钢结构节点破坏实例分析

钢结构节点破坏实例分析

杨大元

(中冶赛迪工程技术股份有限公司， 重庆 400013)

摘 要：与其他结构相比，钢结构的成败与否，除了与结构体系、荷载取值、计算假定、截面选择、位移控制、加工制作和运输安装等“共同性”的因素密切相关以外，还与螺栓、锚栓、焊缝和构造等“特殊性”的因素即节点息息相关。通过对某钢结构节点破坏实例的看法、比较、分析和建议，阐述节点也是决定钢结构成败的重要因素这一观点。

关键词：钢结构； 螺栓；锚栓； 焊接； 节点

1 概 述

与其他结构相比，钢结构的成败与否，除了与结构体系、荷载取值、计算假定、截面选择、位移控制、加工制作和运输安装等“共同性”的因素密切相关以外，还与螺栓、锚栓、焊缝和构造等“特殊性”的因素即节点息息相关。调研得知，一般情况下，钢结构相关人员比较重视上述“共同性”的因素，且有越来越多强大的计算机分析和绘图软件作技术支撑，出现问题的几率相对较少；而对后面那些“特殊性”的因素即节点，则较容易被忽视，出现问题的几率相对较多。这些也许与高等院校的教学重点和钢结构相关人员自身的经验积累有一定关系。下面以某钢结构节点出现问题并导致破坏的一个实际工程为例进行讨论，以飨读者。

事实上，由于钢结构节点破坏导致失败的工程，可能有设计问题，也有可能有施工问题，还有可能既有设计问题又有施工问题。但是，不管怎么样，业主、监督机构或者公安机关总会首先审查设计，其次审查施工。根据观察、分析、计算和推断，本文从不同的角度进行重点阐述，不一定面面俱到，也没有故意贬低失败工程的意思，只期可以抛砖引玉。

2 某独立钢架钢管柱柱脚破坏

2.1 破坏概况

2004年盛夏的黄昏，狂风袭来，某独立钢架钢管柱柱脚瞬间破坏，钢架整体倒塌并砸向立交桥，又滑落到桥下正在行驶的一辆汽车上，造成了几十万元的经济损失。

2.2 原设计和内力

2.2.1 设计说明

原钢架设计说明规定：钢材采用Q235，焊条采用E43型，所有金属构件的接触面均应焊接，钢管焊缝高度hf =10 mm，其余未注明焊缝高度hf=6 mm，长度一律满焊。

2.2.2 柱脚内力

该钢架钢管柱柱脚的内力如下：

侧向弯矩 M=4 555.0 kN·m；

竖向压力 N=216.0 kN；

水平剪力 Q=182.2 kN。

2.2.3 柱脚构造

该钢架钢管柱柱脚如图1所示。其中，钢管柱外径为φ1 400，壁厚为14 mm；柱脚没有靴梁，底板厚度t=20 mm；圆周上均匀分布着12M24的锚栓，其螺纹长150 mm，锚入基础950 mm，弯折100 mm；圆周上还均匀分布12块100 mm×10 mm×300 mm的加劲肋，但加劲肋没有让钢管与其底板之间连接焊缝连续通过的切角，且是一块块完整的长方形板。

图1 原设计钢架钢管柱柱脚

2.3 破坏原因

钢架倒塌以后，相关人员及时前往现场查看了钢管柱柱脚的破坏形态，并从原始条件、材料选择、设计、计算、连接、构造、制图、焊接、锚栓和基础等方面进行了较为全面的验算、审查、推敲、分析和判断，排除了因上述“共同性”的因素导致钢架倒塌的可能，认定该钢架是因上述“特殊性”的因素引起的破坏。同时，也提出了设计存在的其他缺陷和瑕疵等问题。

2.3.1 对原设计钢材选择的看法

国家标准GB 700-88《碳素结构钢》(当时执行的是88版标准)和GB/T 700-2006《碳素结构钢》均明确规定：A级钢冷弯试验合格时，抗拉强度上限可不作为交货条件；在保证钢材力学性能符合标准的前提下，各牌号A级钢的碳、锰和硅含量可不作为交货条件，其含量在质量证明书中予以注明。换句话说，Q235A级钢的含碳量大于0.22%也属于合格产品，且没有上限限制。

