鋼結構框架梁柱節點連接設計方法探討

張曉霞

1 概述

鋼結構由于具有重量輕、塑性韌性好、制造簡便、易于采用工業化生產、施工安裝周期短、抗震性能較好等許多優點，近年來得到了快速的發展。梁、柱節點是鋼框架中的關鍵連接部分，連接性能直接影響框架結構在荷載作用下的整體行為。實際的鋼框架梁柱連接應分為三類:剛性連接(具有較高的強度和剛度)、鉸接連接(具有很大的柔性)和半剛性連接(剛度和強度介于鉸接和剛接之間)。通過學習了解到對于梁柱節點的研究還有很長的路要走。在工業建筑物、構筑物中，梁柱連接一般均采用剛接節點，而民用建筑物、構筑物中，梁柱連接形式有用剛接節點的，也有用鉸接節點的，承受荷載的差異是造成不同連接形式的重要原因之一。對于民建，梁與柱的連接是采用剛接還是鉸接還需具體情況具體分析，如果做鉸接，鋼梁僅在腹板處采用高強螺栓連接，上、下翼緣無需進行現場焊接。這就使得現場安裝程序大為簡化，現場安裝可以不受天氣及季節的影響，安裝速度大大提高。此外，在節點及構件設計中，節點和構件可以標準化。節點較好處理，只承受剪力，但梁的型號較大;對于工業建筑，梁柱一般是做剛接，這是由于結構承受的荷載一般較大而且還有較大的動力荷載。

2 各種連接形式特點

鋼結構梁柱實際連接形式可分為螺栓連接、栓焊混合連接、全焊型連接。

2.1 普通螺栓及高強度螺栓連接

2.1.1 普通螺栓

普通螺栓分為A，B，C 3級，A，B級為精制螺栓，C級為粗制螺栓。A級和B級螺栓材料的性能等級為5.6級或8.8級，C級螺栓性能等級為4.6級或4.8級。A，B級精制螺栓已很少在鋼結構中采用，C級螺栓用于不直接承受動力荷載結構中的次要連接，或安裝時的臨時固定和可拆卸結構的連接等。A，B級螺栓，從經濟觀點出發，以采用高強螺栓代替較為適宜。

2.1.2 高強度螺栓

1)我國現有兩種高強度螺栓連接副:扭剪型高強度螺栓連接副和大六角頭高強度螺栓連接副，這兩種高強度螺栓的性能都是可靠的，在設計中可以通用。

2)抗剪連接，根據受力特性不同，又可分為以下形式:a.摩擦型高強度螺栓。為通過連接板層間的抗滑力來傳遞剪力，按板層間出現滑動作為其承載能力的極限狀態，適用于重要結構和承受動力荷載的結構，以及可能出現的反向內力構件的連接。其孔徑比公稱直徑大1.5mm～2.0mm。b.承壓型高強度螺栓。以連接板層間出現滑動作為正常使用(即在荷載標準值作用下)的極限狀態，配以連接的破壞(螺栓或構件破壞)作為其承載能力的極限狀態，其計算方法與構造要求與普通螺栓相同?？捎糜谠试S產生少量滑移的靜荷載結構或間接承受動力荷載的構件，當允許在某一方向產生較大滑移時，可采用長圓孔。當為圓孔時，其孔徑比螺栓公稱直徑大1.0mm～1.5mm。承壓型高強度螺栓適用于容許連接處有微量滑移的承受靜力荷載的結構。

2.2 摩擦型高強度螺栓與焊縫形成的混合連接

這種連接應注意以下幾點:1)焊縫的破壞強度高于高強栓連接的抗滑極限強度，其比值宜控制在 1～3之間;2)不能用于需要驗算疲勞的連接中;3)其施工順序，應根據板件的厚度，施焊時能否采取反變形措施等具體條件分析決定，一般采用先栓后焊的方式，此時高強度螺栓的強度應計及焊接影響，作一定的折減;當采用先焊后栓且板間又不夾緊時，宜采用大直徑螺栓，并需將螺栓的抗剪承載力設計值乘以折減系數;4)在靜力荷載作用下，摩擦型高強度螺栓可以和側角焊縫共同作用。在直接承受動荷載作用的連接中，則不能用這種連接，施工時一般采用先栓后焊的程序，并在設計中考慮溫度影響將高強度螺栓的預拉力予以適當折減，如乘以0.8，0.96的系數;5)能共同工作的混合連接，其總承載力可按不同連接方式承載力的總和考慮。

2.3 全焊型連接

全焊型連接時疲勞敏感，焊接結構的低溫冷脆問題比較突出，產生焊接殘余應力和變形，對結構工作產生不利影響，除因受力復雜，接頭剛度大或施焊不便的安裝接頭不宜采用焊接外，可廣泛用于工業與民用建筑鋼結構中。

