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【摘要】本文对建筑钢结构的节点设计进行了详细分析，希望能够给读者提供一些借鉴和参考。
【关键词】钢结构；节点；结构体系；设计
中图分类号：TU2文献标识码： A
一、前言
钢结构自重轻、施工时间短、结构特殊，是当前建筑行业的主要结构形式。在钢结构设计中，以节点设计最为重要。
二、钢结构的定义及质量控制内容
1、钢结构的定义钢结构是指采用钢板及型钢经过加工成各种形状的钢构件后，通过焊接、螺栓连接、铆接将钢构件相互连接固定而成的承重结构物。
2、钢结构质量控制的内容随着钢结构的不断快速发展，钢结构相关规范不断完善，关于《建筑钢结构焊接技术规程》、《钢结构工程施工质量验收规范》等技术操作、质量控制方面的规范指导越来越多，成为钢结构质量控制的主要依据。钢结构的质量要求可以理解为三个方面的内容，其一是钢结构型材的质量，要求材料要满足强度、尺寸要求，满足设计要求；其二是钢结构加工制作的构件质量要求，要求钢梁钢柱满足设计要求，外观、承载力达到设计标准；其三是安装质量要求，要求钢结构工程与其他结构牢固结合，钢构件之间的安装固定满足国家质量标准要求，满足设计要求。
三、钢筋混凝土结构的常见破坏形式
城市高层建筑受到的破坏和冲击一般来自于地震的牵引力和作用力，遭到破坏后的表现形式主要有以下几种：钢筋混凝土框架柱被严重压弯或者受到剪切而破坏、出现多处弯曲和裂缝；钢筋混凝土框架大梁的截面和锚固都遭到不同程度的受损和破坏；板四角裂缝、和大梁平行的通长出现大面积裂缝；另外，由于钢筋的配置和设计不合理还常常导致钢筋框架节点的核芯区遭到破坏。由于钢筋框架结构的节点设计在建筑施工图纸上得不到明确的标识和体现，导致节点的钢筋构造在地震到来时不能经受地震带来的严重冲击而使得楼房遭到破坏，人民生命财产受到威胁。所以建筑施工单位要重点解决钢筋混凝土结构钢筋节点的设计难题，以保证钢筋设计的合理耐用。
四、结构体系的选择
侧向荷载效应对于多层钢结构住宅的影响处于突出地位，是其设计的焦点所在。依据抵抗侧向荷载作用的功效，目前，对于多层钢结构住宅来说，常用的结构体系主要有钢框架结构体系、框架－支撑结构体系等。
在多层钢结构住宅中应用最广的是框架体系，其柱距宜控制在6～9m范围内，次梁间距以3～4m为宜，该体系平面布置较灵活，刚度分布均匀，延性较大，自振周期较长，抗震性能好;但由于侧向刚度小，易引起非结构构件的破坏。当房屋层数较多时，可用框架－支撑结构体系。该体系体系有中心支撑、偏心支撑两种。中心支撑在受压时吸收能量的能力主要取决于在反弹变形时对于局部屈曲的抗力和长细比，它的耗能能力受到支撑屈曲的影响，因此当抗侧刚度不足时，不宜采用这种中心支撑框架。偏心支撑在梁端或中部形成耗能梁端，则结构在弹性阶段呈现较好的刚度，在非弹性阶段具有很好的延性和耗能能力，从而保护建筑，主要用在强震地震区。对于抗震设防烈度为6、7度区的多层钢结构住宅，3～5层建议采用钢框架结构体系，优先采用H型钢组成的结构体系;6～7层宜采用框架－支撑结构体系，优先采用方钢管柱+H型钢梁+XY向支撑结构体系;抗震设防烈度为8、9度区的3～7层钢结构住宅，建议采用H型钢梁+方钢管柱+XY向支撑结构体系。
五、基本结构构件的类型
