钢结构框架梁柱节点连接设计方法探讨

张晓霞

1 概述

钢结构由于具有重量轻、塑性韧性好、制造简便、易于采用工业化生产、施工安装周期短、抗震性能较好等许多优点，近年来得到了快速的发展。梁、柱节点是钢框架中的关键连接部分，连接性能直接影响框架结构在荷载作用下的整体行为。实际的钢框架梁柱连接应分为三类:刚性连接(具有较高的强度和刚度)、铰接连接(具有很大的柔性)和半刚性连接(刚度和强度介于铰接和刚接之间)。通过学习了解到对于梁柱节点的研究还有很长的路要走。在工业建筑物、构筑物中，梁柱连接一般均采用刚接节点，而民用建筑物、构筑物中，梁柱连接形式有用刚接节点的，也有用铰接节点的，承受荷载的差异是造成不同连接形式的重要原因之一。对于民建，梁与柱的连接是采用刚接还是铰接还需具体情况具体分析，如果做铰接，钢梁仅在腹板处采用高强螺栓连接，上、下翼缘无需进行现场焊接。这就使得现场安装程序大为简化，现场安装可以不受天气及季节的影响，安装速度大大提高。此外，在节点及构件设计中，节点和构件可以标准化。节点较好处理，只承受剪力，但梁的型号较大;对于工业建筑，梁柱一般是做刚接，这是由于结构承受的荷载一般较大而且还有较大的动力荷载。

2 各种连接形式特点

钢结构梁柱实际连接形式可分为螺栓连接、栓焊混合连接、全焊型连接。

2.1 普通螺栓及高强度螺栓连接

2.1.1 普通螺栓

普通螺栓分为A，B，C 3级，A，B级为精制螺栓，C级为粗制螺栓。A级和B级螺栓材料的性能等级为5.6级或8.8级，C级螺栓性能等级为4.6级或4.8级。A，B级精制螺栓已很少在钢结构中采用，C级螺栓用于不直接承受动力荷载结构中的次要连接，或安装时的临时固定和可拆卸结构的连接等。A，B级螺栓，从经济观点出发，以采用高强螺栓代替较为适宜。

2.1.2 高强度螺栓

1)我国现有两种高强度螺栓连接副:扭剪型高强度螺栓连接副和大六角头高强度螺栓连接副，这两种高强度螺栓的性能都是可靠的，在设计中可以通用。

2)抗剪连接，根据受力特性不同，又可分为以下形式:a.摩擦型高强度螺栓。为通过连接板层间的抗滑力来传递剪力，按板层间出现滑动作为其承载能力的极限状态，适用于重要结构和承受动力荷载的结构，以及可能出现的反向内力构件的连接。其孔径比公称直径大1.5mm～2.0mm。b.承压型高强度螺栓。以连接板层间出现滑动作为正常使用(即在荷载标准值作用下)的极限状态，配以连接的破坏(螺栓或构件破坏)作为其承载能力的极限状态，其计算方法与构造要求与普通螺栓相同。可用于允许产生少量滑移的静荷载结构或间接承受动力荷载的构件，当允许在某一方向产生较大滑移时，可采用长圆孔。当为圆孔时，其孔径比螺栓公称直径大1.0mm～1.5mm。承压型高强度螺栓适用于容许连接处有微量滑移的承受静力荷载的结构。

2.2 摩擦型高强度螺栓与焊缝形成的混合连接

这种连接应注意以下几点:1)焊缝的破坏强度高于高强栓连接的抗滑极限强度，其比值宜控制在 1～3之间;2)不能用于需要验算疲劳的连接中;3)其施工顺序，应根据板件的厚度，施焊时能否采取反变形措施等具体条件分析决定，一般采用先栓后焊的方式，此时高强度螺栓的强度应计及焊接影响，作一定的折减;当采用先焊后栓且板间又不夹紧时，宜采用大直径螺栓，并需将螺栓的抗剪承载力设计值乘以折减系数;4)在静力荷载作用下，摩擦型高强度螺栓可以和侧角焊缝共同作用。在直接承受动荷载作用的连接中，则不能用这种连接，施工时一般采用先栓后焊的程序，并在设计中考虑温度影响将高强度螺栓的预拉力予以适当折减，如乘以0.8，0.96的系数;5)能共同工作的混合连接，其总承载力可按不同连接方式承载力的总和考虑。

2.3 全焊型连接

全焊型连接时疲劳敏感，焊接结构的低温冷脆问题比较突出，产生焊接残余应力和变形，对结构工作产生不利影响，除因受力复杂，接头刚度大或施焊不便的安装接头不宜采用焊接外，可广泛用于工业与民用建筑钢结构中。

