浅谈钢结构梁柱节点刚性连接形式选择

摘 要 通过对美国北岭地震和日本阪神地震的节点震害总结，分析不同节点连接形式的抗震性能，通过实例分析后，建议非抗震设防地区钢结构梁柱节点宜按梁截面的等强度来设计，可采用传统的连接节点;在抗震设防8度区采用传统形式或现场腹板补焊形式;9度区宜采用加蓋板或狗骨式连接。

关键词 梁柱连接;刚性节点;脆性破坏;延性设计

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

近年来，钢结构应用广泛，与其他结构形式相比，其卓越的抗震性能，使得建筑物在地震中受到的震害较轻，很少发生整体破坏和倒塌现象，但局部破坏现象严重。美国北岭（Northridge）地震和日本阪神地震时钢结构节点破坏深刻表明了节点延性设计的重要性。

1震害总结

北岭地震后，美日两国学者就节点破坏原因通过现场调查、室内试验和现场检验并结合震前研究，对节点破坏原因提出[1]：①梁下翼缘与柱子之间施焊困难，质量难以保证，缺陷不易探测;②焊缝金属冲击韧性低;③坡口焊缝处的衬板和引弧板造成人工缝;④梁翼缘超负荷，焊缝处于三向拉伸应力状态，延性没能开展;⑤A36号钢材（Q235）实际屈服点高于标准值，塑性没能开展。针对上述影响因素，从施工质量控制、节点连接设计以及钢材选用三个方面研究防止梁柱节点脆性破坏的措施。其中，节点连接形式的正确选用直接影响梁柱节点质量。

2梁柱连接形式分析

钢结构梁柱连接节点是保证梁与柱协同工作、形成结构整体的关键部件[2]。合理选择节点连接形式的目的就是使节点具有更好的延性和强度，做到“强柱弱梁”、“强节点弱杆件”的设计原则，减轻钢结构的局部破坏，使钢结构抗震性能得到有效利用[3]。图1为目前我国钢结构最常用的梁柱刚性连接形式--栓焊混合连接，它具有构造简单、施工方便的优点。此形式的节点在美国北岭地震中出现严重的脆性断裂现象[2]。

图2梁腹板--抗剪板补焊连接形式的改进可以有效提高节点塑形转动能力，避免产生脆性破坏，提高了节点抗震性能。《建筑设计抗震规范》（GB 50011-2010）[4]中梁--梁拼接的连接形式可以避免现场焊接而造成的梁柱节点缺陷，如图3。

除了图2、图3的改进形式外，为了使结构的塑性铰出现在梁上，利用梁的塑性变形吸收地震能量，达到延性破坏的效果，产生如下改进形式：图4梁端扩大型连接，日本普遍采用;图5加盖板和加腋的形式[5]，目的是通过局部加强梁端抗剪承载力来避免梁柱连接的脆性破坏;图6骨形连接，通过消弱梁端部分截面，使得梁端塑形集中在截面削弱出，从而同样达到保护梁柱连接的目的。

虽然规范中列举了不同的连接形式，但适用范围并没有具体说明。在北岭地震和阪神地震后，绝大多数钢结构建筑节点采用狗骨式，大量的试验和有限元分析证明了该形式具有的优越的抗震性能，但在我国规范中并没有具体的计算公式，而且《抗震规范》中说明到由于骨形连接加工困难，国内技术人员表示难以接受，一般不予采用。

3梁柱节点计算实例分析

梁柱刚性连接节点的设计，要保证节点具有足够的承载能力，还要求节点具有充分的塑性转动能力，并使结构中的塑性铰出现在梁上，由于梁承受上一层楼面的荷载，只要梁柱节点处不发生破坏，即使悬梁也可以维持结构整体不发生倒塌。

《抗震规范》条文说明中第8.2.8条：“构件的连接，需符合强连接弱构件的原则”。在第一设计阶段的多遇地震作用下进行弹性设计时，结构构件的抗震验算应符合《建筑结构抗震规范》中式（5.4.2）的要求：，式中：

