很烦琐的事情,会给施工和设计都带来一定的难度。其次,为达到美观的建筑效 果,建筑师们不允许结构的柱脚锚栓露出建筑面层,因此在地下室顶板标高处预留了100的建筑面层,基本上可以覆盖铰接柱脚的外露锚栓。而对于外露式的刚接 柱脚因为其柱脚底板加劲肋的存在,这个高度显然是不够的(通常情况下需要200—300的高度),而增加地下室顶板的建筑面层厚度会增加地下室顶板的荷 载,同时压缩地下室净空。再次,外露式的刚接柱脚会增大地下室砼柱的截面尺寸,根据构造要求,在锚栓埋深范围内H300X300截面的钢柱铰接柱脚下的砼 柱截面500X500就足够了,刚接柱脚下砼柱的截面尺寸需要700X750(见图13)。这样大的砼柱截面是建筑师所不能接受的;比较理想的刚接方案应 为插入式柱脚或将地下室柱改为钢骨混凝土柱,插入式柱脚同样会加大地下室砼柱的截面尺寸,并且使地下室顶板的砼梁钢筋不能贯通,无法满足砼梁在地下室顶板 处与砼柱形成刚接框架体系;钢骨混凝土柱这种方式也可解决柱脚刚接的问题,砼梁与柱的连接可采用国家标准图01SG519第46页4节点的做法,柱截面尺 寸需要600X600,超过了建筑师500X500的截面要求,另外在做地下室结构时建筑方面还没有最终确定钢柱的平面位置,先期准确预留钢柱的位置是不 可能的,所以我们放弃了这种做法。这种做法会减少地上部分的用钢量,但增加了地下部分的用钢量,不一定会达到减小用钢量的目的,同时会增加施工难度和工 期。
        综上几点原因,铰接柱脚的优势便得以体现。它可以不考虑柱的截面大小而采用相同的定位尺寸在所有的砼柱预先埋置,这给施工和设计都带来了很大的方便,节省了大量的时间,缩短了工期。
       2. 檩条与刚架斜梁的连接节点:檩条与刚架斜梁的连接如果采用刚接会使本工程的框架柱纵向刚度增加,侧移减小。同时由于檩条由简支梁变为连续梁(方案2中檩条 用钢量35kg/m2),会使檩条的截面尺寸进一步减小,节省相应的檩条用钢量,但会增加现场安装的难度。
       3.在可能的地方尽量布置一些柱间支撑:这样可以使房屋纵向的刚度增大,房屋的整体性也较好,也可以减少一部分用钢量。
       4.在施工进度方面我们有很大的优势:在钢构件进场时,与本工程同时开工的采用混凝土结构方案的菖蒲河公园花鸟鱼虫馆正在进行结构柱的钢筋绑扎,当我们2个星期之后完成所有结构的安装之后,他们在进行屋面混凝土的浇注,钢结构的施工速度得到了很好的体现。
       5. 与古建木结构的对比有很大优势:根据古建单位提供的数据,古建做法构架最下层的七架梁,在此工程的跨度下截面高度为700左右,这使得室内净高减小的得太 多,建筑师是不可能接受这样的大截面的。古建木结构节点构造复杂,多为榫接,需要大批专业技工,施工成本可想而知,施工进度也也不如钢结构快。钢结构弥补 了传统木结构的这些不足。
        六.结语:
       经过和建筑师的共同努力,此工程得以顺利的完成了,并于国庆节前 竣工正式对游人开放。这项工程是我们在钢结构应用领域里结合古建的形式所进行的的一次探索和尝试,实现了“外看古建,内看现代,中西结合”的设计原则。从 中得到了一些经验和体会,希望这些经验和体会可以为类似工程提供一些有益的参考和借鉴。
       本工程在设计过程中得到了建筑师李冀先生的大力支持与配合,在此表示感谢!同时感谢邱国桦总工和熊挺工程师对本次设计的指正!

参考文献
   [1]马炳坚,中国古建筑木作营造技术,科学出版社,1995。
   [2]刘锡良、周学军、柳峰、王建明、周继远,门式刚架轻钢结构设计与施工,山东科学技术出版社,2002。
   [3]李和华,钢结构连接节点设计手册,中国建筑工业出版社,1992。

Tags: 钢结构 设计

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