钢框架节点连接设计浅析

刘博

摘要：随着钢结构建筑设计技术的成熟及中国钢材产量的迅猛发展，钢结构体系在中国建筑市场上所占份额越来越重，本文参照相关规范规程以及在工程应用中遇到的问题，综合阐述多层及高层钢结构梁与柱连接节点的设计方法。

关键词：节点设计；铰接连接；刚接连接；节点连接构造

一、钢结构梁柱节点的分类

1.1 梁柱連接基于刚度的分类

根据EC3（1993）规定，如果梁柱连接节点的转动刚度≤0.5倍被连接梁线刚度，即：Kz≤0.5ib，则这个连接被认为是铰接。在竖向荷载作用下，梁端弯矩弯矩已经很小，挠度已经接近简支梁挠度的84%以上。

EC3规定，对于刚性连接，有侧移时，Kz≥25ib，则梁柱连接可以看成是刚接的；在无侧移的情况下，Kz≥8ib，则梁柱连接可以看成是刚性的，即忽略梁柱连接半刚性的影响。从梁端弯矩和跨中挠度的角度出发，可决定刚性连接的分界：节点转动的影响使得梁端弯矩减小到刚接时的80%作为分界标准，要求节点转动使得跨中挠度增加不要超过20%。

1.2 梁柱连接基于强度和变形能力的分类

梁柱连接节点，根据连接的强度分为以下四类：

1）.铰接连接：连接有足够的转动能力，且其极限承载力≤被连接梁的塑性弯矩的25%；

2）.等强连接：连接有足够的转动能力，且其极限弯矩至少等于被连接梁的塑性弯矩；

3）欠强连接：连接有足够的转动能力，其极限弯矩为（0.25～1.0）Mpb；

4）超强连接：连接的极限弯矩至少等于被连接梁塑性弯矩的1.2倍，此时不要求连接的转动能力。

二、刚性节点连接构造

目前比较常用的刚性连接构造主要有以下几种：

1）混合连接。通常有两种做法，一种是梁上下翼缘与钢柱连接采用全熔透的坡口焊缝，腹板可采用刚度较大的角钢用高强螺栓与钢柱连接；另一种则是梁上下翼缘用全熔透的坡口焊缝，腹板则采用高强度螺栓与柱翼缘上的剪力板连接。

2）全焊连接。梁上下翼缘采用全熔透的坡口焊缝，腹板则采用双面角焊缝。这种连接对焊接工艺要求比较高，否则连接部位会出现局部严重的应力集中，出现三向应力状态，影响结构的受力性能。

3）T型连接件节点。通过T型钢材将柱翼缘和梁翼缘采用高强螺栓连接，这种连接的好处就是不会出现严重的残余应力和三向应力，也有些资料将这种连接构造作为大刚度的半刚性连接。

多高层钢结构中梁柱连接一般采用刚性连接，具体做法有柱贯通式和梁贯通式两种类型。一般采用柱贯通式。柱在两个互相垂直的方向都与梁刚性连接时宜采用箱型截面，并在梁翼缘处设置隔板；隔板采用电渣焊时，柱壁板厚度不宜小于16mm，小于16mm时刻改用工字型柱或采用贯通式隔板。当柱仅在一个方向与梁刚接时，宜采用工字型截面，并将柱腹板置于刚接框架平面内。

柱在梁翼缘对应位置应设置横向加劲肋，加劲肋的尺寸应：

1）对于仅一侧有梁连接的柱（边柱），加劲肋的厚度不得小于梁翼缘厚度的一半；

2）对应两侧都有梁连接的节点（中柱），加劲肋的厚度取两侧梁翼缘厚度较大者；

3）加劲肋的宽度不小于向加劲肋传递拉压力的板件的宽度，但是通常加劲肋和柱翼缘齐平；

4）加劲肋的宽度比不得大于15（235/fys）？，fys为加劲肋的屈服强度；

5）加劲肋按照压杆计算强度和稳定性，计算稳定性时，计算长度是柱腹板高度，截面是加劲肋截面加两侧各12倍的柱腹板厚度，稳定系数按照压杆柱曲线b确定。

三、半刚性节点连接构造

半刚性节点种类比较多，常见的形式主要有以下几种：

1）腹板双角钢的顶底角钢连接。该构造为最典型的半刚性连接，四个角钢分别与梁的翼缘、腹板用高强螺栓与柱连接；

2）腹板双角钢连接或剪切板连接。腹板双角钢连接或剪切板连接主要由两个角钢或钢板通过焊缝或高强螺栓将柱翼缘与梁腹板连接起来。有资料显示，这类节点大约能够承受完全刚接节点端部弯矩的20%；