显然，设计说明对该钢架钢材的选择规定存在不足：要求不严密。当然，亦不符合现行国家标准GB 50017—2003《钢结构设计规范》第3.3.3条关于“对焊接结构尚应具有含碳量的合格保证”的规定，即含碳量宜控制在0.12%～0.20%之间。

这是因为，对于Q235A级钢，其含碳量大于0.22%甚至再高，设计者也只能承认购买的是合格产品，并满足设计要求。众所周知，含碳量偏高会使碳当量增加，直接影响钢结构的焊接性能，况且Q235A级钢含碳量的离散性较大。这看似不值得一提的“小事”，如果是因为采用的Q235A级钢而带来了焊缝性能低劣的大问题，设计人员是提不出任何异议的。细节决定成败，设计说明的“钢材采用Q235”应改为“钢材采用Q235B”，或者规定“Q235含碳量应小于0.20%”。

2.3.2 对原设计柱脚选择的商榷

从第2.2.2节可以看出，该钢架属于偏心受压的单肢钢管柱。由于轴力较小、剪力较大且弯矩很大，不太适宜采用将锚栓直接连接在钢管端部封板上面的外露式柱脚形式，宜采用埋(插)入式、外包式或加靴梁的外露式柱脚。全面权衡柱脚受力性能、美观、加工和安装等因素，多数人主张采用埋(插)入式柱脚,并在钢管里面灌注一段素混凝土或者在基础顶面位置设置一块横隔板。因为这种钢管柱柱脚抗弯矩、轴力和剪力的能力都很强，且构造简单，摩擦和抗拔能力也很强，比较容易符合现行国家标准GB 50017-2003的规定,如图2所示。

图2 埋(插)入式钢管柱柱脚

当然，这里并没有绝对不能采用图1这种柱脚形式的意思。如果非要采用图1所示柱脚，建议按锚栓直径D约为柱脚底板厚度t的2倍的经验加大锚栓直径，根据计算需要确定锚栓数量，并调整底板厚度。

此外，锚栓适宜于承受拉力，钢管柱与基础的连接是重要连接节点，不宜让锚栓承受剪力。如果取钢板与混凝土之间的摩擦系数μf=0.4，则该钢架钢管柱柱脚与基础之间的摩擦力为F=86.4 kN，小于水平剪力 Q=182.2 kN，不能满足要求。故原钢架钢管柱柱脚没有设置抗剪键是导致柱脚节点破坏的原因之一。其实，在基础内均匀布置4个较小型钢就能很好地解决抗剪问题。

2.3.3 对原设计焊缝要求的理解

如图1所示，钢管柱柱脚没有标注焊缝符号，不符合当时执行的国家标准GB/T 50105-2001《建筑结构制图标准》和GB 324-88《焊缝符号表示法》的相关规定。加工和焊接只能依据设计说明进行，但上述说明要求确实有些模糊不清，理解困难，容易产生歧义。

譬如钢管柱柱脚的加劲肋，应该是“钢板元件(零件)”，而非设计说明所说的“构件”，国家标准GB 50083-1997《建筑结构设计术语和符号标准》有明确界定。该钢板元件(零件)与柱底板的焊脚尺寸hf取10 mm还是6 mm值得考虑。如焊脚尺寸取hf =10 mm，显然不太符合设计说明所说的对“钢管焊缝高度”的要求；如果取6 mm，又不符合现行国家标准GB 50017—2003第8.2.7条的构造规定，即该角焊缝焊脚尺寸hf不得小于= 6.7 mm (t为较厚焊件厚度)。

另外，说明中“接触面均应焊接”是何意？是要求单面焊接还是双面焊接？这一点可以有不同的理解。设计说明表达有疏漏，焊接人员当然愿意凭理解单面焊接——这种现象在近些年来的钢结构工程中屡见不鲜，值得相关人员高度重视。

