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钢结构施工安全及梁柱节点连接设计方法
摘要:
介绍了钢结构施工特点及施工安全问题和多高层钢结构梁柱连接的三种方式,并对其性能及适应范围进行了比较分析,结合地震作用下提出了加强连接节点的做法,提出了节点设计工作中要注意的问题。
关键词:
钢结构;连接节点;塑性铰;强节点弱杆件
0前言
连接节点设计是钢结构设计的重要内容之一,它直接影响结构在荷载作用下的整体性能以及单个构件的受力分析。
国内外许多震害都表明,钢结构大多是由于节点首先破坏导致结构的整体破坏。
为此,钢结构梁柱节点的设计问题就值得我们关注和探讨。
钢结构施工安全:
1、钢结构施工的特点:
钢结构施工分为工厂加工和现场安装两部分(本篇针对现场安装部分),钢结构现场安装施工的速度比较快,安装作业者的大部分时间是暴露在露天高空作业面,整个施工(安装)过程基本上处于上下交叉作业的环境中。
作为重型钢结构施工安全防范的重点应注意防止钢构件倾覆、高空坠落和物体打击。
现就中钢集团西安重机有限公司易地搬迁项目主体钢结构施
工阶段安全防范工作要点作以浅要的探讨,仅供钢结构施工(安装)作业的同行们在类似的施工作业中,在做好安全防护方面进行参考。
2、钢结构施工内部外部安全
防护措施:
(1)钢结构施工内部安全防护:
由于本项目大部分钢构件高度较高,钢结构施工(安装)一般每柱在工厂按照2-3段的高度制作,到现场拼装,施工(安装)速度较快,安装操作人员大部分作业时间均在狭窄的主、次构件上作业或行走,现场安装的柱高最小高度为12
米,最大高度将达到36米,按照高空作业标准2米为基点,它已超出高空作业安全防护要求,并且钢构件自重均较大,因此在安装完每一轴线柱时应保证每根柱均支撑稳定,且拉有双向风绳。
在柱间张挂双层水平安全网进行防护,并在每安装屋面梁、柱间支撑和行车梁等
次构件时增加一道水平安全防护绳,便于挂安全带水平施工,水平安全防护网与高空作业人员的防护距离一般不超过10米。
(2)构筑物内预留洞口、屋面洞口、楼梯临边防护:
钢结构施工对洞口的防护要求较高,在结构安装阶段,洞口一般随内部水平安全防护体系统一进行即可,在进入压型钢板铺设
阶段,必须根据洞口的大小张挂水平安全网,水平安全网的张挂必须到边,可使用钢管做边框架与梁进行固定,但洞口的中心部位不得用钢管做骨架,大的洞口可用6#钢丝绳做经绳串接。
为防止高空掉物,需要对钢结构的洞口进行及时封闭,封闭材料应满足设计要求及
防火功能。
(3)钢结构吊装前,组织预备会,对施工单位的施工方案、浅谈钢结构施工安全防护要点
(4)临边安全防护:
钢结构施工临边防护是整个安全防护中的重要防护工作之一,它不同于常规的临边防护,在铺设压型钢板之前,必须设置两道安全防护绳,防护绳的高度应不低于1.2米,在铺设压型钢板时临边防护应同步设置为钢管式安全防护栏,此时的防护栏一般可采取吊挂式方式,吊挂式临边防护的优点是搭设速度快。
临边防护的高度应在1.2-1.5m之间,但不得低于1.2米,上下两道水平杆并刷红、白两色相间油漆表示禁止跨越,张挂密目式安全立网进行封闭。
3、柱、梁安装时的安全措施:
(1)操作爬梯的制作与安装:
在钢柱起吊前必须安装便于操作人员上下的爬梯,以便于摘钩及安装钢梁时人员的上下。
爬梯的安装一般应根据构件的高度确定,对超过6米以上的钢柱要对爬梯进行绑扎固定。
制作爬梯应选择螺纹钢筋,禁止使用园筋。
爬梯应在钢柱吊装前进行安装,安装时应对挂爬梯的横杆焊点以及爬梯每一步的焊点进行检查,防止焊口裂纹、脱焊导致使用过程中发生意外。
(2)操作平台:
操作平台是保证梁、柱安装操作人员进行大型钢构件安装、焊接的安全保证措施之一。
①.操作平台一般使用钢管搭设,长宽各2m,双护栏杆高度不小于1.2m,搭至柱项,四周对称,与梁、柱别抱紧固。
②.次构件安装采用铝合金挂篮,由操作人员在作业前挂在主梁上。
(3)安全扶手绳子是指用作保证操作人员在主、次梁上进行作业、行走时用手抓靠的安全防护绳,是钢结构施工中保证作业人员安全的重要措施之一。
