2 連接節點的構造設計
2．1 圓柱與框架梁的連接
2．1．1 中問層圓柱Lj框架梁的連接鋼框架柱的安裝單元采用帶外環板的懸臂梁段的柱貫通型單元，兩層為一個 元，柱高8．4 m，柱工地接頭設于主梁頂面以上1．0 m處。梁的安裝單元為每跨一根。帶外環板的懸臂段與框架梁相連，上、F翼緣采用全熔透工地焊接，腹板采用10．9級高強度螺栓摩擦型連接(圖2)。為了避免應力集中，采用圖2a所示無折點平滑過渡的弧形環板。為外環板拼接處外環翼飯緣厚l{度l最同厚相者連 梁II tl ^ Il t1 、’ 一一12啄自U勁板a一節點平面；b一柱單兀圖2 中間層圓鋼柱與梁連接節點防止弧形環板受壓力時屈曲，在上、下環板之問設加勁板，采用角焊縫焊接。環板與柱之問在工廠采用全熔透等強焊接，腹板與柱采用雙面貼角焊。如果外環板采用無拼接整體下料，則鋼材浪費較大，為了*本I：程得到了黃宗瑜教授級高工的指導．特此致謝。，但要求錯開加勁肋位置，以避免焊縫重疊，外環板拼接焊縫采用全熔透等強焊接。鋼構件在工廠焊接成安裝單元，在工地現場與梁拼裝。由于運輸的限制，懸臂段長度與柱直徑總長控制在2．4 ITI以內。
2．1．2 頂層圓柱與框架梁的連接頂層圓柱與框架梁的連接在構造上有別于中間各層(圖3)，若頂層仍采用中問各層的構造，在柱頂需設置封頭隔板(圖3b)，這種連接形式在焊接和受力時容易產生柱壁鋼板層狀撕裂現象。在節點設計三一 外環板厚度 豐H連梁冀緣中最厚者Il Il 、 一12厚加勁板中，節點的構造應避免采用約束度大和易產生層狀撕裂的連接形式。有兩種構造方案可選擇：1)在圖3b的基礎上將圓柱端頭伸出接頭焊縫區，伸出長度不小于柱管壁厚度(圖3c)；2)將上環板下料成不開洞的整板與柱相連(圖3d)。兩種構造形式中方案1能改善、方案2能防止焊接時柱壁鋼板的層狀撕裂。本工程屋面大部分為無鋼筋混凝土樓板的玻璃采光屋面，建筑要求屋面結構平整，無凸出結構部件，因此方案1不能滿足建筑要求。本工程采用方案2，即上環板整體下料，可避免層狀撕裂的現象出現，并減少了一圈焊縫，不足之處是鋼板下料浪費較大。封頭隔板 封頭隔板一 l一1240(J，a ba 節點平面；b一不應采用的連接；c一可采用的連接；d圖3 頂層圓鋼柱與梁連接節點
2．2 中部轉換桁架與柱的連接
2．2．1 節點處構造中部轉換桁架上、下弦桿采用箱形截面，尺寸為800 mm X 800 mm，壁厚50 mm。腹桿采用 10、壁厚36 ITtrlq．的鋼管。由于建筑要求，腹桿與弦桿連接時轉換成十字板連接。支承桁架的框架柱采用形截面，在與弦、腹桿連接的部位柱截面變為口形狀。中部轉換桁架是該工程最重要的受力構件之一， 除考慮桁架自身滿足各種工況的受力及變形要求外，桁架與柱的連接構造便成為設計的重點，構造上要保證連接處受力可靠、傳力明確、焊接牢固、易于施工。桁架與柱的連接焊縫若設置在柱邊，則焊縫將位于受力最大處，并且現場拼接焊時其各構件已處于約束狀態，桁架上弦上翼板采用圖4b所示連接方式在焊接時易出現柱翼板(板厚50 ram)的層狀撕裂，采用圖4c所示連接方式則焊縫與柱截面焊縫存在部分堆積現象。本工程采取桁架上、下弦桿連接面外移至距柱邊600 mm處焊接(圖4d)，將節點本工程采用的連接七蓋板整體下料d處柱兩側翼緣鋼板包括外伸段600 mm 整體下料(圖4e)，這個尺寸是根據運輸要求而決定的(要求構件最寬處≤2．4 ITI)。在桁架上、下弦桿的翼板處按規范⋯要求應在柱內設置隔板，但口形柱中間兩區格無論采取任何焊接方法，都無法保證隔板四邊均與柱腹板焊接。本工程采取往口形柱中間兩區格灌C40混凝土的方式來改善其傳力性能，其余四邊區格仍采取加隔板的構造措施(圖4f)。
