淺談鋼結構梁柱節點剛性連接形式選擇

摘 要 通過對美國北嶺地震和日本阪神地震的節點震害總結，分析不同節點連接形式的抗震性能，通過實例分析后，建議非抗震設防地區鋼結構梁柱節點宜按梁截面的等強度來設計，可采用傳統的連接節點;在抗震設防8度區采用傳統形式或現場腹板補焊形式;9度區宜采用加蓋板或狗骨式連接。

關鍵詞 梁柱連接;剛性節點;脆性破壞;延性設計

Discussion on the choice of rigid connection of structure beam-column joints

Chen SiMin

Shaanxi Construction of Land Comprehensive Development，Shaanxi Xian 710075

Abstract Based on the summary of nodal damage caused by nori earthquake in the United States and hanshin earthquake in Japan， the seismic behavior of different joints is analyzed. In the seismic fortification zone of 8 degrees the traditional form or site web repair welding form; The 9 degree area should be connected with a cover plate or dog bone.

Key words Beam-column connection; Rigid joint; Brittle fracture; Ductility design

近年來，鋼結構應用廣泛，與其他結構形式相比，其卓越的抗震性能，使得建筑物在地震中受到的震害較輕，很少發生整體破壞和倒塌現象，但局部破壞現象嚴重。美國北嶺（Northridge）地震和日本阪神地震時鋼結構節點破壞深刻表明了節點延性設計的重要性。

1震害總結

北嶺地震后，美日兩國學者就節點破壞原因通過現場調查、室內試驗和現場檢驗并結合震前研究，對節點破壞原因提出[1]：①梁下翼緣與柱子之間施焊困難，質量難以保證，缺陷不易探測;②焊縫金屬沖擊韌性低;③坡口焊縫處的襯板和引弧板造成人工縫;④梁翼緣超負荷，焊縫處于三向拉伸應力狀態，延性沒能開展;⑤A36號鋼材（Q235）實際屈服點高于標準值，塑性沒能開展。針對上述影響因素，從施工質量控制、節點連接設計以及鋼材選用三個方面研究防止梁柱節點脆性破壞的措施。其中，節點連接形式的正確選用直接影響梁柱節點質量。

2梁柱連接形式分析

鋼結構梁柱連接節點是保證梁與柱協同工作、形成結構整體的關鍵部件[2]。合理選擇節點連接形式的目的就是使節點具有更好的延性和強度，做到“強柱弱梁”、“強節點弱桿件”的設計原則，減輕鋼結構的局部破壞，使鋼結構抗震性能得到有效利用[3]。圖1為目前我國鋼結構最常用的梁柱剛性連接形式--栓焊混合連接，它具有構造簡單、施工方便的優點。此形式的節點在美國北嶺地震中出現嚴重的脆性斷裂現象[2]。

圖2梁腹板--抗剪板補焊連接形式的改進可以有效提高節點塑形轉動能力，避免產生脆性破壞，提高了節點抗震性能?！督ㄖO計抗震規范》（GB 50011-2010）[4]中梁--梁拼接的連接形式可以避免現場焊接而造成的梁柱節點缺陷，如圖3。

除了圖2、圖3的改進形式外，為了使結構的塑性鉸出現在梁上，利用梁的塑性變形吸收地震能量，達到延性破壞的效果，產生如下改進形式：圖4梁端擴大型連接，日本普遍采用;圖5加蓋板和加腋的形式[5]，目的是通過局部加強梁端抗剪承載力來避免梁柱連接的脆性破壞;圖6骨形連接，通過消弱梁端部分截面，使得梁端塑形集中在截面削弱出，從而同樣達到保護梁柱連接的目的。

雖然規范中列舉了不同的連接形式，但適用范圍并沒有具體說明。在北嶺地震和阪神地震后，絕大多數鋼結構建筑節點采用狗骨式，大量的試驗和有限元分析證明了該形式具有的優越的抗震性能，但在我國規范中并沒有具體的計算公式，而且《抗震規范》中說明到由于骨形連接加工困難，國內技術人員表示難以接受，一般不予采用。

3梁柱節點計算實例分析

梁柱剛性連接節點的設計，要保證節點具有足夠的承載能力，還要求節點具有充分的塑性轉動能力，并使結構中的塑性鉸出現在梁上，由于梁承受上一層樓面的荷載，只要梁柱節點處不發生破壞，即使懸梁也可以維持結構整體不發生倒塌。

《抗震規范》條文說明中第8.2.8條：“構件的連接，需符合強連接弱構件的原則”。在第一設計階段的多遇地震作用下進行彈性設計時，結構構件的抗震驗算應符合《建筑結構抗震規范》中式（5.4.2）的要求：，式中：