对于多层钢结构住宅钢构件的截面形式有:热轧H型钢截面，焊接H型钢截面、焊接箱形截面、型钢混凝土截面、钢管截面、钢管混凝土截面等。在进行结构构件设计的时候，柱选取箱形截面或焊接工字形截面可以大大降低耗钢量，满足甲方的经济适用性要求;而梁应尽可能选取国标H型钢，从而解决局部稳定的问题，也有利于减少构件规格，避免焊接缺陷。型钢混凝土结构虽然抗震性能好，但对于抗震设防烈度8度，抗震等级为二级的多层住宅结构体系，层间位移角的控制较难，致使梁柱截面的承载能力難以得到充分发挥。钢管混凝土受力性能及刚度较H型钢柱为佳。
六、钢筋混凝土结构的框架设计原则
在高层建筑的施工过程中我们常常发现，当钢筋混凝土结构的框架立柱边长等于框架横梁的截面宽度时，或者钢筋框架立柱的边和横梁的边发生重合时，钢筋混凝土框架立柱和横梁受力钢筋的位置会产生强烈的冲突，因此对钢筋结构的设计要采取有效措施，按照“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的原则，优先保证钢筋框架立柱受力主筋的正确摆放位置，其次对钢筋框架横梁的受力主筋位置进行适当的调整。可行性办法是架设钢筋时，让钢筋框架横梁的受力钢筋直接从框架立柱的内侧穿过去；或者在钢筋框架横梁较为接近框架立柱的位置设置四根钢筋，分别摆放在四个角的位置，从而保证钢筋框架横梁的截面尺寸合乎要求。这种办法一方面能够有效解决钢筋框架立柱和横梁受力主筋位置相互冲突的问题，另一方面还便于钢筋和混凝土的施工操作，不影响受力结构，保证了高层建筑的稳定性。
七、钢筋框架墙梁节点的钢筋设计方案
在高层建筑钢筋框架的剪力墙结构中，最重要且最复杂的受力点就是主梁和次梁的钢筋节点，因此它的设计是否合理就显得非常关键，如果板筋或者次梁上面的钢筋保护层厚度不够的话，就会减弱或失去钢筋结构的抗震性。所以我们常常有意识地把主梁钢筋摆放在次梁上部钢筋的下面，而把次梁的主筋摆放在板筋的下面。在剪力墙结构施工中我们还常常遇到一个问题，当把钢筋框架的主梁或者次梁直接摆放在核心筒墙体过梁或者暗梁上时，由于墙体过梁或者暗梁的高度和钢筋框架横梁的截面尺寸相同，这样会造成暗梁的主筋位置和钢筋框架横梁的主筋位置产生严重冲突而使得墙体过梁或者暗梁发生扭曲变形，影响建筑施工质量。所以在钢筋结构的设计上要保证墙体过梁或者暗梁以及横梁箍筋完整。
可行性措施是在墙体过梁下面铺设两排总数在六根以内的主力钢筋，在这两排钢筋之间摆放框架横梁的下部钢筋，将框架横梁的接头安装在框架横梁的支座附近，墙体过梁的上部钢筋摆放于框架横梁的上部钢筋下面，同时保证框架横梁主筋的锚固长度符合要求。为了保证楼板钢筋和框架横梁钢筋的保护层厚度，一方面把墙体过梁或者暗梁的截面降低五厘米左右，这样就能够把钢筋框架梁上铁直接锚固在墙体过梁上，增加了结构的稳定性；另一方面在进行框架横梁的箍筋加工时减去负误差，取正误差值。这样我们在保证框架墙体过梁箍筋完整性的同时，还有效防止了钢筋框架横梁和暗梁的主筋位置严重冲突；通过减去负的误差和保留正的误差，有效避免了核心混凝土墙根部混凝土严重超高的情况出现。
八、钢结构节点设计
1、节点设计方案