2．2．2 桁架弦桿拼接焊縫構造桁架上、下弦桿與柱連接采用直縫現場焊接，這樣下翼板焊縫必然會出現仰焊，如此大的焊縫采用仰焊其施工難度大，且焊縫質量也不易保證。為了避免仰焊，桁架在制作時取掉一塊上翼板(圖5)，焊工進入箱形斷面內焊接下翼板(800 mm X 800 mm的箱形斷面內有足夠的焊接空間)，最后焊上小塊上翼板，所有連接焊縫均采用二氧化碳氣體保護電弧剖口焊。由于桁架外露，為保證建筑美觀要求，桁架弦桿下翼板采用不加墊板背面清根的剖口焊，其余剖口焊背面均加焊接墊板。2 鋼結構2004年第6期第19卷總第75期維普資訊 http://www.cqvip.com何建波，等：成都高新科技商務廣場c座鋼結構構造設計桁架I．弦I 篼板 拄頂隔板柱頂隔板外伸 鋼柱內灌c l混凝土a 連接 ；b 易廣：'t- 狀撕裂的焊接；C一焊縫堆積的焊接；d一采用的焊接；e 鋼柱側板下料；f 節點處鋼柱斷面圖4 『}1部轉換桁架 柱連接陶5 桁架弦桿拼援
2．3 對鋼材Z向性能的要求《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2001)規定：采用焊接連接的鋼結構，當鋼板厚不小于40 mm且承受沿板厚度方向的拉力時，應按《厚度方向性能鋼板》(GB 50313—85)的規定，板厚方向的斷面收縮率不應小于該標準ZI5級規定的允許值；《高層民用建筑鋼結構技術規程》(JGJ 99—98)對此的要求是鋼板厚度等于或大于50 mm。《建筑鋼結構焊接規程》(JGJ 99—91)規定：對較厚的板件(≥ 25mm)，在T形接頭、角接接頭和十字形接頭中應采取防止層狀撕裂的措施。規范規定的厚鋼板Z向性能ZI5是最低要求，影響層狀撕裂的因素很多，如鋼材的含硫量、節點設計的合理性、焊接工藝的合理性等。設計中要注意不要以為厚鋼板有了ZI5的保證就可以高枕無憂，對復雜的連接應進行層狀撕裂危險性指數(LTR)⋯ 評價，以確保連接的可靠性。對本工程中焊接復雜且鋼板厚度大的構件——中部轉換桁架與柱連接處的柱斷面(圖6)進行層狀撕裂危險性指數(LTR)評價，驗證ZI5級是否滿足層狀撕裂的要求，否則通過選擇合理的焊接工藝和提高鋼板的Z向性能級別來滿足要求。在桁架與柱的連接處，柱截面形式為圖4f所示，其組合焊縫在節點區域均要求全熔透焊，為了減小焊接變形及對鋼板層狀撕裂的影響，盡量采取雙面剖口焊及窄間隙焊。對圖6中的焊接接頭進行層狀撕裂綜合危險性系數(ELTR)計算：ΣLTR=INF(A)+INF(B)+INF(C)+INF(D)+INF(E) (1)式中 INF(A)—— 焊縫有效厚度的影響取0．3S，S為焊縫有效厚度；INF(B)—— 焊接形式的影響；INF(C)—— 接頭橫向拘束的影響取0．2 ；INF(D)—— 拘束度的影響；INF(E)—— 預熱條件的影響，不預熱取0，預熱溫度>100