3）梁顶底角钢连接。梁上下翼缘各用一个角钢与柱连接，可以承担一定的梁弯矩；

4）外伸端板连接。这种连接是抗弯钢框架常用的连接方法，端板与梁上、下翼缘与腹板焊接连接，端板与柱翼缘用高强螺栓连接，通常有外伸式和平齐式。外伸式端板伸出梁翼缘，然后高强螺栓集中在翼缘附近连接；平齐式端板与梁翼缘平齐，高强螺栓只能在腹板范围内连接。

5）矮端板连接。端板的高度小于梁高，连接方法同外伸端板，所以这种连接的转动刚度比较小，弯矩-转角特性与双腹板角钢连接相似。

6）腹板单角钢或单板连接。腹板仅用一个角钢与钢柱通过焊接或高强螺栓连接，其刚度很小，很接近柔性连接。

7）短T型钢连接件。这种连接用高强螺栓连接，将两个短T型钢连接件的腹板与梁上下翼缘连接，其翼缘与钢柱翼缘连接，受力特点接近于刚性连接。

铰接连接是来实现简支约束条件，最常用的就是用支座角钢或用主梁腹板连接角钢来传递剪力。

四、节点计算

《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）中涉及多层和高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点的设计计算公式有两套。一是，当遭遇多遇地震作用（小震），按第一水准烈度设防时，采用表达式S≤R/rRE对杆件的承载力和节点连接进行计算，其中抗震调整系数应根据不同结构构件和不同连接材料分别取不同的数值；二是，当遭遇超过多遇地震作用至基本地震作用按第二水准烈度设防，或遭遇罕遇地震作用按第三水准烈度设防时，抗规还要求按公式Mu≥1.2Mp进行连接的极限承载力验算。

国内外学者经过试验研究和理论分析认为节点破坏的重要原因就是节点本身存在的根本性缺陷，针对此问题，目前研究主要集中在两个方面：一是减少节点区集中应力的大小，改善应力分布；二是根据“强柱弱梁”和“强节点弱构件”的思路，把梁截面破坏位置从节点处往外移，就是在梁上合适位置产生塑性铰以此来增大结构延性。目前节点设计思路主要就是在梁的上下翼缘接近节点处进行截面消弱或在梁端局部加大截面。常用的有以下几种：

1）“犬骨式”节点

这类节点是对梁翼缘宽度进行消弱，即在梁上下翼缘或仅在下翼缘的每边切去一圆弧、锥形或者梯形等。

2）腹板带长槽孔的节点

这种节点形式就是在梁腹板靠近柱翼缘处沿梁翼缘轴线方向切上下两条缝。

3）加腋梁法

这种做法就是在梁的上下翼缘位置加上腋梁，增大梁端截面。

4）盖板式连接

这种做法就是在钢梁上、下翼缘接近钢柱位置处局部加强的盖板式连接。

5）加立肋板和内肋板的连接

这种做法是在翼缘上焊接立板或内肋板来增大节点刚度。

目前多层钢结构房屋建筑结构体系及节点连接在地震作用下的工作性能、破坏机理和加固对策是钢结构领域的较为重要的课题，这对发展及广泛应用多层钢结构的建筑体系具有重要的理论和应用价值。另外，抗震设计中要有“强柱弱梁”的概念设计要求，防止因为节点局部破坏影响结构整体性能，造成不必要的经济损失。

参考文献

1.建筑抗震设计规范（50011-2010），中国建筑工业出版社。

2.童根树，钢结构设计方法，中国建筑工业出版社。

3.王秀丽，多层钢框架梁柱连接节点抗震性能研究，博士学位论文，哈尔滨工业大学。

4.夏志斌，钢结构-原理与设计，中国建筑工业出版社。