钢结构梁柱节点优化设计的探讨

钢结构梁柱节点优化设计的探讨

作者：赵思卓

来源：《房地产导刊》2014年第12期

【摘要】近年国内多高层钢结构发展迅猛，结构类型多样。本文针对钢结构体系中的不同连接节点的性能及适应范围进行了比较分析，结合地震作用下提出了优化节点设计的方法，并提出了节点设计工作中要注意的问题。 【关键词】节点设计 抗震 钢结构

连接节点是钢结构能否安全可靠的关键，关系到结构在荷载作用下的整体性能以及单个构件的受力状态。目前钢结构一般被认为有较好的抗震性能，但如果结构布置和构造上存在缺陷，尤其是连接的不合理亦会造成震害，带来巨大的经济损失，甚至危及到生命。因此钢结构梁柱节点的设计以及施工质量问题就值得我们关注和探讨。 一、梁柱节点类型

钢结构梁柱结合的部分称为梁柱节点或梁柱连接，它在结构中起到重要作用。在正常使用状态下，钢结构梁柱节点将梁与柱连成整体，使结构能够有效地承受重力、风载等外部荷载。在强烈地震作用下，梁端和节点域产生塑性变形，形成塑性铰，有效地吸收和耗散能量，使结构能够做到大震不倒、小震可修。连接节点的力学性能还会影响到结构的整体行为，如结构变形、自振周期、地震反应和结构内力。根据受力变形特征，钢结构梁与柱的连接可以划分为以下三类。

（1）刚性连接。梁柱间无相对转动，连接可以承受弯矩和剪力。这种连接节点的弹性刚度大于或等于构件的弹性刚度。习惯上，若连接转动约束达到理想刚接的90%以上就认为是刚性连接。

（2）铰支连接。梁柱间有相对转动，连接不能承受弯矩和剪力。该节点的刚度远远小于构件的刚度，在计算时可以认为等于零。通常当梁柱轴线夹角的改变量达到理想铰接的80%时就认为是铰接。

（3）半刚性连接。梁柱间有相对转动，能承受剪力和一定的弯矩，具有一定的刚度。刚度和强度介于铰接和刚接之间。

结构设计中习惯的做法是把连接当成理想刚接或者铰接，这样做能够使计算大大简化，得到的计算结果必然与实际存在偏差。目前，主要通过采用调整系数来减少这种偏差。 二、节点构造做法及特点

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1.高强度螺栓连接：多层及高层钢结构要承受风荷载的反复作用和地震的往复作用，梁柱节点应采用摩擦型高强度螺栓，不得采用承压型螺栓连接。螺栓连接由于安装简单迅速，便于维护和加固，广泛用于桥梁结构、工业与民用建筑钢结构的连接中。

2.全焊型连接：焊接连接时疲劳敏感，焊接结构的低温冷脆问题比较突出，产生焊接残余应力和变形，对结构工作产生不利影响，除因受力复杂，接头刚度大或施焊不便的安装接头不宜采用焊接外，可广泛用于工业与民用建筑钢结构中。全焊型梁柱连接的滞回性能好于栓焊型混合连接，具有较好的塑性变形能力。在全焊型梁柱连接中，设计时应注意选择合适厚度的节点板。节点域的塑性转动过大会增加框架的水平位移，对框架的整体受力不利。在施工时应保证对接焊缝的质量，对接焊缝必须焊透，梁上、盖板与柱对接焊缝的质量对梁柱刚性连接的滞回性能有很大的影响。下翼缘的焊接引弧板如果留在构件上应将其与柱焊接，最好跟梁翼缘也焊在一起，以减小对接焊缝未焊透对梁柱连接受力的不利影响。

3.摩擦型高强度螺栓与焊缝形成的混合连接：（1）焊缝的破坏强度高于高强螺栓的强度，抗滑极限强度，其比值宜控制在1～3之间；（2）不能用于需要验算疲劳的连接中；（3）施工顺序应根据板件的厚度，施焊时能否采取反变形措施等具体条件分析决定，一般采用先栓后焊的方式，此时高强度螺栓的强度应计算焊接影响，作一定的折减；（4）在静力荷载作用下，摩擦型高强度螺栓可以和侧角焊缝共同作用。施工时一般采用先栓后焊的程序，并在设计中考虑温度影响将高强度螺栓的预拉力予以适当拆减；（5）能共同工作的混合连接，其总承载力可按不同连接方式承载力的总和考虑。 三、节点设计基本原则

