鋼框架梁柱剛性連接節點計算方法探討

李 靜

（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200000）

1994年美國北嶺地震后發現一些鋼框架梁柱栓焊混用連接點出現了脆性破壞斷裂的現象，且多發生在梁下翼緣的連接處，對節點承載力的影響較大[1]。鋼框架梁柱連接處幾何形狀復雜，應力集中嚴重，對應力和應變的需求較大。在強烈地震作用下節點的塑性及延性不足是造成焊縫撕裂發生脆性破壞的主要原因，因此，梁柱連接性能及其對鋼框架結構抗震性能影響成為研究的熱點之一。文章基于規范，圍繞梁柱剛性連接節點的計算方法展開討論。

1 規范中對梁柱剛接節點的計算方法的調整

梁柱栓焊混合連接節點在我國的鋼結構設計中有著較為廣泛的應用，規范中也對該類節點設計提供了依據。但是我國規范對于梁柱連接的計算原則也經歷了幾次重大的調整，具體匯總如表1所示。

表1 各版本規范對鋼柱連接的計算要求

在規范的更迭過程中，除了《高層民用建筑鋼結構技術規程》（JGJ 99—2015）（以下簡稱《高鋼規》），均認為梁端彎矩可僅由鋼梁翼緣承受，鋼梁腹板僅承受剪力[2]。2015版的《高鋼規》借鑒了日本規范，認為鋼框架梁柱剛性連接中，梁端彎矩由鋼梁翼緣和鋼梁腹板共同承受，并且給出了鋼梁腹板承載彎矩及腹板配置抗彎螺栓的計算方法。文章選用了工程中常用的熱軋工字形的梁柱截面，針對2015版《高鋼規》的計算方法進行了試算，對比分析了新老規范在計算上的區別。

2 新舊規范節點設計計算與分析對比

2.1 2015版《高鋼規》的規定

2015版《高鋼規》第8.2.1及8.2.4條規定，梁與柱的剛性連接應按式（1）驗算。

梁端連接的極限受彎承載力按式（2）驗算。

梁翼緣連接的極限受彎承載力按式（3）驗算。

梁腹板連接的極限受彎承載力按式（4）驗算。

梁腹板有效截面的塑性截面模量按式（5）驗算。

2.2 1998版《高鋼規》的規定

1998版《高鋼規》8.1.3規定，抗震設防的高層建筑鋼框架，其節點連接的最大承載力應符合下列要求[3]。

梁與柱連接應按式（6）驗算。

式中：Mu為基于極限強度最小值的節點連接最大受彎承載力，僅由翼緣的連接承擔；Mp為梁構件（梁貫通時為柱）的全塑性受彎承載力。

2.3 梁柱節點的極限承載力設計與對比分析

在《熱軋H 型鋼和部分T 型鋼》（GB/T 11263—2010）中選用經常用的H型鋼梁作為框架梁和框架柱，框架梁柱材料強度為Q345B（fub=470MPa,α=1.35）[4]。按照上述規范計算公式對梁柱連接的極限抗彎承載力進行計算，結果如表2所示。

從表2中的計算結果可以得出，對常用H型鋼梁，其腹板對梁柱節點的極限抗彎承載力提高十分有限。鋼梁腹板極限抗彎承載力占梁柱連接所需的極限抗彎承載力αMp的比值為8%～13%，即便考慮了鋼梁腹板提供的抗彎承載力，即使對于連接系數較小的Q345B，也很難滿足2015版《高鋼規》中的公式的計算要求。上表中為所需的極限抗彎承載力增加值。因此，為滿足規范計算要求，需要采用梁端節點加強的連接形式。