还有，柱脚加劲肋没有切角，钢管与其底板之间的连接焊缝不能连续通过，也就是说“接触面”不可能百分之百地焊接，这就不得不强调由于该焊缝间断会给钢架的安全带来隐患。

只要充分利用“工程师语言”，正确使用GB/T 50105-2010和GB/T 324-2008的相关焊缝符号，就能彻底解决上述表达不严密的问题，在此不再赘述。

2.3.4 对钢管柱与柱底板之间焊缝强度的验算

现行国家标准GB 50017-2003第10.1.2条规定：圆钢管的外径与壁厚之比不应超过100(235/fy)。该钢架钢管柱柱脚横截面为φ1 400×14，虽然钢管柱外径与壁厚之比处于极限状态，但尚能满足上述规范限制的构造要求，钢管壁不至于产生局部失稳。

根据第2.2.2节内力，对该钢架钢管柱按压弯构件进行了验算，其与柱底板连接处的应力如下：

拉应力f=193 MPa<>f]=215 MPa；

压应力f=185 MPa<>f]=215 MPa；

剪应力fv=6 MPa<>fv]=125 MPa。

由此可见，钢管本身的强度是符合GB 50017-2003相关规定的，即从“共同性”的因素上看该设计是没有问题的。如果在“特殊性”的节点设计上将钢管端部剖口与柱底板等强焊接，即使采用二级焊缝(强度设计值[ ]=205 MPa)也符合上述标准的规定。

但是，由于设计说明笼统地规定所有接触面均采用角焊缝，即使取钢管端部与柱底板之间的单面角焊缝为hf =10 mm，则其计算厚度也仅为he=0.7hf =7 mm；按GB 50017-2003的规定取角焊缝强度设计值 =160 MPa，正面角焊缝强度设计值增大系数取βf =1.22，则该焊缝强度也仅为]=195 MPa。按圆形焊缝近似地计算出其应力为fwt=428 MPa。显然，这条关键的强度焊缝(非连接焊缝)并不符合上述规范的规定。

再退一步分析设计说明意图，在钢管柱内增焊一圈hf =10 mm的角焊缝，按双面角焊缝考虑，简单计算可得到 ≈428/2 = 214 ]=195 MPa。所以，此时应纳入加劲肋焊缝统一计算，即让加劲肋焊缝也承受一部分弯矩。不过，这种做法的前提是必须保证所有焊缝质量。此作法实在有些勉强和欠妥，风险也较大，不值得提倡。

为此，建议该钢架钢管柱与底板之间的焊缝最好采用单面剖口补焊根或双面剖口的等强焊接方式，焊缝质量等级取二级。如果非要采用角焊缝，应明确规定采用双面角焊缝，且宜取hf =12 mm。另外，应在设计说明中补充规定“焊缝质量等级为三级”的字样。

2.3.5 对钢管柱底板强度的验算

1) 钢管柱底板应力。

按偏心受压工况计算得到柱底板的最大和最小应力分别为：σmax= 9.5 MPa，σmin=-9.4 MPa。

该钢架钢管柱基础采用的是C20钢筋混凝土灌注桩，可见柱底板的最大压应力小于国家标准GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》(当时执行的是2002版)规定的局部抗压强度。由于基础持力层为大面积泥岩且沿槽浇灌的桩身较长，加上查看了该钢架钢管柱柱脚的实际破坏形态，相关人员很快就排除了因地基、基础强度不足或基础倾斜引起钢架倒塌的疑问。

2)钢管柱内部底板厚度。

首先按轴心受压(不考虑弯矩)工况近似地计算出钢管柱底板应力，然后按四周嵌固的假定计算出钢管柱内部底板最大弯矩和所需厚度。它们分别为：M1=51 819.0N·mm， T1=39 mm?20 mm。

3) 钢管柱外部底板厚度。

首先偏于安全地取上面得到的钢管柱底板最大应力，然后根据图1加劲肋划分的实际条件，按悬臂板计算出钢管外部底板最大弯矩和所需厚度分别为：M2=106 875.0 N·mm， T2=57 mm?20 mm。