某电厂炉后设备密布主要包括烟风道、风机房、空预器、凝结水箱等，其中空预器钢支架高度为46.3m，风机房钢支架高度17.0m。在该电厂设计时对荷载值考虑偏小，导致施工过程中结构挠度和侧移过大，已经进行过一次全面加固改造处理，加固后该电厂至今运行良好。在电厂烟气脱硝改造时，需要在炉后垂直布置SCＲ反应器等脱硝设备，根据方案设计中对炉后原有空预器和风机钢支架的评估，以及对原炉后桩基承载力和施工空间的综合考虑，最终选择在炉后原钢柱位置新建格构式钢柱脱硝体系对该电厂进行脱硝改造，避免了对炉后原钢支架体系进行二次加固，又满足了基础施工要求，顺利完成烟气脱硝改造。格构式钢柱体系纵向由3榀钢柱组成，横向由5榀钢柱组成，共13根格构式钢柱，总设计高度55.4m，两台SCＲ反应器重约1800t，支撑于42.25m层。为了尽量减小经济损失，在整体格构式脱硝钢支架建造过程中整台锅炉不停产，在脱硝钢架建造完成脱硝设备安装后，遇锅炉大修停炉期再将脱硝烟气从锅炉省煤器后引入脱硝SCＲ反应器，完成脱硝后再接入原锅炉空预器。在格构式钢柱体系建造过程中，格构式钢柱与实腹垂直支撑连接节点为核心受力节点之一。
格构式钢柱与实腹垂直支撑的连接节点如图1所示，格构式钢柱由4根等截面方钢管柱组成，与格构式钢柱相连的双肢钢梁由2根工字梁组成。首先采用高强螺栓将双肢钢梁与格构式钢柱上预焊的梁段相互连接，并在双肢钢梁间设置铰接梁段，双肢钢梁上设置连接钢板;其次采用连接钢板和L型加劲板将格构式钢柱一侧2根方钢管柱相互连接，使之组成转换节点;最后利用双加劲板将实腹式斜撑与格构式钢柱及双肢梁连接，顺利完成荷载传递，以满足连接节点内力传递的要求。
图1格构式钢柱与实腹垂直支撑连接节点
2、有限元模型
所选择的实腹式垂直斜撑与格构式脱硝钢柱连接节点位于结构29.0m，为实腹式垂直支撑与格构式钢柱连接的典型节点，该节点构造复杂、荷载较大。对所选节点采用通用有限元分析软件ANSYS11.0建立数值模型，如图2所示。节点所采用钢材均为Q345，其弹性模量E取2.06×10MPa，屈服强度fy取345MPa，泊松比ν取0.3，钢材密度ρ取7850kg/m。采用通用钢结构分析软件STAADPro对整体格构式钢架进行建模分析，选取该节点最不利荷载组合工况下的内力施加到有限元模型上。
图2格构式钢柱与实腹式斜撑连接节点有限元模型
有限元模型建立时采用ANSYS11.0提供的Shell181单元对钢板进行模拟，该单元适用于薄到中等厚度的壳结构，且具有应力刚化、大变形功能，具有较好的计算精度。实腹式垂直支撑通过两块节点板将内力传递至转换节点，再通过转换节点将荷载顺利传递至格构式钢柱和双肢钢梁上，整体有限元模型节点共17666个单元。各杆件截面尺寸和等效荷载详见表1。
表1构件截面尺寸
3、计算结果
由图3可知，节点整体von－Mises应力为100MPa左右，构件应力分布均匀，实腹式垂直斜撑与格构式钢柱连接节点焊接区域未见较大应力。最大应力位于实腹垂直支撑与格构式钢柱连接节点板处，为应力集中现象，最大值约为245MPa，小于材料屈服强度。通过采用钢板连接格构式钢柱和双肢钢梁，并设置梁间铰接梁的转换节点方式能顺利传递实腹垂直支撑荷，节点总體受力均匀满足钢结构设计规范要求。
图3格构式钢柱与实腹式斜撑连接节点等效应力
九、结束语
综上所述，通过案例分析，我们对钢结构节点的设计有了进一步的了解。在实际的施工作业过程中，更需要精益求精，保证设计的合理性和科学性，进而保证建筑的整体质量。
参考文献
[1]王伟,王明兴.新型钢管柱-H形梁铸钢模块节点的概念设计与抗震性能评估[J].振动冲击,2014,33(20)：14
[2]王鹏，王宏圃.小议高层建筑中钢筋结构的几点设计[J].黑龙江科技信息，2009,17(15):63
[3]刘观云．多层钢结构住宅结构体系及梁柱节点的研究［D］．中南大学，2013
