钢框架梁柱刚性连接节点计算方法探讨

李 静

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200000）

1994年美国北岭地震后发现一些钢框架梁柱栓焊混用连接点出现了脆性破坏断裂的现象，且多发生在梁下翼缘的连接处，对节点承载力的影响较大[1]。钢框架梁柱连接处几何形状复杂，应力集中严重，对应力和应变的需求较大。在强烈地震作用下节点的塑性及延性不足是造成焊缝撕裂发生脆性破坏的主要原因，因此，梁柱连接性能及其对钢框架结构抗震性能影响成为研究的热点之一。文章基于规范，围绕梁柱刚性连接节点的计算方法展开讨论。

1 规范中对梁柱刚接节点的计算方法的调整

梁柱栓焊混合连接节点在我国的钢结构设计中有着较为广泛的应用，规范中也对该类节点设计提供了依据。但是我国规范对于梁柱连接的计算原则也经历了几次重大的调整，具体汇总如表1所示。

表1 各版本规范对钢柱连接的计算要求

在规范的更迭过程中，除了《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99—2015）（以下简称《高钢规》），均认为梁端弯矩可仅由钢梁翼缘承受，钢梁腹板仅承受剪力[2]。2015版的《高钢规》借鉴了日本规范，认为钢框架梁柱刚性连接中，梁端弯矩由钢梁翼缘和钢梁腹板共同承受，并且给出了钢梁腹板承载弯矩及腹板配置抗弯螺栓的计算方法。文章选用了工程中常用的热轧工字形的梁柱截面，针对2015版《高钢规》的计算方法进行了试算，对比分析了新老规范在计算上的区别。

2 新旧规范节点设计计算与分析对比

2.1 2015版《高钢规》的规定

2015版《高钢规》第8.2.1及8.2.4条规定，梁与柱的刚性连接应按式（1）验算。

梁端连接的极限受弯承载力按式（2）验算。

梁翼缘连接的极限受弯承载力按式（3）验算。

梁腹板连接的极限受弯承载力按式（4）验算。

梁腹板有效截面的塑性截面模量按式（5）验算。

2.2 1998版《高钢规》的规定

1998版《高钢规》8.1.3规定，抗震设防的高层建筑钢框架，其节点连接的最大承载力应符合下列要求[3]。

梁与柱连接应按式（6）验算。

式中：Mu为基于极限强度最小值的节点连接最大受弯承载力，仅由翼缘的连接承担；Mp为梁构件（梁贯通时为柱）的全塑性受弯承载力。

2.3 梁柱节点的极限承载力设计与对比分析

在《热轧H 型钢和部分T 型钢》（GB/T 11263—2010）中选用经常用的H型钢梁作为框架梁和框架柱，框架梁柱材料强度为Q345B（fub=470MPa,α=1.35）[4]。按照上述规范计算公式对梁柱连接的极限抗弯承载力进行计算，结果如表2所示。

从表2中的计算结果可以得出，对常用H型钢梁，其腹板对梁柱节点的极限抗弯承载力提高十分有限。钢梁腹板极限抗弯承载力占梁柱连接所需的极限抗弯承载力αMp的比值为8%～13%，即便考虑了钢梁腹板提供的抗弯承载力，即使对于连接系数较小的Q345B，也很难满足2015版《高钢规》中的公式的计算要求。上表中为所需的极限抗弯承载力增加值。因此，为满足规范计算要求，需要采用梁端节点加强的连接形式。