综上可知，该钢架钢管柱底板的选取厚度与现行国家标准GB 50017 -2003的相关规定相差太远。如果确要采用T2=57 mm的底板，还会出现钢材材质需要抗层状撕裂的问题。故原钢架钢管柱柱脚底板厚度不足是导致柱脚节点破坏的原因之二。

从图1可以看出，虽然钢管柱外部底板上面设置了12块加劲肋，但加劲肋的宽度只有100 mm，比钢管柱底板外悬宽度150 mm窄了50 mm。这样做看似节约了钢材，实际上没有完全让加劲肋起到应有的作用。在直径1 600 mm的圆周上，加劲肋间的弧长(即加劲肋划分出的三面支承底板自由边长度)为418.9 mm，垂直自由边长度(加劲肋宽度方向)与自由边长度之比不能按150/418.9=0.358考虑，而应该按100/418.9=0.239<0.3考虑。显然，该钢架钢管柱外部底板只能按悬伸长度为150>mm的悬臂板进行计算(当然也可按悬伸长度为100 mm考虑，但这时应重新计算底板应力)。鉴于上述原因，自然而然地导致钢管柱外底板弯矩偏大的弊端，原设计的钢管柱底板强度不足在所难免。

其实解决该问题的办法十分简单：在钢管柱内部底板上设置十字形加劲肋和在钢管柱外部底板上加密加劲肋即可。诚然，设置环形底板也是一种较好的解决办法，不过此时应重新计算钢架钢管柱底板应力，柱脚底板形式与原设计也大相径庭，比较意义不是太大。

2.3.6 对钢管柱柱脚锚栓强度的验算

1) 钢管柱底板受拉区范围。

根据第2.3.5节第1)点计算出的钢管柱底板应力，可以很方便地算出钢管柱底板受拉区范围为：x=845.5 mm。

2) 最外端锚栓所受拉力和直径。

根据图1，先将钢管柱底板受拉区的5个锚栓折算成最外端锚栓，然后计算出最外端锚栓所受拉力和所需锚栓直径分别为：T=888.0 kN， D=100 mm?D=24 mm。

由此可见，该钢架钢管柱柱脚锚栓强度远远不能满足现行国家标准GB 50017 -2003的相关规定。故原钢架钢管柱柱脚锚栓直径太小是导致柱脚节点破坏的原因之三。

2.3.7 对加劲肋及其焊缝强度的验算

从第2.3.5节的第1)点可以看出，该钢架钢管柱底板承受的拉、压应力是比较接近的。但是，由于加劲肋间距太稀疏(在钢管外径处两个加劲肋间弧长为365.5 mm)，锚栓传递给柱底板的拉力在底板上面按45°扩散，其宽度为174 mm时已直接传递给钢管柱，根本传递不到加劲肋上(类似的钢结构工程例子较多)。所以下面仅取钢架钢管柱底板压力并按偏心受力元件近似地计算加劲肋强度及其焊缝强度。

1) 加劲肋强度。

根据第2.3.5节的第1)点可按面积近似地计算出加劲肋承受的压力N=317.1 kN，加劲肋与柱底板连接处的压应力(非局部压应力)为：

f=317.1 MPa?[f]=215 MPa

加劲肋与钢管连接处的综合应力为：

fmax=149.5 MPa<[f]=215>MPa

其中，弯矩作用下的应力fM=105.7 MPa，剪力作用下的应力fV=105.7 MPa。由此可见，加劲肋高度符合现行国家标准GB 50017—2003的相关规定，但宽度尚不符合上述规范的相关规定。

2)加劲肋焊缝强度。

同样，根据上述加劲肋承受的压力N=317.1 kN，可以近似地计算出加劲肋与底板的连接焊缝应力为：

f=206.3 MPa?[f]=160 MPa

加劲肋与钢管的连接焊缝尺寸取10 mm，其综合应力为：

fmax=112.4 MPa<[f]=160>MPa

其中，弯矩作用下fM=80.8 MPa，剪力作用下fV=78.1 MPa。加劲肋竖向焊缝强度尚符合现行国家标准GB 50017-2003的相关规定，但水平焊缝强度不符合规范的相关规定。故原钢架钢管柱柱脚加劲肋及其焊缝部分强度不足是导致柱脚节点破坏的原因之四。

