胡瑜靓
(宁波中交水运设计研究有限公司,浙江宁波 315040)
节点设计是钢结构设计中的一项重要内容。在钢框架结构中,钢梁与钢柱之间一般采用刚性连接,梁构件采用H形钢,其中翼缘一般采用对接焊缝连接,腹板采用焊接或高强螺栓连接,栓焊混用连接比较普遍。
梁柱刚性连接需在弹性阶段验算其连接承载力,在弹塑性阶段验算其极限承载力。《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010),8.2.8条第1款规定:钢结构抗侧力构件连接的承载力设计值,不应小于相连构件的承载力设计值,即抗震设计时连接的承载力设计值至少应等于梁构件的承载力设计值,这就需要把梁柱节点设计成等强节点。
在梁柱等强连接中,设计内力即为梁截面的承载力,与梁截面尺寸相关而与实际内力无关。在验算连接的受弯承载力时,通常采用常用简化设计法或全截面精确设计法。
当梁翼缘的塑性截面模量大于梁全截面塑性截面模量的70%时,可以采用简化设计法,假设梁翼缘承担全部梁端弯矩,梁腹板承担全部梁端剪力。对接焊缝的抗拉强度验算公式如下:
由于梁翼缘与柱的对接焊缝抗拉设计值与梁翼缘相同,在不作加强的情况下,连接的受弯承载力与梁翼缘相同,是无法达到梁全截面抗弯承载力M的,,不满足设计要求。
当梁翼缘的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70%时,可以采用精确设计法,此时梁腹板除承担全部剪力外,还与梁翼缘一起承担弯矩,翼缘和腹板分担弯矩的大小根据其刚度比确定。
《抗规》中并未阐述如何计算连接的受弯承载力,具体的计算方法可以参考《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—2015),
8.2.2条:梁与柱连接的受弯承载力应按下列公式计算:
式中:Mj——梁与柱连接的受弯承载力;
Ie——扣除过焊孔的梁端有效截面惯性矩;当梁腹板用高强螺栓连接时,为扣除螺栓孔和梁翼缘与连接板之间间隙后的截面惯性矩;
hb——梁截面高度;
f——梁的抗拉、抗压、抗弯强度设计值。
由以上公式分析可知,梁与柱对接焊缝可以承担梁翼缘部分的弯矩Mf,但是梁端腹板由于存在螺栓孔或者过焊孔,连接截面受到削弱,并不能承担梁腹板部分的弯矩Mw,Ie
因此,无论是简化设计法或精确设计法,在不对梁柱连接进行加强的情况下,均不能满足受弯等强连接的要求。
加强型节点一般用于抗震设计,是对梁端部翼缘设置盖板或局部加宽等构造措施,使梁端塑性变形在加强区末端的位置出现并扩展,使强震时梁的塑性铰自柱面外移以减小梁柱连接的破坏。目前常用的有翼缘板加强型、盖板式加强型、扩翼型和翼缘局部加宽型等,此外也可采用加腋等加强方案。
采用加强型连接后,梁端翼缘连接的承载力大大提高,在等强连接验算时,对于简化设计法,加强后翼缘须能承担梁全截面弯矩;对于精确设计法,加强后翼缘能承担更多弯矩,从而减小梁端腹板所承担的弯矩,使腹板净截面也能满足强度要求。同时,在下一步连接的极限承载力验算时,加强型连接也更容易满足“强节点弱构件”的要求。
某钢棚框架梁柱节点采用栓焊混合刚性连接,柱截面采用H400×400×12×16,主梁截面采用 H600×300×10×14,梁翼缘与柱采用全焊透的坡口对接焊缝连接,梁腹板与柱采用摩擦型高强螺栓连接。梁柱钢材均为Q235B,如图1所示。
图1梁柱节点计算实例
梁翼缘塑性受弯承载力=Wpffy=2461200×235=578.38kN·m。
梁腹板塑性受弯承载力=Wpwfy=817960×235=192.22kN·m。
梁翼缘受弯极限承载力=300×14×(600-14)×370=910.64kN·m。
采取上述加强方式后,梁翼缘受弯极限承载力=370×14×(600-14)×370=1123.13kN·m。
等强连接节点设计与实际内力无关,只与构件截面有关,因此具有形式统一,归并数量少的优点,便于制作和施工,一般用于抗震设防的重要连接。本文探讨梁柱刚接节点设计的方法和节点加强的类型,通过分析必须采用加强节点以便达到等强连接之目的。采用加强型节点后,也能较容易满足连接的极限承载力验算要求,符合“强节点、弱构件”的抗震设计原则。