浅谈钢结构梁柱刚性节点抗震设计

　　摘要：本文首先论述了钢结构梁柱节点的基本特性，进而论述了梁柱刚性节点的主要处理形式，第三论述了梁柱节点连接时的规定，最后详细论述了钢结构梁柱刚性节点设计建议。
　　关键词：钢结构；梁柱；刚性连接节点；抗震设计
　　
　　梁柱刚性连接节点设计是钢结构整个设计工作中的一个非常重要的组成部分，因其设计得是否恰当将直接影响到钢结构承载力的安全性和可靠性。当前，随着钢结构日益广泛的应用，为了避免出现人员伤亡和财产损失，对钢结构梁柱节点抗震设计进行深入的研究已经迫在眉睫。
　　1钢结构梁柱节点的基本特性
　　1.1刚性连接节点，从保证构件原有的力学特性来说，在连接节点处应保证其原有的完全连续性。这种构造能使所连接的构件之间夹角在达到承载能力之前不发生变化，其连接强度应不低于被连接构件的屈服强度。
　　1.2半刚性连接节点，能保证其承载力等于或大于构件的承载力，但由于所采用的连接方法和细部构造设计的关系，致使连接节点的弹性刚度比构件的弹性刚度低，这样的节点形式作为设计要求一般不采用。
　　1.3铰接连接节点，从理论上讲是完全不能承受弯矩的连接节点，因而一般不能用于构件的拼接连接。铰接连接节点通常只用于构件端部的连接，比如柱脚、梁、析架和网架杆件的端部连接等。
　　2梁柱刚性节点的主要处理形式
　　2.1梁端削弱式（犬骨式）方案
　　该方案是对靠近梁柱节点的钢梁翼缘进行圆弧削弱，在地震作用下，翼缘削弱处先于梁柱节点出现塑性铰，实现塑性铰外移，起到保护梁柱刚性连接节点的作用。设计时，需考虑刚度变化对整体分析的影响。该方案符合“强连接弱杆件”设计思路，构件加工时，处理圆弧削弱要求加工尺寸准确，切割面光滑无尖角，避免应力集中，磨平时应顺翼缘长度方向加工，对加工工艺有较高要求。
　　2.2梁端加强或加腋式方案
　　梁端加强方案即是增大梁端及其与钢柱焊接的截面，使梁端及节点承载能力高于正常钢梁截面承载能力。在地震作用下，加强的梁端及梁柱节点尚未进入全截面塑性受力状态时，接近梁端的正常钢梁截面因截面较小，先形成塑性铰，从而起到保护梁柱刚性连接节点的作用。
　　加腋式方案是在节点部位梁的下面加上三角形梁腋，以增加节点处的有效高度，迫使塑性铰在节点区域外形成，减少梁下翼缘处对接焊缝的应力。
　　3梁柱节点连接时的规定
　　3.1强柱弱粱的规定
　　所谓“强柱弱梁”即控制塑性变形能力大的梁端先于柱出现塑性铰。为此AISC抗震规范和我国的抗震规范都规定了梁柱受弯承载力的比值：
　　ΣMPc≥ηΣMPb
　　式中：MPc=WPc（fyc-N/Ac）为柱的全塑性弯矩；η为强柱系数，各规范取在1.0-1.15之间；MPb为梁的全塑性弯矩，一般取MPb=WPbfyb。
　　3.2节点域抗剪承载力的规定
　　现行的设计规范都允许节点域在地震作用下产生塑性变形，耗散地震能。我国抗震规范和《高层民用建筑钢结构技术规程》对于节点域的要求为：
　　Ψ（MPb1+MPb2）/vp≤（4/3）fv
　　式中：Ψ为系数，6度Ⅳ类场地和7度时可取0.6，8、9度时取0.7；MPb1、MPb2分别为节点域两侧梁的全塑性受弯承载力；vp为节点域的体积；fv为节点域钢材抗剪强度设计值。
　　3.3连接承栽力的规定
　　节点设计一般要求多高层建筑钢结构的节点设计应满足传力可靠、构造简单、具有抗震延性及施工方便的要求。在进行抗震设计时，应考虑地震下结构已进入弹塑性受力阶段，按照结构抗震设计遵循的原则——“强节点，弱杆件”，即：
　　Mw≥1.2Mp
　　Vu≥1.3（2Mp/l）
　　式中：Mw——仅由翼缘连接（焊接或螺栓）承担的最大受弯承载力；
　　Mp——梁的全塑性受弯承载力；
　　Vu——由腹板连接（焊接或螺栓）承担的最大受剪承载力；
　　l——梁的净跨。
　　4钢结构梁柱刚性节点设计建议
　　4.1钢梁腹板上下端为确保翼缘焊缝连续施工，做扇形切口，上切口半径35mm，下切口规定高度50mm，如采用腹板现场焊接连接，共减少腹板高度85；如采用连接板连接时，一般连接板上下距梁翼缘各50mm，相比腹板减少高度100。