℃時取一8。焊接接頭1：ΣLTR=33．7焊接接頭2：ΣLTR=25．9焊接接頭3：ΣLTR=22焊接接頭4：ΣLTR=75fJ 8(J圖6 與桁架連接處的柱斷面焊接表1表示層狀撕裂綜合危險性(ΣLTR)程度不同所要求的鋼材厚度方向斷面收縮率 值，ELTR值為實際工程中各種影響因素的總和。根據《厚度方向性能鋼板》(GB 5313—85)中斷面收縮率 與鋼材Z向級別的對應關系可知：接頭1、接頭2要求鋼板Z向性能級別為Z35，接頭3要求鋼板Z向性能級別為Z25，接頭4可不要求鋼板Z向性能。據此本工程要求此部分的80 mlTl厚鋼板Z向性能達Steel Construction．2004(6)，Vo1．19，No．75 3板槽焊鋼開塞㈣一一一
溫州鋼結構新聞 http://www.shjjbj.com高層鋼結構到Z35級，50 mm 厚鋼板Z向性能達到Z25級要求，同時焊接時要求預熱，預熱溫度>100
℃ 。表1 ~．LTR與對應的 要求值LTR要求的 ／％平均值 最小值
2．4 鑄鋼件構造本工程1～2層為十字形和H三H形柱，以上各層為圓管柱，轉換桁架上也為圓管柱，采用上圓下方鑄鋼件作為兩種形式柱及轉換桁架上柱的過渡，共用鑄鋼件116個，鑄鋼節點系首次在我國高層鋼結構框架中使用。其中用量最大的鑄鋼件形式見圖7，該鑄鋼件重1．58 t。鑄鋼件上連圓管柱，下連十字形柱(與鑄鋼件連接處十字柱變為方形柱)，豎向拐點位置即是連接H型鋼框架梁上下翼緣的位置，錐臺上下各設一道隔板，既是H型框架梁連接受力的需要，同時也是增強鑄鋼件整體剛度的需要。鑄鋼件壁厚根據鑄鋼與框架柱鋼材的設計強度換算而來。。l2—2。圖7 十字柱與圓柱轉換鑄鋼件鑄鋼件采用砂型鑄造方法制造，構造上所有內折角必須做成圓角，同時中間兩隔板必須開洞以便脫模，內折角的圓角半徑及隔板開洞大小先根據砂型鑄造工藝要求初步確定，再用有限元軟件進行鑄鋼節點受力分析并進行局部尺寸調整。本工程對鑄鋼節點進行了低周反復荷載抗震試驗和靜力試驗，試驗表明節點能滿足受力及延性的要求。為保證鑄鋼節點滿足設計要求，對鑄鋼件的力學性能、化學成分、延性、可焊性、外觀、制造、檢驗等提出了必須滿足的條件，以保證鑄鋼件的成功應用。表2為本工程“鑄鋼件交貨技術條件”中外形尺寸允許偏差的要求，對無法用人工測量的壁厚，要求用測厚儀測量。表2 鑄鋼件尺寸偏差要求3 結束語鋼結構構造措施應包括：避免采用有應力集中的構造；設計中應盡量避免有層狀撕裂現象的連接形式；避免采用有層狀撕裂現象的焊接方式；避免采用高空仰焊的連接方式等。為了保證最合理的構造設計，設計中需要鋼結構制作及安裝單位的參與，這樣才能確定出合理、可行的方案。
參考文獻
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2 代寫工程碩士論文趙金城．高溫下鋼材力學性能的試驗研究．建筑結構，2000，30(4)
3李國強，蔣首超，林桂祥．鋼結構抗火計算與設計 北京：中國建筑工業出版社，19994 鋼結構
企業新聞
中國大型鋼結構工程開展情況及成績