鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛接節(jié)點(diǎn)等強(qiáng)連接設(shè)計(jì)分析

胡瑜靚

（寧波中交水運(yùn)設(shè)計(jì)研究有限公司，浙江寧波 315040）

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在鋼框架結(jié)構(gòu)中，鋼梁與鋼柱之間一般采用剛性連接，梁構(gòu)件采用H形鋼，其中翼緣一般采用對接焊縫連接，腹板采用焊接或高強(qiáng)螺栓連接，栓焊混用連接比較普遍。

梁柱剛性連接需在彈性階段驗(yàn)算其連接承載力，在彈塑性階段驗(yàn)算其極限承載力。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010），8.2.8條第1款規(guī)定：鋼結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件連接的承載力設(shè)計(jì)值，不應(yīng)小于相連構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值，即抗震設(shè)計(jì)時(shí)連接的承載力設(shè)計(jì)值至少應(yīng)等于梁構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值，這就需要把梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成等強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。

1 連接的承載力驗(yàn)算

在梁柱等強(qiáng)連接中，設(shè)計(jì)內(nèi)力即為梁截面的承載力，與梁截面尺寸相關(guān)而與實(shí)際內(nèi)力無關(guān)。在驗(yàn)算連接的受彎承載力時(shí)，通常采用常用簡化設(shè)計(jì)法或全截面精確設(shè)計(jì)法。

1.1 簡化設(shè)計(jì)法

當(dāng)梁翼緣的塑性截面模量大于梁全截面塑性截面模量的70%時(shí)，可以采用簡化設(shè)計(jì)法，假設(shè)梁翼緣承擔(dān)全部梁端彎矩，梁腹板承擔(dān)全部梁端剪力。對接焊縫的抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算公式如下：

由于梁翼緣與柱的對接焊縫抗拉設(shè)計(jì)值與梁翼緣相同，在不作加強(qiáng)的情況下，連接的受彎承載力與梁翼緣相同，是無法達(dá)到梁全截面抗彎承載力M的，，不滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2 精確設(shè)計(jì)法

當(dāng)梁翼緣的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70%時(shí)，可以采用精確設(shè)計(jì)法，此時(shí)梁腹板除承擔(dān)全部剪力外，還與梁翼緣一起承擔(dān)彎矩，翼緣和腹板分擔(dān)彎矩的大小根據(jù)其剛度比確定。

《抗規(guī)》中并未闡述如何計(jì)算連接的受彎承載力，具體的計(jì)算方法可以參考《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 99—2015），

8.2.2條：梁與柱連接的受彎承載力應(yīng)按下列公式計(jì)算：

式中：Mj——梁與柱連接的受彎承載力；

Ie——扣除過焊孔的梁端有效截面慣性矩；當(dāng)梁腹板用高強(qiáng)螺栓連接時(shí)，為扣除螺栓孔和梁翼緣與連接板之間間隙后的截面慣性矩；

hb——梁截面高度；

f——梁的抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

由以上公式分析可知，梁與柱對接焊縫可以承擔(dān)梁翼緣部分的彎矩Mf，但是梁端腹板由于存在螺栓孔或者過焊孔，連接截面受到削弱，并不能承擔(dān)梁腹板部分的彎矩Mw，Ie

因此，無論是簡化設(shè)計(jì)法或精確設(shè)計(jì)法，在不對梁柱連接進(jìn)行加強(qiáng)的情況下，均不能滿足受彎等強(qiáng)連接的要求。

2 加強(qiáng)型連接

加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)一般用于抗震設(shè)計(jì)，是對梁端部翼緣設(shè)置蓋板或局部加寬等構(gòu)造措施，使梁端塑性變形在加強(qiáng)區(qū)末端的位置出現(xiàn)并擴(kuò)展，使強(qiáng)震時(shí)梁的塑性鉸自柱面外移以減小梁柱連接的破壞。目前常用的有翼緣板加強(qiáng)型、蓋板式加強(qiáng)型、擴(kuò)翼型和翼緣局部加寬型等，此外也可采用加腋等加強(qiáng)方案。

采用加強(qiáng)型連接后，梁端翼緣連接的承載力大大提高，在等強(qiáng)連接驗(yàn)算時(shí)，對于簡化設(shè)計(jì)法，加強(qiáng)后翼緣須能承擔(dān)梁全截面彎矩；對于精確設(shè)計(jì)法，加強(qiáng)后翼緣能承擔(dān)更多彎矩，從而減小梁端腹板所承擔(dān)的彎矩，使腹板凈截面也能滿足強(qiáng)度要求。同時(shí)，在下一步連接的極限承載力驗(yàn)算時(shí)，加強(qiáng)型連接也更容易滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的要求。

3 計(jì)算實(shí)例

某鋼棚框架梁柱節(jié)點(diǎn)采用栓焊混合剛性連接，柱截面采用H400×400×12×16，主梁截面采用 H600×300×10×14，梁翼緣與柱采用全焊透的坡口對接焊縫連接，梁腹板與柱采用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接。梁柱鋼材均為Q235B，如圖1所示。

圖1梁柱節(jié)點(diǎn)計(jì)算實(shí)例

3.1 連接的承載力驗(yàn)算

3.2 極限承載力驗(yàn)算

梁翼緣塑性受彎承載力=Wpffy=2461200×235=578.38kN·m。

梁腹板塑性受彎承載力=Wpwfy=817960×235=192.22kN·m。

梁翼緣受彎極限承載力=300×14×（600-14）×370=910.64kN·m。

采取上述加強(qiáng)方式后，梁翼緣受彎極限承載力=370×14×（600-14）×370=1123.13kN·m。

4 結(jié)語

等強(qiáng)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)際內(nèi)力無關(guān)，只與構(gòu)件截面有關(guān)，因此具有形式統(tǒng)一，歸并數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn)，便于制作和施工，一般用于抗震設(shè)防的重要連接。本文探討梁柱剛接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的方法和節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)的類型，通過分析必須采用加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)以便達(dá)到等強(qiáng)連接之目的。采用加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)后，也能較容易滿足連接的極限承載力驗(yàn)算要求，符合“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)原則。