　　4.2无论梁端削弱式还是加强式方案，其设计的目的是希望在地震的作用下，在钢柱和梁柱节点以外出现塑性铰，即出现在钢梁上。根据（GB50017-2003）《钢结构设计规范》中的规定，构件出现塑性铰的截面处，必须设置侧向支撑杆。而根据（GB50011-2003）《建筑抗震设计规范》中的规定，其上下翼缘处均应设置侧向支撑杆。在设计时，要求其侧向支撑杆应具有足够的强度和刚度，设置应符合相关要求。
　　4.3在采用梁端削弱式方案时，为避免增加梁的钢材用量，在设计削弱截面时，应避免根据弹性设计结果选定钢梁截面，在其基础上进行梁截面削弱，造成在多地震作用下可能出现塑性铰。
　　4.4由于钢梁下翼缘焊缝因腹板相隔造成焊接工作中断，易形成焊缝缺陷。在过去的施工中，一般是将上下翼缘焊缝衬板割除，以检查翼缘下部焊缝质量及裂缝。但在具体施工中，在衬板割除作业中，如稍不小心，就会伤及主材。因此，在设计时，有两种建议：①在下翼缘处将衬板割除，上翼缘处用角焊缝将衬板与翼缘焊接封闭；②上翼缘处震害较少，可不处理，下翼缘处用角焊缝将衬板与梁柱翼缘封闭，包括翼缘两侧与衬板相接处。在具体的设计时，笔者更倾向于后者，因为第二种设计方案可减少衬板割除的工作量，从而可大大降低对主材的伤害。
　　4.5在采用梁端削弱式（犬骨式）方案时，建议梁腹板与柱的连接应优先采用焊接，即用全熔透坡口焊缝将梁腹板直接焊在柱上或通过较厚连接板焊接。很多研究成果指出，腹板焊接的性能比栓接好，能更好地传力，从而减小翼缘和翼缘坡口焊缝的应力。在采用焊接连接时，应采用与母材强度相适应的焊条或焊丝、焊剂。
　　4.6在以往地震下的钢结构中取出连接试件在室温下的试验表明，其焊缝冲击韧性往往很低，冲击韧性过低会使连接焊缝在地震作用反复受力下容易产生脆性破坏，成为引发节点破坏的重要因素。因此，在具体设计时建议，应考虑地震作用高应变速率对焊缝韧性的影响，要对焊缝的冲击韧性提出应用要求，应根据抗震设防的要求和地震载荷特点提出对梁柱焊接节点局部韧性的要求，选用韧性达标的焊接材料，使其满足或优于钢梁所需冲击韧性的合格保证，施工单位在检验时要提供相关检验报告。
　　4.7按抗震设计的多层及高层钢结构，其梁与柱的连接节点的最大承载力可分别验算焊缝的极限承载力（对接焊缝受拉，角焊缝受剪）、高强度螺栓连接的极限受剪承载力、有螺栓孔等削弱的杆件最大承载力（轴心控力、剪力）等，其连接节点应按地震组合进行弹性设计，并应进行地基检限承载力验算。
　　4.8设计时，梁与柱的连接应符合下列构造要求：①梁与柱的连接宜采用柱贯通式，到顶层时若梁柱连接为铰接，则在顶层也可采用梁贯通式。梁贯通型的连接形式多用于钢骨混凝土柱中的“十”字形钢柱。②在抗震结构中，当柱在两个方向都与梁相接时，宜采用箱形柱、“十”字形柱或圆管柱。③设计地震烈度大于或等于8度的框架梁，为了保证连接具有足够的承载力，使节点处因梁端最大弯矩形成的塑性铰向梁的跨中部转移，除采用梁端加强式连接外，也可采用梁翼缘削弱式连接。
　　5结束语
　　综上所述，解决钢框架体系中梁柱刚性节点的设计问题，对于大力发展建筑钢结构具有重大而深远的意义。在具体的设计过程中，应切实可行地贯彻“强节点、弱杆件”的原则，以确保梁柱刚性节点的设计能满足钢结构构造要求，从而确保钢结构工程的整体性和可靠性。
　　
　　参考文献：
　　[1]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].
　　[2]GB50011-2003.建筑抗震设计规范[S].
　　[3]黄艳，俞英娜.钢框架梁柱新型抗震节点设计[J].中国高新技术企业，2008，（16）.
　　[4]彭军.框架刚性连接梁柱节点抗震性能研究[J].榆林学院学报，2009，（4）.

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