要实现强节点弱杆件的目标，就必须在梁-柱连接节点设计中，不仅要对罕遇地震时节点的极限承载力进行计算，而且更应该对在常遇地震时弹性设计阶段的节点承载力进行计算。 进行钢结构设计时，在结构分析过程中应想好用哪种节点形式，根据结构构件的选用，按照传力特征不同，选择节点分刚接、铰接还是半刚性连接。

1.在弹性阶段，梁祝连接处的抗弯能力必须大于框架梁的抗弯能力，并使二者之比≥K（K为链接承载力抗震调整洗漱与框架梁承载力抗震调整系数之比）。防止受大震作用时因梁柱连接处可能存在的某些缺陷导致框架衡量在尚未出现塑性铰之前，节点连接就过早地发生脆性破坏。

2.在满足基本原则1后，在弹塑性阶段，塑性铰必然将离开柱面向外移，为此在弹性设计阶段就应预测并人为控制塑性铰的位置，使该位置梁截面最外纤维的最大弯曲应力高于梁柱连接处焊缝的最大弯曲应力，以便在大震时促使框架梁在可能出现塑性铰的部位，其医院在高应力下首先曲服，产生塑性变形，行程塑性铰，已达到耗散地震能量的目的。

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为了实现以上两个基本原则，就必须派出在常规的等截面梁上未加任何加强或削弱就直接与柱连接的做法（不论是全焊接还是栓焊混合连接）。在构造上必须打破常规，才去一些改进措施来满足以上要求。

四、优化的梁柱节点设计方法

钢框架结构抗震设计要求“强节点、弱构件”，这种概念是保证节点破坏在构件端部塑性得到充分发展后发生。因此要求节点的链接强度（焊缝、螺栓）大于相连构件端部的承载能力，同事节点必须保证足够的延性。梁柱连接的承载力不仅与链接的形式、焊缝的类型、焊缝的尺寸、螺栓的直径、螺栓数量、螺栓的排列有关，而且与各连接件之间的变形有关。各连接件相对刚度的变化会引起链接的破坏形态发生根本性的改变，在分析和设计链接时必须严格按照设计者的意图来确定各连接件之间的相对刚度。

狗骨式节点是近年来一种新形式节点，这种节点的最主要特点是梁的翼缘靠近节点处进行了节点削弱。它的设计思想是梁的削弱部分截面能够改变塑性铰出现的位置，迫使在极限荷载作用下塑性铰脆弱的节点连接处，首先出现在梁上，因为经过截面削弱的梁具有很大的延性，即通过削弱梁来保护梁柱节点。狗骨式节点弥补了普通节点塑性区很小这一缺陷，经过对梁进行合理的截面削弱，使较长的梁几乎同时进入塑性，真正做到增加两主节点的延性。表面上降低了结构的强度和刚度，但实际上降低很小，在正常结构设计荷载作用下强度和刚度完全满足要求。只是在地震等超强荷载作用下可能出现不满足的情况，但恰恰是这个时候突出延性设计的必要性。

在钢框架结构中，梁柱构件多采用H型截面，狗骨式节点的削弱部分均取在翼缘截面上，根据形状的不同分为直线型、锥形、圆弧形三种。其中直线型和锥形狗骨式节点施工更加简便易行、在性能上也较普通节点有很大的改善，但由于削弱部位的横截面的突然变化造成应力集中，而应力集中是造成结构脆性破坏的重要因素。因此目前主要推荐使用圆弧形。影响狗骨式刚性连接的主要因素是焊缝的类型、尺寸、布置以及梁翼缘削弱的位置和程度。焊缝首先保证在承载过程中连接不会在削弱处行程塑性铰之前发生脆性断裂；同时梁翼缘削弱处应尽量光滑避免行程缺陷导致链接的失败。若梁腹板采用摩擦型高强螺栓连接，则螺栓的直径、排列、以及预拉力也是影响连接的因素，螺栓连接与焊接连接是两种不同的连接方式，在变形的过程中，两者相互协调，因此在设计时应综合考虑二者影响，不孤立分析任何一方面。 五、结语

综上所述，钢结构建筑经历多次强烈地震的考验，钢结构的抗震性能远比混凝土结构优越。但是由于设计特别是构造上的不当，也发生了一些破坏，连接节点的破坏更是比较普遍。因此，节点设计是整个钢结构设计工作中的重要环节。在传统的做法上按照力学的原理进行技术上的改良，推陈出新的优化节点设计是非常重要的。