鋼結構梁柱節點連接的優化設計

譚芬香（湖南中規設計院有限公司，湖南　長沙　410000）

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鋼結構梁柱節點連接的優化設計

譚芬香（湖南中規設計院有限公司，湖南長沙410000）

近年來，隨著社會的進一步發展，鋼結構獲得了較為廣泛的應用，這使得鋼結構梁柱節點連接設計的重要性日益顯著，節點連接設計的科學性直接關聯著鋼結構自身的穩固性。此背景下，本文首先分析了鋼結構梁柱節點的基本特征，其次對鋼結構梁柱節點連接設計優化措施進行了詳細的闡述，以供參考。

鋼結構；梁柱節點；連接設計；優化措施

1　引言

在鋼結構整體設計過程中，梁柱連接節點的設計具有十分重要的意義，連接節點設計的安全性能夠為鋼結構的整體性、可靠性提供一定的保障，并且直接關聯著制造安裝作業質量與作業進度，以及整體建設周期與成本，針對此，必須對鋼結構梁柱節點連接設計進行不斷深入的分析與研究，以促進我國鋼結構項目的良好發展。

2　鋼結構梁柱節點的基本特征

在進行鋼結構設計時：①需要解決的問題為在相應的計算模型中確定鋼結構連接形式；②還要確定具體的傳力途徑，之后才可將整體結構受力模型簡化；③再采用相關軟件進行分析計算。依據傳力特征的差異性，節點連接主要包括剛接、鉸接與半剛性連接，具體情況如下：

（1）鉸接連接節點的柔性較大，鋼梁僅在腹板部位采用高強螺栓連接形式，上、下翼緣處不需要進行現場焊接操作。鉸接構造較為簡便，能夠在很大程度上簡化現場的安裝程序與流程，并且還可大大減少現場整體作業量，同時，現場安裝操作也不會受到天氣與季節變化的影響，大幅提升了鋼結構安裝速度。但鉸接連接剛度與耗能性能較差，不利于結構的抗風與抗震。

（2）剛性連接節點的強度與剛度相對較高，并且具備良好的受力性能，但構造較為復雜，施工難度較大。在鋼結構梁柱節點設計過程中，通常采用剛接形式進行，主要原因在于梁柱節點所承受的荷載往往較大，并且還需要有低于風荷載與水平地震所引發的位移現象。

（3）半剛性連接節點的剛度與強度處于鉸接與剛接之間。《鋼結構設計規范》沒有對半鋼性連接計算與設計方案進行明確的規定，節點的轉動剛度也大多無法確定，在工程設計中一般不采用此種節點連接形式。

通過諸多實踐經驗與結果可以發現，將連接作為理想剛接或鉸接，可大大簡化計算路程，所獲得的計算結構與實際情況之間必定存在較大的偏差，當前主要采用調整系數的方式盡可能減少此類偏差。

3　鋼結構梁柱節點連接設計優化措施

3.1高強螺栓連接的梁柱節點

3.1.1高強螺栓連接的類型與受力特點

依據設計與受力要求的差異性，可將高強度螺栓大致分為承壓型與摩擦型兩種，其中，在進行摩擦型高強度螺栓連接的抗剪設計時，主要依據外剪力所能夠達到的由螺栓預壓力提供的最大摩擦力為基礎的，因此，在進行具體設計時，需要確保摩擦力能夠較好的承受整體使用期間的外剪力，并且還需保證螺栓桿與孔壁間始終保持原有空隙，以避免板件間相對滑移變形問題的發生。一般情況下，螺栓受力形式如圖1所示。

圖1　螺栓受力形式

在進行承壓型高強度螺栓連接設計時，僅需要對正常使用荷載作用環境下剪力低于最大摩擦力進行充分的考慮，如果剪力超過最大摩擦力，就需要通過螺栓桿身剪切與板件接觸面間摩擦力同時傳力。當采用高強度螺栓連接形式進行節點連接設計時，螺栓受拉力主要通過減少板件間夾緊力的方式承受，在接觸面間形成的正壓力會產生一種較大的摩擦力，其能夠提供正常荷載作用下的拉力，如果外荷載超過此類摩擦力，則連接板的接觸面部位就會發生滑移現象，就認為是連接失效。

3.1.2承壓型高強螺栓連接設計

就當前情況來看，相比于摩擦型高強度螺栓連接形式，國內采用承壓型高強度螺栓連接的情況相對較少，有效的參考資料較少，大部分教科書僅對摩擦型高強度螺栓連接進行了較為詳細的介紹，對于承壓型高強度螺栓連接的介紹相對簡單，所以我國當前的設計大多以現行結構設計規范（以下簡稱規范）為主。在計算承壓型高強度螺栓時，對于剪連接沿著桿軸方向的受拉連接，以及承受剪力與桿軸方向拉力的承壓型高強度螺栓連接計算，應當嚴格按照規范進行。