S—考慮多遇地震作用時，荷載效應和地震作用效應在結構構件中的組合設計值，包括組合的彎矩、軸向和剪力設計值。

R—結構構件及其連接的承載力設計值。結構構件及其連接的承載力抗震調整系數 （框架梁、柱取0.75;連接焊縫取0.9;連接螺栓、節點板件取0.85;支撐取0.8）

下面通過數字說明如何依據該公式來計算并選擇合適的節點連接形式。

假定梁端有一個100的地震彎矩組合，依據公式（5.4.2）得到梁截面抗彎承載力設計值必須大于0.75×100=75。同理，梁端的焊縫截面抗彎承載力設計值必須大于0.9×100=90。所以在設計梁截面和焊縫連接時，就必須采用兩個不同的內力值進行設計。由此可得，若要采用相同設計值進行節點設計，連接焊縫內力設計值須是梁截面內力設計值的1.2倍（0.9/0.75=1.2）。如果在實際設計中，梁端彎矩正好是75，則焊縫連接抗彎承載力設計值為90。此時梁端截面也只能承受75的彎矩，但在實際應用中，梁端截面并不能100%發揮承載力。在這種情況下，就應采用上文提到的圖4、圖5加強連接形式。如果不想改變連接形式，采用傳統焊接，則在設計梁截面時就應采用可以承受90的梁截面，此時就會造成截面的浪費。但此方法更利于施工，技術也比較成熟。若要采用新的節點形式，則對施工質量有更高的要求，也會導致施工難度加大和成本的提高。出于經濟性的考慮，在低設防烈度的建筑中，傳統連接形式--栓焊混合連接仍可以得到應用。

在第二設計階段的罕遇地震作用下，梁柱連接節點區將進入塑性狀態，梁柱連接的極限受彎承載力應符合《抗震規范》式（8.2.8-1）的要求：。這種節點在地震中破壞最為嚴重。式中：

：梁與柱剛性連接的極限受彎承載力;

：梁全截面塑性受彎承載力;

依據此公式設計的節點中，梁端翼緣未作任何加強，梁腹板與柱的連接螺栓只考慮傳遞剪力，不考慮傳遞彎矩。則其梁端栓焊連接處翼緣焊縫的抗彎能力只有梁截面彈性抗彎能力的85%左右。按《鋼結構設計規范》（GB 50017-2003）[6]規定：因高空施焊條件較差、焊接殘余應力等不利因素，焊接強度設計值還應乘以0.9的折減系數，則焊縫的抗彎承載力只有框架橫梁抗彎承載能力的75%左右，這也就違背了“強節點弱桿件”的基本原則。此種設計計算得到的連接焊縫抗力嚴重不足，焊縫受到過高的彎曲應力而造成脆性破壞，這也正是美國北嶺地震和日本阪神地震節點破壞嚴重的重要原因。對此，在高烈度地區，我們則需選擇上文圖5的連接形式—狗骨式，同時也有必要采取一些構造措施，使削弱達到最佳效果。但具體計算方法在規范中并未規定，僅在有限元分析中對其延性和耗能性能進行了驗證。如何應用在實際工程中也需要大量的試驗探究。

4結束語

由于在現行《抗震規范》中規定：鋼梁的? =0.75，連接焊縫? =0.9，并沒有考慮地震烈度、結構類型等因素對系數的影響。所以公式（8.2.8-1）中的系數1.2是固定的，但對于設防烈度較低的鋼結構房屋來說，1.2倍的要求有些過高，必會造成截面的浪費。所以，提出依據建筑物所在地區地震烈度的大小決定節點連接形式。

（1）非抗震設防地區鋼結構房屋中的框架梁柱剛性連接節點，其連接宜按梁截面的等強度來設計，即按第一階段多遇地震設計?？刹捎脗鹘y的連接節點。

（2）在抗震設防地區，特別是高烈度地震區，鋼結構房屋中的框架梁柱剛性連接節點，應采用加強型連接節點或削弱型連接節點，8度區采用傳統形式或采用改進形式--現場腹板補焊形式;9度區可采用改進形式--加蓋板或狗骨式連接。

參考文獻

[1] 張洪由，李懷英.1994年1月17日美國加州北嶺地震概況綜述[J].國際地震動態，1994，（5）：8-14.

[2] 張莉.鋼結構剛性梁柱節點抗震性能的研究[D].天津：天津大學，2004.

[3] 雷健，段成剛.鋼結構梁柱剛接節點設計探討[J].鋼結構，2015，（6）：77-81.

[4] 建筑抗震設計規范：GB50011-2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5] 王芬.鋼結構梁柱剛性連接節點優化研究[D].西安：西安理工大學，2007.

[6] 鋼結構設計規范：GB50017-2003[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.

作者簡介

陳思敏（1994-），女，陜西咸陽人;畢業院校：西安建筑科技大學，專業：建筑與土木工程，學歷：碩士研究生，現就職單位：陜西地建土地綜合開發有限責任公司，研究方向：工程結構抗震。