第十八章　鋼結構

　　(一)Mu < 1.2Mp何意?如何解決?

　　⑴規范要求：根據《建筑抗震設計規范》(以下簡稱《抗震規范》)第 8.2.8條的規定：鋼結構構件連接應按地震組合內力進行彈性設計，并應進行極限承載力計算;

　　梁與柱連接彈性設計時，梁上下翼緣的端截面應滿足連接的彈性設計要求，梁腹板應計入剪力和彎矩。梁與柱連接的極限受彎、受剪承載力，應符合下列要求：

　　Mu ≥ 1.2Mp---(8.2.8-1)

　　式中：Mu-梁上下翼緣全熔透坡口焊縫的極限受彎承載力，其計算公式為：

　　Mu =Af(h-tf)fy

　　MP-梁(梁貫通時為柱)的全塑性受彎承載力，其計算公式為：

　　Mp =Wpfy

　　Wp-構件截面塑性抵抗矩

　　⑵工程實例：某工程為5層鋼框架結構，地震設防烈度為8度，地震加速度為0.2g，場地土類別為三類，設計地震為第一組，梁、柱均采用焊接工字鋼，鋼號均為Q345，首層平面圖如圖1所示：(圖略)

　　通過STS軟件計算可知，圖1中所示GL27與柱GZ6的節點連接設計不滿足《抗震規范》第8.2.8條的規定。由于有些設計人貝對公式(8.2.8-1)缺乏正確的理解，在處理此問題時盲目加大鋼梁截面，調整結果如表1所示：(表略)

　　從表1可以看出，增大梁的截面尺寸后，仍不能滿足要求，構件的極限承載能力提高的非常地有限，僅提高了0.72%，但用鋼量每延米卻增大了 64%，這顯然不合理。通過對《抗震規范》中Mu和1.2Mp的計算公式的分析，我們得知：

　　①Mu主要與梁翼緣板面積和梁高有關，與梁腹板厚無關;

　　②Mp的大小主要受構件截面塑性抵抗矩Mp的控制，而Wp的大小則與截面的尺寸有關。

　　③增大梁翼緣板尺寸和梁高雖然可以增大Mu的值，但Wp的值也會相應增大，這也是為什么如表1所示增大梁截面尺寸但計算結果卻沒有明顯改善的主要原因。

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　　⑶解決方案： 根據強連接弱構件的設計特點，采取如下技術措施：

　　①在梁上下翼緣處加楔形板(如圖2所示，圖略)。通過在梁端上下翼緣處加楔形板，增大全熔透坡口焊縫的長度，從而增加了焊縫的極限抗彎承載力。

　　以本工程為例，設楔形板挑出長度為0.08m，根據公式(1)：

　　Mu=0.08×(0.15+0.016)×(0.25-0.008)×4.7×105=151.05kn-m>1.2Mp=145.73kn-m

　　滿足規范要求

　　②梁上下翼緣加楔形蓋板(如圖3所示，圖略)

　　通過在梁端上下翼緣處加楔形蓋板，增大全熔透坡口焊縫的高度，從而增加了焊縫的極限抗彎承載力。

　　以本工程為例，設楔形蓋板板厚為 0 008m，根據公式(1)：

　　Mu=(0.008+0.006)×0.15×(0.25-0.008)×4.7×105=238.85kn-m>1.2Mp=145.73kn-m

　　滿足規范要求

　　需要指出的是，在梁端上下翼緣處加楔形蓋板后，梁翼緣厚與楔形蓋板厚之和應小于柱翼緣的厚度，否則就有可能使梁翼緣的抗彎承載力大于柱翼緣的抗彎承載力，從而將柱翼緣拉壞。

　　③狗骨法(如圖4所示，圖略)

　　通過設置狗骨式節點連接方式，削弱梁瑞的全塑性受彎承載力以達到滿足規范的要求。(狗骨者，構件兩端翼緣加寬)

　　⑷上述三種連接方法的適用條件。

　　上述三種設計方法主要用于梁柱剛性連接，對于梁柱鉸接連接的節點，由于其連接方式不屬于“強連接弱構件”，因此不需要進行地震組合作用下的極限抗彎承載力驗算。

　　(二)節點域不滿足要求何意?如何解決?

　　⑴規范要求：根據《抗震規范》第8.2.5條第2款的規定：節點域的屈服承載力應符合下式要求：

　　[Ψ(Mpb1+Mpb2)/Vp]≤[(4/3)fv]----(8.2.5-2)

　　工字形截面柱：Vp=hbhcbtw----(8.2.5-3)

　　《抗震規范》第8.2.5條第3款的規定：工字形截面柱和箱形截面柱的節點域應按下列公式驗算：

　　tw≥(hb+hb)/90-----(8.2.5-5)

　　[Ψ(Mb1+Mb2)/Vp]≤[(4/3)fv/γRE]----(8.2.5-6)

　　式中，Mpb1+Mpb2--分別為節點域兩側梁的全塑性受彎矩承載力;

　　Mb1+Mb2--分別為節點域兩側梁的彎矩設計值;

　　Vp--節點域的體積。

　　通過鋼結構的節點連接計算我們得知，公式(8.2.5-2)和(8.2.5-5)不滿足要求的最多，公式(8.2.5-6)一般較容易滿足要求。仔細分析這三個公式的具體含義，我們不難得出以下結論：

　　①公式(8.2.5-2)主要驗算的是節點域的屈服承載力，其大小只與構件的截面大小等本身性質有關，而與外力無關。

　　②公式(8.2.5-5)與(8.2.5-2)一樣，也是只與構件的截面大小有關的物理量，而與外力無關。

　　③公式(8.2.5-6)主要是驗算節點域兩側梁的端彎矩之和所產生的強度應力要滿足規范的允許限值。如果內力不是很大，一般情況下都能滿足要求。

　　⑵工程實例：圖1結構平面圖(圖略)

　　工字形梁1和梁2斷面尺寸為：B×H×tw×tf=150×250×4.5×8

　　工字形柱1斷面尺寸為;B×H×tw×tf=175×350×6×81

　　將上述各參數代入公式(8.2.5-2)中得

　　[Ψ(Mpb1+Mpb2)/Vp]=362.56>[(4/3)fv]=240

　　不滿足規范要求

　　tw=6<(hb+hc)/90=6.3

　　也不滿足規范要求

　　⑶節點域的構造措施：

　　①對于組合柱，直接將柱腹板在節點域范圍內更換為較厚板件。加厚板件應伸出柱橫向加勁肋之處各150mm，并采用對接焊縫與柱腹板相連。

　　②對于軋制H型柱，可貼焊補強板加強。補強板上下邊緣可不伸過或伸出柱橫向加勁肋之處各150mm。當補強板不伸過往橫向加勁助時，板厚不小于5mm。補強板側邊可采用角焊縫與柱翼緣相連，其板面尚應采用塞焊與柱腹板連成整體。塞焊點之間的距離不應大于相連板件中較薄板件厚度的21(235/fy)1/2倍。[(235/fy)1/2是[(235/fy)的1/2次方的意思]]