全焊型梁柱连接的优点及施工时注意事项试验结果表明，全焊型梁柱连接的滞回性能好于栓焊型混合连接，具有较好的塑性变形能力。在全焊型梁柱连接中，设计时应注意选择合适厚度的节点板。节点板太强，不仅浪费材料，也不能充分利用节点域的变形能力耗散地震能量;相反节点板太弱的梁柱连接虽然能发展相当大的塑性变形，但由于梁翼缘难以形成塑性，也限制了节点的耗能能力。同时，节点域的塑性转动过大会增加框架的水平位移，对框架的整体受力不利。在这种连接中，梁上、下盖板边缘加工后与柱采用叶接焊缝连接，盖板与梁的连接采用角焊缝，梁腹板与柱连接通过钢板或角钢而连在一起，钢板或角钢与梁腹板采用角焊缝连接，钢板或角钢与柱采用对接焊缝连接。在施工时应保证对接焊缝的质量，对接焊缝必须焊透，梁上、盖板与柱对接焊缝的质量对梁柱刚性连接的滞回性能有很大的影响。特别是焊缝与柱翼缘的连接面应注意除油除漆，合理安排施工顺序。下翼缘的焊接引弧板如果留在构件上，应将其与柱焊接，最好跟梁翼缘也焊在一起，以减小对接焊缝未焊透对梁柱连接受力的不利影响。

3 各种连接形式比较

欧美及我国广泛采用的梁柱刚性连接又可分为三类:1)梁端与柱的连接全部采用焊接连接;2)梁翼缘与柱的连接采用焊接连接，梁腹板与柱的连接采用摩擦型高强螺栓连接;3)梁端与柱的连接采用普通 T形连接件的高强螺栓连接。

在以上刚性连接节点中，全焊连接形式是焊缝连接最充分的，不会产生滑移。从理论上讲，良好的焊缝质量和焊接构造可以提供足够的延性，但在实际施工过程中存在一定的困难，而且要求对焊缝进行比较严格的探伤检查。此外，焊接残余应力和残余变形也给实际结构带来不利影响;高强螺栓连接施工比较方便，但存在接头尺寸过大、钢材消耗较多的现象。目前栓焊连接应用较为普遍，工地安装时，先用螺栓定位后对翼缘施焊，具有施工方便的优点。通过实验表明，其滞回曲线与全焊连接的接近，但是，翼缘焊接对螺栓的预拉力有一定的影响，可使螺栓预拉力降低，因此高强螺栓的实际应力应留有余度。梁柱连接节点的基本设计原则:节点必须能够完全传递被连接板件的压力(或拉力)、弯矩和剪力等。在强震作用下节点能够基于材料的延性，保证结构产生非弹性变形，即在梁内而不是在柱内产生塑性铰，以消耗地震输入的能量，使节点免于破坏，并保证结构的整体性使其免于倒塌，即“强柱弱梁、强节点弱杆件”的设计思想。

4 提高框架梁柱节点抗震性能的措施

地震区的刚性连接节点设计要满足多遇地震下弹性状态的承载力要求和罕遇地震下弹塑性状态的承载力和变形要求。

根据钢框架强柱弱梁的抗震设计原则，按照有效控制梁上塑性铰位置的思路，采用在梁腹板进行开孔削弱的节点形式促成塑性铰的形成。结果表明，采用腹板开孔的构造形式，可以控制节点处的塑性铰形成位置，改变了梁翼缘的应力分布、节点的滞回特性和破坏模式，在严格焊缝工艺的情况下可以使节点的破坏模式从脆性破坏转变为梁的局部屈曲破坏，降低了连接焊缝发生脆性破坏的可能性，达到节点的破坏位置向梁中偏移的目的，从一定程度上改善了节点的延性性能。

提高梁柱焊接节点的抗震性能是钢结构抗震设计的重要内容之一。美国北岭和日本阪神震害教训表明，为防止梁柱焊接节点在地震中出现源于焊缝的脆性破坏，设计上应注意降低节点焊缝处的应力集中，改善焊缝的受力状态，设法利用钢材的塑性储备来吸收地震能量，并根据抗震设防要求和地震作用特点选用韧性达标的焊接材料。制造和安装时还应注意消除节点焊缝处的各种应力集中，通过加腋和加盖板对节点进行加强，提高节点承载力;对梁局部削弱，使塑性铰从节点区外移至梁上;改进节点区焊接孔构造形式，缓解局部应力集中;妥善处理弧板和垫板，减少焊缝缺陷。

[1] 张 行.两种半刚性节点的有限元分析及对框架的影响[J].山西建筑，2010，36(5):78-79.