[4]吴海英．新型全装配钢—混组合结构住宅体系关键技术研究［D］．太原理工大学，2013
【关键词】钢结构；节点；结构体系；设计
中图分类号：TU2文献标识码： A
一、前言
钢结构自重轻、施工时间短、结构特殊，是当前建筑行业的主要结构形式。在钢结构设计中，以节点设计最为重要。
二、钢结构的定义及质量控制内容
1、钢结构的定义钢结构是指采用钢板及型钢经过加工成各种形状的钢构件后，通过焊接、螺栓连接、铆接将钢构件相互连接固定而成的承重结构物。
2、钢结构质量控制的内容随着钢结构的不断快速发展，钢结构相关规范不断完善，关于《建筑钢结构焊接技术规程》、《钢结构工程施工质量验收规范》等技术操作、质量控制方面的规范指导越来越多，成为钢结构质量控制的主要依据。钢结构的质量要求可以理解为三个方面的内容，其一是钢结构型材的质量，要求材料要满足强度、尺寸要求，满足设计要求；其二是钢结构加工制作的构件质量要求，要求钢梁钢柱满足设计要求，外观、承载力达到设计标准；其三是安装质量要求，要求钢结构工程与其他结构牢固结合，钢构件之间的安装固定满足国家质量标准要求，满足设计要求。
三、钢筋混凝土结构的常见破坏形式
城市高层建筑受到的破坏和冲击一般来自于地震的牵引力和作用力，遭到破坏后的表现形式主要有以下几种：钢筋混凝土框架柱被严重压弯或者受到剪切而破坏、出现多处弯曲和裂缝；钢筋混凝土框架大梁的截面和锚固都遭到不同程度的受损和破坏；板四角裂缝、和大梁平行的通长出现大面积裂缝；另外，由于钢筋的配置和设计不合理还常常导致钢筋框架节点的核芯区遭到破坏。由于钢筋框架结构的节点设计在建筑施工图纸上得不到明确的标识和体现，导致节点的钢筋构造在地震到来时不能经受地震带来的严重冲击而使得楼房遭到破坏，人民生命财产受到威胁。所以建筑施工单位要重点解决钢筋混凝土结构钢筋节点的设计难题，以保证钢筋设计的合理耐用。
四、结构体系的选择
侧向荷载效应对于多层钢结构住宅的影响处于突出地位，是其设计的焦点所在。依据抵抗侧向荷载作用的功效，目前，对于多层钢结构住宅来说，常用的结构体系主要有钢框架结构体系、框架－支撑结构体系等。
在多层钢结构住宅中应用最广的是框架体系，其柱距宜控制在6～9m范围内，次梁间距以3～4m为宜，该体系平面布置较灵活，刚度分布均匀，延性较大，自振周期较长，抗震性能好;但由于侧向刚度小，易引起非结构构件的破坏。当房屋层数较多时，可用框架－支撑结构体系。该体系体系有中心支撑、偏心支撑两种。中心支撑在受压时吸收能量的能力主要取决于在反弹变形时对于局部屈曲的抗力和长细比，它的耗能能力受到支撑屈曲的影响，因此当抗侧刚度不足时，不宜采用这种中心支撑框架。偏心支撑在梁端或中部形成耗能梁端，则结构在弹性阶段呈现较好的刚度，在非弹性阶段具有很好的延性和耗能能力，从而保护建筑，主要用在强震地震区。对于抗震设防烈度为6、7度区的多层钢结构住宅，3～5层建议采用钢框架结构体系，优先采用H型钢组成的结构体系;6～7层宜采用框架－支撑结构体系，优先采用方钢管柱+H型钢梁+XY向支撑结构体系;抗震设防烈度为8、9度区的3～7层钢结构住宅，建议采用H型钢梁+方钢管柱+XY向支撑结构体系。
五、基本结构构件的类型
