钢结构节点的抗震设计研究

谭代海

广东建筑艺术设计院有限公司

摘要：钢结构的抗震性能良好，在我国抗震建筑设计中发挥着非常重要的作用。在进行钢结构的抗震设计中，重要的一个环节就是钢节点的抗震设计。本文根据钢结构的特点和其抗震概念的设计展现出钢节点的抗震设计，并根据钢节点设计原则以及防止钢节的点脆性被破坏的措施进行分析。

关键词：钢结构；钢节点；抗震

钢结构有着安装方便和轻质高强等一些特点，钢结构普及在办公楼、展厅、厂房、商场等一些建筑中。作为设计人员，应该按照《建筑抗震设计规范》的规定，根据设计原则中对抗震验算的规定，对构件和结构的稳定、强度、位移等都进行了相应的验算，在各构件中进行内力传递的节点设计却不够重视，有的甚至交给钢结构厂家自己完成，这是非常危险的。节点设计的好坏能够对钢结构工程的质量问题产生直接影响。假如构件没有坏，节点已失去效用，就无法达到结构抗震设计的初衷。

一、节点抗震设计现状

钢结构具有强度高、性能好、安装方便等一系列优点，被广泛的应用在现代建筑物之中，在钢结构的设计时，设计人员还应该验算钢结构节点的抗震设计，便于保证建筑的稳定性与抗震性。在进行实际抗震设计时，设计人员要按照设计原则与抗震验算的根本思路，验算钢结构的位移、强度、以及稳定性能等，这种验算方法较为宏观，并没有进一步的对钢结构各个连接构件节点的设计作出对应的验算，甚至于有一部分的连接构件节点设计是由钢结构厂家直接完成，这样钢结构工程的安全性就难以得到保障。

二、钢结构的应用与特点

在进行土木工程结构的建筑施工当中，建筑材料的种类非常多。相比较于其它建筑材料，钢结构有着很多不同之处：①钢结构材料结构重量轻，强度高；②钢结构材质比较均匀，而且塑性与韧性比较好；③钢结构有着十分良好的加工性能与焊接性能；④钢材能够重复性的使用；⑤钢材耐腐蚀性比较差；⑥钢结构有低温冷脆的倾向。

我国国民经济正在快速发展的过程中，在我国，钢结构的应用范围也不断的在扩大。目前来说，钢结构应用的主要范围有：高耸结构，多层和高层建筑，受动力荷载影响的结构，工业厂房建筑，大跨結构，可以拆卸的结构，容器和其他的构筑物，轻型钢结构和混凝土组合的结构。

三、钢结构抗震概念设计

地震是随机振动的，其具有复杂性以及不确定性的特点，要对建筑物所遭遇地震的参数和特性进行准确预测，在目前来说难以做到。在结构分析上，由于没有对结构的材料时效、非弹性性质、空间作用、阻尼变化等许多因素的综合考虑，有着不确定性。所以说，在工程抗震的问题上不能完全依赖 “计算设计”来解决问题。在设计建筑结构中，对于抗震概念设计要充分考虑。在抗震概念设计的过程中，我们要执行“大震不倒，中震可修，小震不坏”的原则。内容主要包括：在工程结构场地的选择上，不仅要避开抗震的危险地段同时还要考虑有利于抗震地形的选择；结构的选型与布置；建筑结构的平立面布置；多道抗震防线的设置以及结构确保整体性等。

四、钢节点破坏机理

因为钢节点处的受力相对集中，结构的构造较为复杂，它的施工难度是比较大的，非常容易导致钢节点处强度不均匀和形成应力集中的现象。其次，可能会有一定的构造缺陷存在和施工中可能存在的一些问题（比如焊缝施工的缺陷：焊缝中存在咬边、夹渣、气孔或是弧坑、未满焊与构造缺陷等等）都可能会引起钢节点处的连接破坏，最终会对钢结构的承载能力造成影响。通过许多的实验与研究表明，钢结构中节点主要破坏因素是脆性破坏，脆性破坏的裂缝从柱翼缘和梁下翼缘相交于焊缝处，经过不同的扩展途径，可以形成多样的断裂破坏形式。破坏形式主要包括：加劲板的开裂和屈曲、焊接部位拉脱、腹板的裂缝和屈曲、加劲板焊缝中出现的裂缝、铆接断裂等。