2.3.8 对原钢架钢管柱柱脚的改造

综上所述，在图1所示柱脚的基础上，根据柱脚内力和验算结果，加大了锚栓直径、增加了锚栓数量及其加劲肋(根据受力和美观需要切成梯形)、加厚了柱脚底板，并重新绘制了该钢架钢管柱柱脚，如图3所示。图3中锚栓材质仍为Q235B。如果希望减小锚栓直径，亦可采用Q345B，换算得知需采用M64锚栓。当然，亦在基础(钢管柱底板圆周边)上均匀预埋了4个75×6的角钢作为抗剪键，此时剪力取Q=182.2-86.4=95.8 kN。

图3 改造原设计后的钢管柱柱脚

3 结 语

1)从“共同性”的因素上看，原钢架设计说明规定“钢材采用Q235”是不严谨的。但由于钢架倒塌后没有条件对钢材进行补充检验，不知道该钢架采用的是“Q235A”、 “Q235B”还是其他等级的钢材，故尚不能肯定地说是“共同性”的因素即钢材选择出了问题。事实上，从以上分析可以看出，该钢架因钢材选择出问题的几率还是较小的。

2)从“特殊性”的因素上看， 原设计钢架钢管柱

柱脚(图1)节点设计是有问题的，如缺抗剪键、锚栓直径小、底板薄、焊脚尺寸不足和加劲肋宽度不足等，故可以肯定地说是上述“特殊性”的因素导致了该钢管柱柱脚“节点”破坏从而引起钢架的倒塌。当然，如果采用有限元分析，结果会比近似计算要精确得多，锚栓直径、底板厚度、焊脚尺寸和加劲肋宽度可能还会小一些。

3)改造后的钢架钢管柱柱脚(图3)是根据第2.2.2节的方法近似计算后得到的，虽然能够满足GB 50017-2003的相关规定，但锚栓直径较大且数量多、底板较厚且加劲肋密集，柱脚尤其是锚栓成本较高且加工复杂，并不建议采用该类柱脚。

4)埋(插)入式钢管柱柱脚(图2)的缺点是基础施工略复杂一些，可能多耗一点钢材，需要在钢管内灌注混凝土或者设置横隔板。但该柱脚受力性能好，安全可靠，所用环形底板很薄，加工简单，焊接容易，费用低，故最终还是推荐采用该柱脚形式。

参考文献：

[1] GB 50017-2003 钢结构设计规范[S].

[2] GB 700-88 碳素结构钢[S].

[3] GB/T 700-2006 碳素结构钢[S].

[4] GB/T 50105-2001 建筑结构制图标准[S].

[5] GB 324-88 焊缝符号表示法[S].

[6] GB 50083-1997 建筑结构设计术语和符号标准[S].

[7] GB /T 50105-2010 建筑结构制图标准[S].

[8] GB 50010—2002 混凝土结构设计规范[S].

[9] 赵煕元，柴昶，武人岱.建筑钢结构设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1995.

ANALYSIS ON CASE OF DAMAGES TO JOINTS OF STEEL STRUCTURES

Yang Dayuan

(MCC CISDI Engineering Co. Ltd, Chongqing 400013, China)

Abstract：Comparing with other forms of structures, the factors leading to the success or failure of steel structures are slightly different. Structural system, load value, calculation assumption, selecting section, displacement control, manufacture, the transportation and installation are normally considered as common influencing factors in all kinds of structures. However, for steel structures, the importance of joints, for example, bolts and welds, is also a key element which should not be ignored. By comparing and analyzing some damaged joints of a steel structure, this paper points out that the joints are also an important factor determining the success or failure of a steel structure.

KEY WORDS：steel structure; bolts； anchor bolts; welding; joint

收稿日期：2014 - 10 - 28

DOI：10.13206/j.gjg201505011

作 者：杨大元，男，1954年出生，国家一级注册结构工程师，教授级高级工程师，主任工程师。

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