对于多层钢结构住宅钢构件的截面形式有:热轧H型钢截面，焊接H型钢截面、焊接箱形截面、型钢混凝土截面、钢管截面、钢管混凝土截面等。在进行结构构件设计的时候，柱选取箱形截面或焊接工字形截面可以大大降低耗钢量，满足甲方的经济适用性要求;而梁应尽可能选取国标H型钢，从而解决局部稳定的问题，也有利于减少构件规格，避免焊接缺陷。型钢混凝土结构虽然抗震性能好，但对于抗震设防烈度8度，抗震等级为二级的多层住宅结构体系，层间位移角的控制较难，致使梁柱截面的承载能力難以得到充分发挥。钢管混凝土受力性能及刚度较H型钢柱为佳。
六、钢筋混凝土结构的框架设计原则
在高层建筑的施工过程中我们常常发现，当钢筋混凝土结构的框架立柱边长等于框架横梁的截面宽度时，或者钢筋框架立柱的边和横梁的边发生重合时，钢筋混凝土框架立柱和横梁受力钢筋的位置会产生强烈的冲突，因此对钢筋结构的设计要采取有效措施，按照“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的原则，优先保证钢筋框架立柱受力主筋的正确摆放位置，其次对钢筋框架横梁的受力主筋位置进行适当的调整。可行性办法是架设钢筋时，让钢筋框架横梁的受力钢筋直接从框架立柱的内侧穿过去；或者在钢筋框架横梁较为接近框架立柱的位置设置四根钢筋，分别摆放在四个角的位置，从而保证钢筋框架横梁的截面尺寸合乎要求。这种办法一方面能够有效解决钢筋框架立柱和横梁受力主筋位置相互冲突的问题，另一方面还便于钢筋和混凝土的施工操作，不影响受力结构，保证了高层建筑的稳定性。
七、钢筋框架墙梁节点的钢筋设计方案
在高层建筑钢筋框架的剪力墙结构中，最重要且最复杂的受力点就是主梁和次梁的钢筋节点，因此它的设计是否合理就显得非常关键，如果板筋或者次梁上面的钢筋保护层厚度不够的话，就会减弱或失去钢筋结构的抗震性。所以我们常常有意识地把主梁钢筋摆放在次梁上部钢筋的下面，而把次梁的主筋摆放在板筋的下面。在剪力墙结构施工中我们还常常遇到一个问题，当把钢筋框架的主梁或者次梁直接摆放在核心筒墙体过梁或者暗梁上时，由于墙体过梁或者暗梁的高度和钢筋框架横梁的截面尺寸相同，这样会造成暗梁的主筋位置和钢筋框架横梁的主筋位置产生严重冲突而使得墙体过梁或者暗梁发生扭曲变形，影响建筑施工质量。所以在钢筋结构的设计上要保证墙体过梁或者暗梁以及横梁箍筋完整。
可行性措施是在墙体过梁下面铺设两排总数在六根以内的主力钢筋，在这两排钢筋之间摆放框架横梁的下部钢筋，将框架横梁的接头安装在框架横梁的支座附近，墙体过梁的上部钢筋摆放于框架横梁的上部钢筋下面，同时保证框架横梁主筋的锚固长度符合要求。为了保证楼板钢筋和框架横梁钢筋的保护层厚度，一方面把墙体过梁或者暗梁的截面降低五厘米左右，这样就能够把钢筋框架梁上铁直接锚固在墙体过梁上，增加了结构的稳定性；另一方面在进行框架横梁的箍筋加工时减去负误差，取正误差值。这样我们在保证框架墙体过梁箍筋完整性的同时，还有效防止了钢筋框架横梁和暗梁的主筋位置严重冲突；通过减去负的误差和保留正的误差，有效避免了核心混凝土墙根部混凝土严重超高的情况出现。
八、钢结构节点设计
1、节点设计方案
某电厂炉后设备密布主要包括烟风道、风机房、空预器、凝结水箱等，其中空预器钢支架高度为46.3m，风机房钢支架高度17.0m。在该电厂设计时对荷载值考虑偏小，导致施工过程中结构挠度和侧移过大，已经进行过一次全面加固改造处理，加固后该电厂至今运行良好。在电厂烟气脱硝改造时，需要在炉后垂直布置SCＲ反应器等脱硝设备，根据方案设计中对炉后原有空预器和风机钢支架的评估，以及对原炉后桩基承载力和施工空间的综合考虑，最终选择在炉后原钢柱位置新建格构式钢柱脱硝体系对该电厂进行脱硝改造，避免了对炉后原钢支架体系进行二次加固，又满足了基础施工要求，顺利完成烟气脱硝改造。