五、钢节点设计原则

钢结构中的节点连接对于结构受力有非常重要的影响。钢节点的设计原则是节点能够完全传递被连接板件的剪力和弯矩，并且对钢材的塑性性能能够充分发挥，从而保证钢结构节点在地震的作用下发生少或者不发生脆性破坏，同时要保证结构在梁内并不是在柱内产生塑性铰，来对地震时所输入的能量进行消耗。在抗震设计里，按照结构的抗震需求，为对结构的安全性进行保障与“强节点、弱构件” 设计理念的遵循，钢节点承载能力要大于结构构件的承载能力。

抗震设防的高层建筑钢结构框架中，从柱端或者是梁端算起的2倍截面高度范围或者是 1/10 跨长，在节点设计中应对下列内容进行验算：①节点连接最大的承载力；②受弯构件塑性区侧向支撑点之间距离；③构件塑性区板件的宽厚比。

高层钢结构在节点连接上，按照具体情况可用高强螺栓连接、焊接或者是栓焊混合连接。按照受力情况节点焊接连接可用部分熔透或者是全熔透焊缝，遇到下面情况中其中一种的时候应用全熔透焊缝：①要和母材等强的焊接进行连接；②框架节点塑性区段焊接连接。

高层钢结构承重构件螺栓连接，要使用摩擦型的高强度螺栓，防止在使用荷载下滑移的发生，节点变形的增大。

六、防止钢节点脆性破坏的一些措施

1、从选材上来说，要注重屈强较低的材料的选择，它有比较大的消耗地震能量的能力。在材料选取上，在满足强度要求的同时，其韧性要求也要被满足。

2、从设计上来说，根据强度角度来设计，使节点的强度高于杆件的强度，在避免结构刚度增加与接头部位应力集中情况的前提之下，对节点进行适当的加强，来对“强节点弱构件” 原则的满足，避免在柱中出现塑性铰。避免失稳破坏的发生，使焊接接头处和结构的应力减少集中，在腹板设计的工艺孔时应尽可能的圆滑。

3、从检验施工的过程中，要按照相关规定严格执行。例如：要按照相关规定在焊接前把焊条烘干，焊接部位的母材要按照要求的温度在既定范围内预热。垫板和引弧板要根据规定的规格来加工与制造，坡口的尺寸要符合相关规定。在焊接过程中的缺陷要尽量减少，要检查所有的焊缝，凡是不合格的焊缝，全部都要按照有关要求修补。

4、在钢结构预制构件的拼接中，预制钢构件连接增多了结构整体的超静定的次数，使形成塑性铰的数量得到增加，形成多道抗震防线，不但可以对结构的抗震可靠度提高，同时使结构进入倒塌的过程得以延长。即便是纯框架结构之类的楼房，其抗震能力也能大大 提升。而且这样的结构也有工期短、施工方便、

结构面积小、质量轻、方便维修、节能环保等一些优点。

5、使节点的缺陷敏感程度降低，在抗震设计中两个最重要的指标是强度和延性。从梁柱连接上来看，目前的抗震设计规范基本能够有效实现“强柱弱梁、强节点弱构件”的概念。但结构链接的塑性变形能力依旧不是非常可靠，无论是栓焊混合连接还是全焊式连接，延性都不能达到很好的理想要求。为从本质上解决脆性破坏的问题，关于延性抗震设计的概念，不但要求抗弯钢框架在设计中保证塑性铰仅仅出现在梁上，延性的可靠性也被要求，也就是说要采用有效的措施对节点的缺陷敏感程度降低。比如：在构造上将梁柱连接使塑性铰外移，可以加强局部节点部位和在离开柱面一定距离的地方将把梁截面局部进行消弱。在钢梁的结构中，塑性铰长度大概是一半的梁高，当局部加强节点时，可使塑性铰位置距离加强部分边缘梁高的 1/3。局部节点加强也能够把塑性铰外移，要值得注意的是不要有弱柱的出现，否则“强柱弱梁”的原则就违反了。

结语：我国经济正在快速发展，钢结构在我国设计应用中日益突出，在经济建设等各领域中都被广泛应用。钢结构作为抗震性能较良好的结构形式，在我国抗震建筑设计中有着非常重要的作用。钢节点的抗震设计是一个及其重要的环节。

参考文献：

[1]刘声扬，王汝恒. 钢结构原理与设计[M]. 2 版. 武汉理工大学出版社，2010.

[2]吴雯，王磊. 浅谈多高层钢结构梁柱节点抗震延性的提高[J].民营科技，2011，17（10）：344.

[3]张耀春，周绪红. 钢结构设计原理[M]. 北京：高等教育出版社，2011.