S—考虑多遇地震作用时，荷载效应和地震作用效应在结构构件中的组合设计值，包括组合的弯矩、轴向和剪力设计值。

R—结构构件及其连接的承载力设计值。结构构件及其连接的承载力抗震调整系数 （框架梁、柱取0.75;连接焊缝取0.9;连接螺栓、节点板件取0.85;支撑取0.8）

下面通过数字说明如何依据该公式来计算并选择合适的节点连接形式。

假定梁端有一个100的地震弯矩组合，依据公式（5.4.2）得到梁截面抗弯承载力设计值必须大于0.75×100=75。同理，梁端的焊缝截面抗弯承载力设计值必须大于0.9×100=90。所以在设计梁截面和焊缝连接时，就必须采用两个不同的内力值进行设计。由此可得，若要采用相同设计值进行节点设计，连接焊缝内力设计值须是梁截面内力设计值的1.2倍（0.9/0.75=1.2）。如果在实际设计中，梁端弯矩正好是75，则焊缝连接抗弯承载力设计值为90。此时梁端截面也只能承受75的弯矩，但在实际应用中，梁端截面并不能100%发挥承载力。在这种情况下，就应采用上文提到的图4、图5加强连接形式。如果不想改变连接形式，采用传统焊接，则在设计梁截面时就应采用可以承受90的梁截面，此时就会造成截面的浪费。但此方法更利于施工，技术也比较成熟。若要采用新的节点形式，则对施工质量有更高的要求，也会导致施工难度加大和成本的提高。出于经济性的考虑，在低设防烈度的建筑中，传统连接形式--栓焊混合连接仍可以得到应用。

在第二设计阶段的罕遇地震作用下，梁柱连接节点区将进入塑性状态，梁柱连接的极限受弯承载力应符合《抗震规范》式（8.2.8-1）的要求：。這种节点在地震中破坏最为严重。式中：

：梁与柱刚性连接的极限受弯承载力;

：梁全截面塑性受弯承载力;

依据此公式设计的节点中，梁端翼缘未作任何加强，梁腹板与柱的连接螺栓只考虑传递剪力，不考虑传递弯矩。则其梁端栓焊连接处翼缘焊缝的抗弯能力只有梁截面弹性抗弯能力的85%左右。按《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）[6]规定：因高空施焊条件较差、焊接残余应力等不利因素，焊接强度设计值还应乘以0.9的折减系数，则焊缝的抗弯承载力只有框架横梁抗弯承载能力的75%左右，这也就违背了“强节点弱杆件”的基本原则。此种设计计算得到的连接焊缝抗力严重不足，焊缝受到过高的弯曲应力而造成脆性破坏，这也正是美国北岭地震和日本阪神地震节点破坏严重的重要原因。对此，在高烈度地区，我们则需选择上文图5的连接形式—狗骨式，同时也有必要采取一些构造措施，使削弱达到最佳效果。但具体计算方法在规范中并未规定，仅在有限元分析中对其延性和耗能性能进行了验证。如何应用在实际工程中也需要大量的试验探究。

4结束语

由于在现行《抗震规范》中规定：钢梁的  =0.75，连接焊缝  =0.9，并没有考虑地震烈度、结构类型等因素对系数的影响。所以公式（8.2.8-1）中的系数1.2是固定的，但对于设防烈度较低的钢结构房屋来说，1.2倍的要求有些过高，必会造成截面的浪费。所以，提出依据建筑物所在地区地震烈度的大小决定节点连接形式。

（1）非抗震设防地区钢结构房屋中的框架梁柱刚性连接节点，其连接宜按梁截面的等强度来设计，即按第一阶段多遇地震设计。可采用传统的连接节点。

（2）在抗震设防地区，特别是高烈度地震区，钢结构房屋中的框架梁柱刚性连接节点，应采用加强型连接节点或削弱型连接节点，8度区采用传统形式或采用改进形式--现场腹板补焊形式;9度区可采用改进形式--加盖板或狗骨式连接。

参考文献

[1] 张洪由，李怀英.1994年1月17日美国加州北岭地震概况综述[J].国际地震动态，1994，（5）：8-14.

[2] 张莉.钢结构刚性梁柱节点抗震性能的研究[D].天津：天津大学，2004.

[3] 雷健，段成刚.钢结构梁柱刚接节点设计探讨[J].钢结构，2015，（6）：77-81.

[4] 建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[5] 王芬.钢结构梁柱刚性连接节点优化研究[D].西安：西安理工大学，2007.

[6] 钢结构设计规范：GB50017-2003[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

作者简介

陈思敏（1994-），女，陕西咸阳人;毕业院校：西安建筑科技大学，专业：建筑与土木工程，学历：硕士研究生，现就职单位：陕西地建土地综合开发有限责任公司，研究方向：工程结构抗震。