钢框架结构梁柱节点连接设计方法分析

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摘要：加强钢框架结构梁柱节点连接设计方法的研究是十分必要的。本文作者结合多年来的工作经验，对钢框架结构梁柱节点连接设计方法进行了研究，具有重要的参考意义。

关键词：钢结构；钢框架结构；梁柱节点；连接设计；建筑设计

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

梁柱节点的连接设计方法对于建筑物的安全起着十分重要的关键性作用，梁柱结点既是梁与梁交叉的受力结点也是梁与柱连接的受力结点，这个结点既是钢框架结构中的受力枢纽也是钢框架结构中的传力枢纽。梁柱节点在传统上一般采用螺栓锁紧、焊接、螺焊混合等连接方法。

1 概述

钢框架结构在重量、韧性、安装周期、规模化生产、操作简易便捷等方面都优于钢筋混凝土框架结构框架，而且使用寿命也要长出许多，并且由于钢结构的坚固性与构件连接的多种选择性使得整座建筑的抗震性能与美观性方面都得到了加强。正是由于上述的这些优点，钢框架结构在近年来得到了长足的发展。梁柱节点是钢结构框设计之中的一个留给设计人员的最难抉择的关键点，几乎每一位设计师在处理这个关键部位时都会深思熟虑一番，因为梁柱节点是钢框架结构工程设计成败的关键所在。钢结构框梁柱节点可以采用的连接方式为下述几种：

1.1 刚性连接

这种连接方式可以获得最高的强度与刚度；

1.2 铰接连接

这种连接方式可以获得最大的柔性；

1.3 半刚性连接

这种连接方式所获得的刚性与柔性均介于上述两者之间。国内外的许多建筑工程专家们仍然在继续着对梁柱节点连接设计的研究与探索，相信在不远的将来更好的连接方法，更快速的施工方式都将随着新的创意、新的材料的出现而出现。在我国目前的建筑设计来看，无论是工业建、构筑物还是商业建筑物，抑或是民用建筑都越来越多的开始倾向于采用钢结构的半刚性连接，具体选择何种结构这是由其综合评估方面的考量所决定的。在实际施工过程中，采用半刚性接的方式可以大大加快施工进程，并且在施工过程中还省去了焊接的操作，铰接的连接方式也提高了构件标准化的进程。工商业建筑的刚性连接是考虑到所受的荷载较大。

2 各种连接形式特点

上述的三种连接方式各有其特点，但是这些连接形式最终还要归结为下述的连接方法：

2.1 普通螺栓及高强度螺栓连接

2.1.1 普通螺栓

钢结构连接用的螺栓共分为 10 余个等级，分别为 3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9 等级。等级在 8.8 级及以上的螺栓称为高强度螺栓，因为其制造材质为低碳合金钢或者是经过热处理过的中碳钢。在钢结构梁柱连接中较少使用 8.8 级以下的普通螺栓，绝大多数情况下都采用高强度螺栓以保证关键连接部位的安全可靠。

2.1.2 高强度螺栓

1）高强度螺栓种类。性能等级在 8.8 至 12.9 之间的高强度螺栓连接一般有两种形式：一种是通常用于 10.9 级及以上强度中的扭剪型高强度螺栓连接，另一种是大六角头高强度螺栓连接。在使用大六角头高强度螺栓连接时经常会出现施工人员安反垫圈的情况，这样就使得垫圈不但起不到紧固的作用反而会产生相反的松扣的作用了，正确的安装是有倒角侧朝向螺头。2）抗剪连接螺栓。在钢框架结构的梁柱节点连接中，高强度螺栓因其动力荷载的承受力、摩擦承压抗剪与耐疲劳等优良特性而得到了广泛的应用。根据高强度螺栓的抗剪性能的特性不同可划分为下述两种：a.摩擦型高强度螺栓。摩擦型的高强度螺栓是依靠其预拉力以提高梁柱之间的压力以对抗梁柱之间的分离的拉力产生的滑移。摩擦型的高强度螺栓承受剪力时，只是以其摩擦力对抗滑移。在实际的测试实验过程中，摩擦型高强高螺栓要求其抗滑移系数必须大于或等于其设计值。b.承压型高强度螺栓。承压型高强度螺栓是依靠其侧壁的压应力抵抗来自梁柱的剪力。承压型高强度螺栓与摩擦型高强度螺栓的最大不同就是承压型高强度螺栓允许剪力超过其摩擦力，当剪力超过其摩擦力致使接接件之间产生了滑移以后，螺栓杆与孔壁相接触，这时候承压型的特性就显现出来，螺栓与杆身的抗剪就是其区别于摩擦型的最大特点。

