鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點優(yōu)化設(shè)計的探討

【摘要】近年國內(nèi)多高層鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅猛，結(jié)構(gòu)類型多樣。本文針對鋼結(jié)構(gòu)體系中的不同連接節(jié)點的性能及適應(yīng)范圍進(jìn)行了比較分析，結(jié)合地震作用下提出了優(yōu)化節(jié)點設(shè)計的方法，并提出了節(jié)點設(shè)計工作中要注意的問題。

【關(guān)鍵詞】節(jié)點設(shè)計 抗震 鋼結(jié)構(gòu)

連接節(jié)點是鋼結(jié)構(gòu)能否安全可靠的關(guān)鍵，關(guān)系到結(jié)構(gòu)在荷載作用下的整體性能以及單個構(gòu)件的受力狀態(tài)。目前鋼結(jié)構(gòu)一般被認(rèn)為有較好的抗震性能，但如果結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造上存在缺陷，尤其是連接的不合理亦會造成震害，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及到生命。因此鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的設(shè)計以及施工質(zhì)量問題就值得我們關(guān)注和探討。

一、梁柱節(jié)點類型

鋼結(jié)構(gòu)梁柱結(jié)合的部分稱為梁柱節(jié)點或梁柱連接，它在結(jié)構(gòu)中起到重要作用。在正常使用狀態(tài)下，鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點將梁與柱連成整體，使結(jié)構(gòu)能夠有效地承受重力、風(fēng)載等外部荷載。在強(qiáng)烈地震作用下，梁端和節(jié)點域產(chǎn)生塑性變形，形成塑性鉸，有效地吸收和耗散能量，使結(jié)構(gòu)能夠做到大震不倒、小震可修。連接節(jié)點的力學(xué)性能還會影響到結(jié)構(gòu)的整體行為，如結(jié)構(gòu)變形、自振周期、地震反應(yīng)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力。根據(jù)受力變形特征，鋼結(jié)構(gòu)梁與柱的連接可以劃分為以下三類。

（1）剛性連接。梁柱間無相對轉(zhuǎn)動，連接可以承受彎矩和剪力。這種連接節(jié)點的彈性剛度大于或等于構(gòu)件的彈性剛度。習(xí)慣上，若連接轉(zhuǎn)動約束達(dá)到理想剛接的90%以上就認(rèn)為是剛性連接。

（2）鉸支連接。梁柱間有相對轉(zhuǎn)動，連接不能承受彎矩和剪力。該節(jié)點的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于構(gòu)件的剛度，在計算時可以認(rèn)為等于零。通常當(dāng)梁柱軸線夾角的改變量達(dá)到理想鉸接的80%時就認(rèn)為是鉸接。

（3）半剛性連接。梁柱間有相對轉(zhuǎn)動，能承受剪力和一定的彎矩，具有一定的剛度。剛度和強(qiáng)度介于鉸接和剛接之間。

結(jié)構(gòu)設(shè)計中習(xí)慣的做法是把連接當(dāng)成理想剛接或者鉸接，這樣做能夠使計算大大簡化，得到的計算結(jié)果必然與實際存在偏差。目前，主要通過采用調(diào)整系數(shù)來減少這種偏差。

二、節(jié)點構(gòu)造做法及特點

1.高強(qiáng)度螺栓連接：多層及高層鋼結(jié)構(gòu)要承受風(fēng)荷載的反復(fù)作用和地震的往復(fù)作用，梁柱節(jié)點應(yīng)采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓，不得采用承壓型螺栓連接。螺栓連接由于安裝簡單迅速，便于維護(hù)和加固，廣泛用于橋梁結(jié)構(gòu)、工業(yè)與民用建筑鋼結(jié)構(gòu)的連接中。

2.全焊型連接：焊接連接時疲勞敏感，焊接結(jié)構(gòu)的低溫冷脆問題比較突出，產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形，對結(jié)構(gòu)工作產(chǎn)生不利影響，除因受力復(fù)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(yè)與民用建筑鋼結(jié)構(gòu)中。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(shè)計時應(yīng)注意選擇合適厚度的節(jié)點板。節(jié)點域的塑性轉(zhuǎn)動過大會增加框架的水平位移，對框架的整體受力不利。在施工時應(yīng)保證對接焊縫的質(zhì)量，對接焊縫必須焊透，梁上、蓋板與柱對接焊縫的質(zhì)量對梁柱剛性連接的滯回性能有很大的影響。下翼緣的焊接引弧板如果留在構(gòu)件上應(yīng)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.摩擦型高強(qiáng)度螺栓與焊縫形成的混合連接：（1）焊縫的破壞強(qiáng)度高于高強(qiáng)螺栓的強(qiáng)度，抗滑極限強(qiáng)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）施工順序應(yīng)根據(jù)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(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度應(yīng)計算焊接影響，作一定的折減；（4）在靜力荷載作用下，摩擦型高強(qiáng)度螺栓可以和側(cè)角焊縫共同作用。施工時一般采用先栓后焊的程序，并在設(shè)計中考慮溫度影響將高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力予以適當(dāng)拆減；（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。

三、節(jié)點設(shè)計基本原則

要實現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點弱桿件的目標(biāo)，就必須在梁-柱連接節(jié)點設(shè)計中，不僅要對罕遇地震時節(jié)點的極限承載力進(jìn)行計算，而且更應(yīng)該對在常遇地震時彈性設(shè)計階段的節(jié)點承載力進(jìn)行計算。