表2 常用H形鋼梁節點計算參數對比

對比2015版《高鋼規》和1998版《高鋼規》，其中梁端極限抗彎承載力考慮翼緣與腹板均參與抗彎的栓焊節點新算法與僅考慮鋼梁翼緣抗彎的傳統算法，腹板對梁柱節點的極限抗彎承載力提高有限的，一般是很難滿足規范計算要求的。這主要是因為連接采用鋼材的抗拉強度fub，而其相應構件則采用鋼材的屈服強度fyw，它們不是在同一材料取值和水準中加強節點。梁柱的連接強度取值過高會減小焊縫、螺栓的需要量，在構件中即使留有一些富余量，仍會使構件的實際強度大于其連接強度，而這種極限承載力驗算一般很難滿足。例如Q235，屈強比fub/fyw=1.6，對公式（8.2.1-1）α=1.2時，較為容易滿足。然而對于Q345，屈強比fub/fyw=1.38，對公式（8.2.1-1）α=1.35時，則不易滿足，這使得公式中原來α的富余量形同虛設。綜上所述，所有極限承載力公式驗算建議修改為連接承載力驗算，并采用鋼材或螺栓的強度設計值，連接強度要比構件強度大，即可避免因設計時構件留有余量或施工以大代小而造成弱節點的安全隱患。

3 截面削弱及加強的方式

當框架梁與柱極限抗彎承載力驗算不滿足規范要求時，宜采用可使塑性鉸外移的梁端加強及削弱式連接形式。加強型連接主要有翼緣板加強式、蓋板加強式、圓弧擴翼式、側板加強式連接節點等形式；削弱型連接經常用骨形節點，此種做法在美國應用比較多。（1）翼緣板加強型連接。翼緣板加強式連接的梁翼緣與柱翼緣不直接焊接，而是在梁端通過加強板過渡，過渡板寬度比梁翼緣略寬，適用于加寬翼緣或箱型截面柱。（2）蓋板加強型連接。蓋板加強式連接的梁翼緣與蓋板采用同一個坡口與柱翼緣焊接，蓋板比梁翼緣上翼緣略窄、下翼緣略寬，適用于中翼緣或窄翼緣截面柱。（3）圓弧擴翼型連接。圓弧擴翼式連接是將梁翼緣末端的寬度加大，制作時先制作一段懸臂梁段，懸梁段與柱在工廠全焊接連接，運至工地后再完成梁與懸臂梁段的拼接。（4）側板加強型連接。側板加強式連接是在梁端部采用與梁翼緣等厚度的平板與梁翼緣對接焊接，適用于寬翼緣或箱型截面柱。（5）骨形削弱型連接。骨形削弱型連接在距梁端一定距離處，將梁翼緣兩側做成圓弧形切削，但該節點對梁承載力及穩定性有一定影響。以上加強削弱方式均可實現梁柱節點梁端塑性鉸外移的目的，以達到規范對極限受彎承載力的要求。

4 結束語

鋼框架梁柱現場連接主要采用翼緣焊接腹板拴接的連接形式，這種節點需滿足“強節點、弱構件”的設計原則。傳統的栓焊混合節點計算僅考慮鋼梁翼緣抗彎和梁腹板抗剪，而2015版《高鋼規》給出了鋼梁腹板承擔梁端彎矩的計算方法。文章基于常用的熱軋型鋼截面，對比了翼緣與腹板均參與抗彎的栓焊節點新算法與僅考慮翼緣抗彎的傳統算法之間的差別。計算結果表明，腹板對梁柱節點的極限抗彎承載力提高有限，故對常用H型鋼，即便考慮腹板抗彎，仍然無法滿足2015版《高鋼規》公式的要求，還需要采用加強型連接或削弱型骨式連接。然而2015版《高鋼規》強連接的公式也存在以下問題：（1）連接承載力是用鋼材的抗拉強度fub，而構件的承載力是用鋼材的屈服強度fyw，使得連接的極限承載力對應構件的塑性承載力，比較的依據不對等；（2）未考慮塑性鉸處剪力至梁端的附加彎矩。

基于以上結論建議采用以下設計：（1）基于現有的規范體系，腹板參與受彎的效率低，且需設置較多的螺栓，建議采用鋼梁翼緣僅受彎、腹板僅受剪的設計原則簡化設計，并采用加強式翼緣或狗骨式削弱連接，以滿足“強連接弱構件”的設計原則；（2）建議規范進一步明確節點的設計目標，并加強設計目標、規范公式的邏輯性。