表2 常用H形钢梁节点计算参数对比

对比2015版《高钢规》和1998版《高钢规》，其中梁端极限抗弯承载力考虑翼缘与腹板均参与抗弯的栓焊节点新算法与仅考虑钢梁翼缘抗弯的传统算法，腹板对梁柱节点的极限抗弯承载力提高有限的，一般是很难满足规范计算要求的。这主要是因为连接采用钢材的抗拉强度fub，而其相应构件则采用钢材的屈服强度fyw，它们不是在同一材料取值和水准中加强节点。梁柱的连接强度取值过高会减小焊缝、螺栓的需要量，在构件中即使留有一些富余量，仍会使构件的实际强度大于其连接强度，而这种极限承载力验算一般很难满足。例如Q235，屈强比fub/fyw=1.6，对公式（8.2.1-1）α=1.2时，较为容易满足。然而对于Q345，屈强比fub/fyw=1.38，对公式（8.2.1-1）α=1.35时，则不易满足，这使得公式中原来α的富余量形同虚设。综上所述，所有极限承载力公式验算建议修改为连接承载力验算，并采用钢材或螺栓的强度设计值，连接强度要比构件强度大，即可避免因设计时构件留有余量或施工以大代小而造成弱节点的安全隐患。

3 截面削弱及加强的方式

当框架梁与柱极限抗弯承载力验算不满足规范要求时，宜采用可使塑性铰外移的梁端加强及削弱式连接形式。加强型连接主要有翼缘板加强式、盖板加强式、圆弧扩翼式、侧板加强式连接节点等形式；削弱型连接经常用骨形节点，此种做法在美国应用比较多。（1）翼缘板加强型连接。翼缘板加强式连接的梁翼缘与柱翼缘不直接焊接，而是在梁端通过加强板过渡，过渡板宽度比梁翼缘略宽，适用于加宽翼缘或箱型截面柱。（2）盖板加强型连接。盖板加强式连接的梁翼缘与盖板采用同一个坡口与柱翼缘焊接，盖板比梁翼缘上翼缘略窄、下翼缘略宽，适用于中翼缘或窄翼缘截面柱。（3）圆弧扩翼型连接。圆弧扩翼式连接是将梁翼缘末端的宽度加大，制作时先制作一段悬臂梁段，悬梁段与柱在工厂全焊接连接，运至工地后再完成梁与悬臂梁段的拼接。（4）侧板加强型连接。侧板加强式连接是在梁端部采用与梁翼缘等厚度的平板与梁翼缘对接焊接，适用于宽翼缘或箱型截面柱。（5）骨形削弱型连接。骨形削弱型连接在距梁端一定距离处，将梁翼缘两侧做成圆弧形切削，但该节点对梁承载力及稳定性有一定影响。以上加强削弱方式均可实现梁柱节点梁端塑性铰外移的目的，以达到规范对极限受弯承载力的要求。

4 结束语

钢框架梁柱现场连接主要采用翼缘焊接腹板拴接的连接形式，这种节点需满足“强节点、弱构件”的设计原则。传统的栓焊混合节点计算仅考虑钢梁翼缘抗弯和梁腹板抗剪，而2015版《高钢规》给出了钢梁腹板承担梁端弯矩的计算方法。文章基于常用的热轧型钢截面，对比了翼缘与腹板均参与抗弯的栓焊节点新算法与仅考虑翼缘抗弯的传统算法之间的差别。计算结果表明，腹板对梁柱节点的极限抗弯承载力提高有限，故对常用H型钢，即便考虑腹板抗弯，仍然无法满足2015版《高钢规》公式的要求，还需要采用加强型连接或削弱型骨式连接。然而2015版《高钢规》强连接的公式也存在以下问题：（1）连接承载力是用钢材的抗拉强度fub，而构件的承载力是用钢材的屈服强度fyw，使得连接的极限承载力对应构件的塑性承载力，比较的依据不对等；（2）未考虑塑性铰处剪力至梁端的附加弯矩。

基于以上结论建议采用以下设计：（1）基于现有的规范体系，腹板参与受弯的效率低，且需设置较多的螺栓，建议采用钢梁翼缘仅受弯、腹板仅受剪的设计原则简化设计，并采用加强式翼缘或狗骨式削弱连接，以满足“强连接弱构件”的设计原则；（2）建议规范进一步明确节点的设计目标，并加强设计目标、规范公式的逻辑性。