進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在結(jié)構(gòu)分析過程中應(yīng)想好用哪種節(jié)點形式，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選用，按照傳力特征不同，選擇節(jié)點分剛接、鉸接還是半剛性連接。

1.在彈性階段，梁祝連接處的抗彎能力必須大于框架梁的抗彎能力，并使二者之比≥K（K為鏈接承載力抗震調(diào)整洗漱與框架梁承載力抗震調(diào)整系數(shù)之比）。防止受大震作用時因梁柱連接處可能存在的某些缺陷導(dǎo)致框架衡量在尚未出現(xiàn)塑性鉸之前，節(jié)點連接就過早地發(fā)生脆性破壞。

2.在滿足基本原則1后，在彈塑性階段，塑性鉸必然將離開柱面向外移，為此在彈性設(shè)計階段就應(yīng)預(yù)測并人為控制塑性鉸的位置，使該位置梁截面最外纖維的最大彎曲應(yīng)力高于梁柱連接處焊縫的最大彎曲應(yīng)力，以便在大震時促使框架梁在可能出現(xiàn)塑性鉸的部位，其醫(yī)院在高應(yīng)力下首先曲服，產(chǎn)生塑性變形，行程塑性鉸，已達(dá)到耗散地震能量的目的。

為了實現(xiàn)以上兩個基本原則，就必須派出在常規(guī)的等截面梁上未加任何加強(qiáng)或削弱就直接與柱連接的做法（不論是全焊接還是栓焊混合連接）。在構(gòu)造上必須打破常規(guī)，才去一些改進(jìn)措施來滿足以上要求。

四、優(yōu)化的梁柱節(jié)點設(shè)計方法

鋼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要求“強(qiáng)節(jié)點、弱構(gòu)件”，這種概念是保證節(jié)點破壞在構(gòu)件端部塑性得到充分發(fā)展后發(fā)生。因此要求節(jié)點的鏈接強(qiáng)度（焊縫、螺栓）大于相連構(gòu)件端部的承載能力，同事節(jié)點必須保證足夠的延性。梁柱連接的承載力不僅與鏈接的形式、焊縫的類型、焊縫的尺寸、螺栓的直徑、螺栓數(shù)量、螺栓的排列有關(guān)，而且與各連接件之間的變形有關(guān)。各連接件相對剛度的變化會引起鏈接的破壞形態(tài)發(fā)生根本性的改變，在分析和設(shè)計鏈接時必須嚴(yán)格按照設(shè)計者的意圖來確定各連接件之間的相對剛度。

狗骨式節(jié)點是近年來一種新形式節(jié)點，這種節(jié)點的最主要特點是梁的翼緣靠近節(jié)點處進(jìn)行了節(jié)點削弱。它的設(shè)計思想是梁的削弱部分截面能夠改變塑性鉸出現(xiàn)的位置，迫使在極限荷載作用下塑性鉸脆弱的節(jié)點連接處，首先出現(xiàn)在梁上，因為經(jīng)過截面削弱的梁具有很大的延性，即通過削弱梁來保護(hù)梁柱節(jié)點。狗骨式節(jié)點彌補(bǔ)了普通節(jié)點塑性區(qū)很小這一缺陷，經(jīng)過對梁進(jìn)行合理的截面削弱，使較長的梁幾乎同時進(jìn)入塑性，真正做到增加兩主節(jié)點的延性。表面上降低了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，但實際上降低很小，在正常結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載作用下強(qiáng)度和剛度完全滿足要求。只是在地震等超強(qiáng)荷載作用下可能出現(xiàn)不滿足的情況，但恰恰是這個時候突出延性設(shè)計的必要性。

在鋼框架結(jié)構(gòu)中，梁柱構(gòu)件多采用H型截面，狗骨式節(jié)點的削弱部分均取在翼緣截面上，根據(jù)形狀的不同分為直線型、錐形、圓弧形三種。其中直線型和錐形狗骨式節(jié)點施工更加簡便易行、在性能上也較普通節(jié)點有很大的改善，但由于削弱部位的橫截面的突然變化造成應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中是造成結(jié)構(gòu)脆性破壞的重要因素。因此目前主要推薦使用圓弧形。影響狗骨式剛性連接的主要因素是焊縫的類型、尺寸、布置以及梁翼緣削弱的位置和程度。焊縫首先保證在承載過程中連接不會在削弱處行程塑性鉸之前發(fā)生脆性斷裂；同時梁翼緣削弱處應(yīng)盡量光滑避免行程缺陷導(dǎo)致鏈接的失敗。若梁腹板采用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，則螺栓的直徑、排列、以及預(yù)拉力也是影響連接的因素，螺栓連接與焊接連接是兩種不同的連接方式，在變形的過程中，兩者相互協(xié)調(diào)，因此在設(shè)計時應(yīng)綜合考慮二者影響，不孤立分析任何一方面。

五、結(jié)語

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)歷多次強(qiáng)烈地震的考驗，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能遠(yuǎn)比混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)越。但是由于設(shè)計特別是構(gòu)造上的不當(dāng)，也發(fā)生了一些破壞，連接節(jié)點的破壞更是比較普遍。因此，節(jié)點設(shè)計是整個鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中的重要環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)的做法上按照力學(xué)的原理進(jìn)行技術(shù)上的改良，推陳出新的優(yōu)化節(jié)點設(shè)計是非常重要的。