①.钢柱与主梁连接处采用Ф10mm钢丝绳作安全扶手绳子,次梁可采用Ф10mm白棕绳作为安全绳,安全
绳固定好后应在其绳子上每隔2米的间距拴一道红色布带,作为显示标志,提示操作人员在作业过程中及时将安全带挂在扶手绳子上。
②.钢丝安全绳子必须牢固的绑在梁端柱子上,施工人员在钢梁上行走时,必须将自身的安全带套在扶手绳子上,以防坠落。
安全绳子一般应在钢柱吊装、与稳定钢柱安装揽风绳的同时将其安装好,安全绳子绑扎的高度一般应在1.2-1.5米之间,便于作业人员挂安全带,同时作为操作人员在钢梁上行走时作为安全扶手绳子使用,安全绳子的固定必须使用与钢丝绳同一型号的U型卡子进行固定。
(4)防坠器的使用:
为确保操作者在上下钢柱时的人身安全,每根钢柱安装时都必须配备防坠器。
安装人员上下时,必须将安全带挂在防坠器的挂钩上,避免发生坠落事故。
安全防
坠器必须安装在使用者的上部,即必须是高挂低用,禁止平挂或低挂高用。
(5)工具防坠链钢结构安装作业人员所使用的各种手动工具必须使用安全绳子与腰间的安全带相连接或将工具防坠落的安全绳子与扶手绳子相连接,防止手动工具在使用时脱手坠落;对轻型或小型电动工具也必须加设不同形式的防坠链和防滑脱挂钩,防止工具坠落发生伤人事故。
梁柱节点连接设计
1钢结构梁柱节点的基本特征
在钢结构设计时,对于钢结构的连接形式在计算模型中的确定是钢结构计算、设计必须首先解决的问题,其次要明确传力途径,然后才能将整个结构受力模型简化出来用软件进行分析计算。
按照传力特征不同,节点分刚接、铰接和半刚性连接。
(1)铰接连接节点,具有很大的柔性。
钢梁仅在腹板处采用高强螺栓连接,上、下翼缘无需进行现场焊接。
采用铰接时构造简单,使现场安装程序大为简化,现场作业量大大减小,现场安装可以不受天气及季节的影响,钢结构的安装速度大大提高。
但是,铰接连接刚度和耗能性能差,对于结构抗风、抗震不利。
(2)刚性连接节点,具有较高的强度和刚度。
其特点是受力性能好,但构造复杂,施工难度大。
设计中梁柱节点一般是做刚接,这是由于梁柱节点承受的荷载一般较大而且还要抵御风荷载和水平地震引起的位移。
(3)半刚性连接节点,刚度和强度介于铰接和刚接之间。
我国《钢结构设计规范》中没有给出半刚性连接的具体计算和设计方案,而且节点转动刚度很难确定。
这样的节点形式在工程设计中一般很少采用。
结构设计中习惯的做法是把连接当成理想刚接或者铰接,这样做能够使计算大大简化,得到的计算结果必然与实际存在偏差。
目前,主要通过采用调整系数来减少这种偏差。
2钢结构梁柱节点的连接方法
多层及高层钢结构连接节点可采用焊接、高强螺栓连接、焊接和高强螺栓混合连接。
2.1高强度螺栓连接
多层及高层钢结构要承受风荷载的反复作用和地震的往复作用,梁柱节点应采用摩擦型高强度螺栓,不得采用承压型螺栓连接。
螺栓连接由于安装简单迅速,便于维护和加固,目前已广泛用于桥梁结构、工业与民用建筑钢结构的连接中。
2.2全焊型连接
焊接连接时疲劳敏感,焊接结构的低温冷脆问题比较突出,产生焊接残余应力和变形,对结构工作产生不利影响,除因受力复杂,接头刚度大或施焊不便的安装接头不宜采用焊接外,可广泛用于工业与民用建筑钢结构中。
全焊型梁柱连接的优点及施工时注意事项。
试验结果
表明,全焊型梁柱连接的滞回性能好于栓焊型混合连接,具有较好的塑性变形能力。
在全焊型梁柱连接中,设计时应注意选择合适厚度的节点板。
节点板太强,不仅浪费材料,也不能充分利用节点域的变形能力耗散地震能量;相反节点板太弱的梁柱连接虽然能发展相当大的塑性变形,但由于梁翼缘难以形成塑性,也限制了节点的耗能能力。
同时,节点域的塑性转动过大会增加框架的水平位移,对框架的整体受力不利。
在这种连接中,梁上、下盖板边缘加工后与柱采用对接焊缝连接,盖板与梁的连接采用角焊缝,梁腹板与柱连接通过钢板或角钢而连在一起,钢板或角钢与梁腹板采用角焊缝连接,钢板或角钢与柱采用对接焊缝连接。
在施工时应保证对接焊缝的质量,对接焊缝必须焊透,梁上、盖板与柱对接焊缝的质量对梁柱刚性连接的滞回性能有很大的影响。
特别是焊缝与柱翼缘的连接面应注意除油除漆,合理安排施工顺序。