2.2 摩擦型高强度螺栓与焊缝形成的混合连接这种连接应注意以下几点：

1）焊缝的破坏强度高于高强螺栓连接的抗滑极限强度，其比值宜控制在 1～3 之间；2） 不能用于需要验算疲劳的连接中；3）其施工顺序，应根据板件的厚度，施焊时能否采取反变形措施等具体条件分析决定，一般采用先栓后焊的方式，此时高强度螺栓的强度应计及焊接影响，作一定的折减；当采用先焊后栓且板间又不夹紧时，宜采用大直径螺栓，并需将螺栓的抗剪承载力设计值乘以折减系数；4）在静力荷载作用下，摩擦型高强度螺栓可以和侧角焊缝共同作用。在直接承受动荷载作用的连接中，则不能用这种连接，施工时一般采用先栓后焊的程序，并在设计中考虑温度影响将高强度螺栓的预拉力予以适当折减；5）能共同工作的混合连接，其总承载力可按不同连接方式承载力的总和考虑。

2.3 全焊型连接

全焊型连接时疲劳敏感，焊接结构的低温冷脆问题比较突出，产生焊接残余应力和变形，对结构工作产生不利影响，除因受力复杂，接头刚度大或施焊不便的安装接头不宜采用焊接外，可广泛用于工业与民用建筑钢结构中。

全焊型梁柱连接的优点及施工时注意事项试验结果表明，全焊型梁柱连接的滞回性能好于栓焊型混合连接，具有较好的塑性变形能力。在全焊型梁柱连接中，设计时应注意选择合适厚度的节点板。节点板太强，不仅浪费材料，也不能充分利用节点域的变形能力耗散地震能量；相反节点板太弱的梁柱连接虽然能发展相当大的塑性变形，但由于梁翼缘难以形成塑性，也限制了节点的耗能能力。同时，节点域的塑性转动过大会增加框架的水平位移，对框架的整体受力不利。在这种连接中，梁上、下盖板边缘加工后与柱采用对接焊缝连接，盖板与梁的连接采用角焊缝，梁腹板与柱连接通过钢板或角钢而连在一起，钢板或角钢与梁腹板采用角焊缝连接，钢板或角钢与柱采用对接焊缝连接。在施工时应保证对接焊缝的质量，对接焊缝必须焊透，梁上、下翼缘、盖板与柱对接焊缝的质量对梁柱刚性连接的滞回性能有很大的影响。特别是焊缝与柱翼缘的连接面应注意除油除漆，合理安排施工顺序。

3 刚性连接的种类欧美及我国广泛采用的梁柱刚性连接又可分为三类

3.1 梁端与柱的连接全部采用焊接连接。

3.2 梁翼缘与柱的连接采用焊接连接，梁腹板与柱的连接采用摩擦型高强螺栓连接。

3.3 梁端与柱的连接采用普通形连接件的高强螺栓连接。

4 提高框架梁柱节点抗震性能的措施

地震区的刚性连接节点设计要满足多遇地震下弹性状态的承载力要求和罕遇地震下弹塑性状态的承载力和变形要求。根据钢框架强柱弱梁的抗震设计原则，按照有效控制梁上塑性铰位置的思路，采用在梁腹板进行开孔削弱的节点形式促成塑性铰的形成。

结束语

螺栓与焊接是较为常用的梁柱连接方法，新的技术也在不断涌现。目前国外正在研究一种较为先进的类似卡榫结构与螺栓焊接融合的连接方法，这种连接方法不仅梁柱连接处的接触面积加大更有利于力的传导，而且由于兼用了螺栓与焊接的方法使得连接更加有保障，并且还避免了传统的螺栓连接因连接处螺栓断裂、连接头断裂等出现事故的情况。即使螺栓与焊接过程都出现问题，这种卡榫结构仍然会牢牢地将梁柱连接在一起，当然了，这种结构也需要螺栓与焊接手段对其进行最终加固。

参考文献：

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[2]郭佳齐 高层建筑框架结构梁柱节点施工技术 [期刊论文] 《城市建设理论研究（电子版）》 -2012年17期

[3]朱书田 抗震框架结构梁柱节点施工应注意的问题 [期刊论文] 《施工技术》 ISTIC PKU -2008年10期