格构式钢柱体系纵向由3榀钢柱组成，横向由5榀钢柱组成，共13根格构式钢柱，总设计高度55.4m，两台SCＲ反应器重约1800t，支撑于42.25m层。为了尽量减小经济损失，在整体格构式脱硝钢支架建造过程中整台锅炉不停产，在脱硝钢架建造完成脱硝设备安装后，遇锅炉大修停炉期再将脱硝烟气从锅炉省煤器后引入脱硝SCＲ反应器，完成脱硝后再接入原锅炉空预器。在格构式钢柱体系建造过程中，格构式钢柱与实腹垂直支撑连接节点为核心受力节点之一。
格构式钢柱与实腹垂直支撑的连接节点如图1所示，格构式钢柱由4根等截面方钢管柱组成，与格构式钢柱相连的双肢钢梁由2根工字梁组成。首先采用高强螺栓将双肢钢梁与格构式钢柱上预焊的梁段相互连接，并在双肢钢梁间设置铰接梁段，双肢钢梁上设置连接钢板;其次采用连接钢板和L型加劲板将格构式钢柱一侧2根方钢管柱相互连接，使之组成转换节点;最后利用双加劲板将实腹式斜撑与格构式钢柱及双肢梁连接，顺利完成荷载传递，以满足连接节点内力传递的要求。
图1格构式钢柱与实腹垂直支撑连接节点
2、有限元模型
所选择的实腹式垂直斜撑与格构式脱硝钢柱连接节点位于结构29.0m，为实腹式垂直支撑与格构式钢柱连接的典型节点，该节点构造复杂、荷载较大。对所选节点采用通用有限元分析软件ANSYS11.0建立数值模型，如图2所示。节点所采用钢材均为Q345，其弹性模量E取2.06×10MPa，屈服强度fy取345MPa，泊松比ν取0.3，钢材密度ρ取7850kg/m。采用通用钢结构分析软件STAADPro对整体格构式钢架进行建模分析，选取该节点最不利荷载组合工况下的内力施加到有限元模型上。
图2格构式钢柱与实腹式斜撑连接节点有限元模型
有限元模型建立时采用ANSYS11.0提供的Shell181单元对钢板进行模拟，该单元适用于薄到中等厚度的壳结构，且具有应力刚化、大变形功能，具有较好的计算精度。实腹式垂直支撑通过两块节点板将内力传递至转换节点，再通过转换节点将荷载顺利传递至格构式钢柱和双肢钢梁上，整体有限元模型节点共17666个单元。各杆件截面尺寸和等效荷载详见表1。
表1构件截面尺寸
3、计算结果
由图3可知，节点整体von－Mises应力为100MPa左右，构件应力分布均匀，实腹式垂直斜撑与格构式钢柱连接节点焊接区域未见较大应力。最大应力位于实腹垂直支撑与格构式钢柱连接节点板处，为应力集中现象，最大值约为245MPa，小于材料屈服强度。通过采用钢板连接格构式钢柱和双肢钢梁，并设置梁间铰接梁的转换节点方式能顺利传递实腹垂直支撑荷，节点总體受力均匀满足钢结构设计规范要求。
图3格构式钢柱与实腹式斜撑连接节点等效应力
九、结束语
综上所述，通过案例分析，我们对钢结构节点的设计有了进一步的了解。在实际的施工作业过程中，更需要精益求精，保证设计的合理性和科学性，进而保证建筑的整体质量。
参考文献
[1]王伟,王明兴.新型钢管柱-H形梁铸钢模块节点的概念设计与抗震性能评估[J].振动冲击,2014,33(20)：14
[2]王鹏，王宏圃.小议高层建筑中钢筋结构的几点设计[J].黑龙江科技信息，2009,17(15):63
[3]刘观云．多层钢结构住宅结构体系及梁柱节点的研究［D］．中南大学，2013
[4]吴海英．新型全装配钢—混组合结构住宅体系关键技术研究［D］．太原理工大学，2013