在原規范中，抗剪連接與同時承受剪力與桿軸方向拉力連接中，需確保承壓型高強度螺栓受剪承載力設計值低于按照摩擦型連接的規定，主要原因在于承壓型高強度螺栓研究相對較淺，特別是使用經驗的廣泛缺乏，所以需對其進行詳細的、嚴格的計算。在采用承壓型高強度螺栓連接形式時，需確保其承載力低于摩擦型連接形式的1.3倍，以保證鋼結構的安全性與可靠性。

按照規范規定的結構平均荷載分項系數大約為1.3，在荷載準值情況下，對于滿足此項要求的承壓型高強度螺栓，不會出現滑移問題，有利于結構變形，但無法充分發揮出承壓型高強度螺栓自身效能。但要想采用承壓型高強度螺栓模式，允許發生一定滑移變形的連接是運用的前提條件，即為對承載力進行了一定的控制。

3.2全焊節點連接

3.2.1全焊節點連接特點

全焊節點連接是一種在當前高層鋼結構工程中獲得較為廣泛運用的一種梁柱節點連接形式。一般情況下，梁柱焊接節點構造形式有許多種，其中，梁通常為 H形，而柱則有H形、箱形兩種形式。全焊節點連接較為便利，并且還可在一定程度上節省鋼材，整體剛度也相對較大，其在抗彎鋼結構中具有十分重要的作用。大多數人們均認為梁柱焊接節點具備良好的韌性，并且還能夠采用塑性變形的方式吸收地震能力，以維持結構的穩定性，由此可知，其抗震性能較良好，但通過多數實踐經驗可知，在大部分地震災害中，鋼結構的脆性破壞部位幾乎都處于梁柱焊接節點部位，經過強烈地震災害的作用，雖然已經出現了較為顯著的塑性變形現象，但在具體連接部位還出現了焊縫開裂問題。通常情況下，焊縫連接形式如圖2所示。針對此類問題，為了避免焊接鋼結構脆性破壞問題的發生，必須保證母材與接頭各部位僅具有充足的斷裂韌度值，對于其韌度值，還要、要從設計上全面消除梁柱焊接節點處的應力集中情況。

圖2　焊縫連接形式

3.2.2全焊節點設計

為了避免結構剛度增加現象的出現，在接頭部位應力較集中時，應當依據“強節點弱桿件”原則，適當加強節點。在不會出現失穩現象時，可適當削弱梁，在梁上形成“塑性鉸”。同時，還應當盡可能的減少結構與焊接結構處的應力集中，對于腹板工藝孔，應確保其能夠平滑過渡，避免應力集中現象的出現。此外，在不減小腹板連接強度環境下，還可適當增加工藝孔，為焊接操縱提供便利，提升焊縫質量。

3.3摩擦型高強度螺栓與焊縫形成的混合連接

①通常情況下，焊縫的破壞強度要遠遠超過高強螺栓強度，基于抗滑極限強度，應將其比值控制在1～3范圍內。②對于需驗算疲勞的連接設計，不可采用此類連接形式。③如果先進行焊接操作，并且板間不夾緊，此時應當采用大直徑螺栓，但需要將螺栓自身抗剪承載力設計值與折減系數相乘。④在靜力荷載環境下，摩擦型高強度螺栓與側角焊縫共同作用。在直接承受動荷載作用的連接中，不可直接采用此種連接形式，應當采用先栓后焊工藝。此外，在進行設計時，應當對溫度影響進行充分的考慮，并適當拆減高強度螺栓預拉力。⑤對于能夠共同工作的混合連接，其總承載力應當按照不同連接方式承載力的總和考慮。

4　結語

綜上所述，在進行鋼結構梁柱節點連接設計時，需對鋼結構結構受力特點、適用條件等方面因素進行全面的考慮，并且還要對相關問題進行深入的、細化研究，在結合項目實際情況的基礎上合理設計，以確保整體鋼結構受力的安全合理。這就要求結構設計人員必須熟練的掌握結構設計各方面內容，并且還要對結構建設事項進行不斷深入的了解與掌握。

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［2］黃冀卓，王 湛，潘建榮.鋼結構梁柱連接節點剛度的半解析測試方法［J］.工程力學，2011（28）：105～109.

［3］羅睿奇，王元清，肖建春，等.鋼結構梁柱節點連接加固設計方法對比［J］.建筑科學，2014（30）：45～47.

譚芬香（1975-），女，工程師，本科，主要從事結構設計工作。

TU391

A

2095-2066（2016）19-0192-02

2016-4-20