下翼缘的焊接引弧板如果留在构件上应将其与柱焊接,最好跟梁翼缘也焊在
一起,以减小对接焊缝未焊透对梁柱连接受力的不利影响。
2.3摩擦型高强度螺栓与焊缝形成的混合连接
(1)焊缝的破坏强度高于高强螺栓的强度,抗滑极限强度,其比值宜控制在1~3之间;
(2)不能用于需要验算疲劳的连接中;
(3)其施工顺序,应根据板件的厚度,施焊时能否采取反变形措施等具体条件分析决定,一般采用先栓后焊的方式,此时高强度螺栓的强度应计算焊接影响,作一定的拆减;当采用先焊后栓且板间又不夹紧时,宜采用大直径螺栓,并需将螺栓的抗剪承载力设计值乘以拆减系数;
(4)在静力荷载作用下,摩擦型高强度螺栓可以和侧
角焊缝共同作用。
在直接承受动荷载作用的连接中,则不能用这种连接,施工时一般采用先栓后焊的程序,并在设计中考虑温度影响将高强度螺栓的预拉力予以适当拆减;
(5)能共同工作的混合连接,其总承载力可按不同连接方式承载力的总和考虑。
3钢结构连接节点在工程中的应用
欧美及我国广泛采用的梁柱刚性连接又可分为三类:
(1)梁端与柱的连接全部采用焊接连接;
(2)梁翼缘与柱的连接采用焊接连接,梁腹板与柱的连接采用摩擦型高强螺栓接;
(3)梁端与柱的连接采用普通T形连接件的高强螺栓连接。
在以上连接节点中,全焊连接型式是焊缝连接最充分的,不会产生滑移。
从理论上讲,良好的焊缝质量和焊接构造可以提供足够的延性,但在实际施工过程中存在一定的困难,而且要求对焊缝进行比较严格的探伤检查。
此外,焊接残余应力和残余变形也给实际结构带来不利影响;高强螺栓连接施工比较方便,但存在接头尺寸过大、钢材消耗较多。
目前栓焊连接应用较为普遍,工地安装时,先用螺栓定位后对翼缘施焊,具有施工方便的优点。
通过实验表明,其滞回曲线与全焊连接的滞回曲线接近,翼缘焊接对螺栓的预拉力有一定的影响,使螺栓预拉力降低,因此高强螺栓的实际应力应留有富余度。
梁柱连接节点的基本设计原则:
节点必须能够完全传递被连接板件的压力(或拉力)、弯矩和剪力等。
在强震作用下节点的应力始终低于框架梁的应力,以保证在结构在罕遇地震时,处于高应力下的框架梁可率先进入塑性,发展成塑性铰,使钢结构的良好延性得到充分发挥来消耗地震能量,实现节点晚于构件破坏,即“强节点弱杆件”的设计思想。
那么如何做到“强节点弱构件”设计原则呢?
通常可采用塑性铰的粱端增强式连接(如节点加焊盖板等)或在离粱端不远处将梁的上下翼缘进行消弱的狗骨式连接。
通过这些构造措施,来增强节点的延性,确保在较大的地震作用下,塑性铰出现在梁内,不出现节点破坏现象。
4钢结构梁柱节点设计应注意的问题
(1)连接的设计应与内力分析的假定相一致。
在结构分析前,就应该对连接节点的形式进行充分的思考和分析,以保证最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式完全一致。
(2)节点构造不应太复杂。
节点设计要尽可能使工人能方便的进行现场定位和安装。
此外,节点设计还应考虑加工厂的工艺水平。
(3)节点设计尽可能避免偏心连接,不能完全避免时应考虑偏心连接对结构的影响。
(4)传力要直接、连续。
各构件之间受力要明确,尽可能避免应力集中。
(5)注意破坏顺序控制。
设计时应加强主要构件的连接节点,避免在结构重要受力构件还处于弹性变形阶段时,由于节点破坏而导致整个结构的倒塌。
(6)注意构造细节。
使节点具有足够的延性和韧性;节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。
(7)注意对薄弱环节的加强保护。
在梁柱可能出现塑性铰的区段,应该限制板件宽厚比,防止局部屈曲,保证耗能作用的发挥,同时设置侧向支承点,保证梁上塑性铰转动过程中,不出现梁的整体失稳。
5结语
至今,钢结构建筑已经历了多次强烈地震的考验,正如人们所预料的,钢结构的抗震性能远比混凝土结构优越。
但是由于设计特别是构造上的不当,也发生了一些破坏,连接节点的破坏更是比较普遍。
因此,节点设计是整个钢结构设计工作中的重要环节。
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