全焊型梁柱連接的優點及施工時注意事項試驗結果表明，全焊型梁柱連接的滯回性能好于栓焊型混合連接，具有較好的塑性變形能力。在全焊型梁柱連接中，設計時應注意選擇合適厚度的節點板。節點板太強，不僅浪費材料，也不能充分利用節點域的變形能力耗散地震能量;相反節點板太弱的梁柱連接雖然能發展相當大的塑性變形，但由于梁翼緣難以形成塑性，也限制了節點的耗能能力。同時，節點域的塑性轉動過大會增加框架的水平位移，對框架的整體受力不利。在這種連接中，梁上、下蓋板邊緣加工后與柱采用葉接焊縫連接，蓋板與梁的連接采用角焊縫，梁腹板與柱連接通過鋼板或角鋼而連在一起，鋼板或角鋼與梁腹板采用角焊縫連接，鋼板或角鋼與柱采用對接焊縫連接。在施工時應保證對接焊縫的質量，對接焊縫必須焊透，梁上、蓋板與柱對接焊縫的質量對梁柱剛性連接的滯回性能有很大的影響。特別是焊縫與柱翼緣的連接面應注意除油除漆，合理安排施工順序。下翼緣的焊接引弧板如果留在構件上，應將其與柱焊接，最好跟梁翼緣也焊在一起，以減小對接焊縫未焊透對梁柱連接受力的不利影響。

3 各種連接形式比較

歐美及我國廣泛采用的梁柱剛性連接又可分為三類:1)梁端與柱的連接全部采用焊接連接;2)梁翼緣與柱的連接采用焊接連接，梁腹板與柱的連接采用摩擦型高強螺栓連接;3)梁端與柱的連接采用普通 T形連接件的高強螺栓連接。

在以上剛性連接節點中，全焊連接形式是焊縫連接最充分的，不會產生滑移。從理論上講，良好的焊縫質量和焊接構造可以提供足夠的延性，但在實際施工過程中存在一定的困難，而且要求對焊縫進行比較嚴格的探傷檢查。此外，焊接殘余應力和殘余變形也給實際結構帶來不利影響;高強螺栓連接施工比較方便，但存在接頭尺寸過大、鋼材消耗較多的現象。目前栓焊連接應用較為普遍，工地安裝時，先用螺栓定位后對翼緣施焊，具有施工方便的優點。通過實驗表明，其滯回曲線與全焊連接的接近，但是，翼緣焊接對螺栓的預拉力有一定的影響，可使螺栓預拉力降低，因此高強螺栓的實際應力應留有余度。梁柱連接節點的基本設計原則:節點必須能夠完全傳遞被連接板件的壓力(或拉力)、彎矩和剪力等。在強震作用下節點能夠基于材料的延性，保證結構產生非彈性變形，即在梁內而不是在柱內產生塑性鉸，以消耗地震輸入的能量，使節點免于破壞，并保證結構的整體性使其免于倒塌，即“強柱弱梁、強節點弱桿件”的設計思想。

4 提高框架梁柱節點抗震性能的措施

地震區的剛性連接節點設計要滿足多遇地震下彈性狀態的承載力要求和罕遇地震下彈塑性狀態的承載力和變形要求。

根據鋼框架強柱弱梁的抗震設計原則，按照有效控制梁上塑性鉸位置的思路，采用在梁腹板進行開孔削弱的節點形式促成塑性鉸的形成。結果表明，采用腹板開孔的構造形式，可以控制節點處的塑性鉸形成位置，改變了梁翼緣的應力分布、節點的滯回特性和破壞模式，在嚴格焊縫工藝的情況下可以使節點的破壞模式從脆性破壞轉變為梁的局部屈曲破壞，降低了連接焊縫發生脆性破壞的可能性，達到節點的破壞位置向梁中偏移的目的，從一定程度上改善了節點的延性性能。

提高梁柱焊接節點的抗震性能是鋼結構抗震設計的重要內容之一。美國北嶺和日本阪神震害教訓表明，為防止梁柱焊接節點在地震中出現源于焊縫的脆性破壞，設計上應注意降低節點焊縫處的應力集中，改善焊縫的受力狀態，設法利用鋼材的塑性儲備來吸收地震能量，并根據抗震設防要求和地震作用特點選用韌性達標的焊接材料。制造和安裝時還應注意消除節點焊縫處的各種應力集中，通過加腋和加蓋板對節點進行加強，提高節點承載力;對梁局部削弱，使塑性鉸從節點區外移至梁上;改進節點區焊接孔構造形式，緩解局部應力集中;妥善處理弧板和墊板，減少焊縫缺陷。

[1] 張 行.兩種半剛性節點的有限元分析及對框架的影響[J].山西建筑，2010，36(5):78-79.