钢框架梁柱端板抗弯连接节点计算

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【摘 要】钢结构工程具有重量轻、强度高、整体刚性好、变形能力强以及施工速度快的优点。钢框架结构中，梁柱的连接有全焊接和端板连接两种方式，现行规范中推荐使用前者，对于端板连接的计算及应用未做详尽介绍。本文基于一个工程实例，就框架梁柱端板抗弯连接节点的计算作了详细介绍。

【关键词】钢结构；端板连接；节点计算；塑性铰

钢结构工程具有重量轻、强度高、整体刚性好、变形能力强以及施工速度快的优点。钢框架结构中，梁柱的连接有全焊接和端板连接两种方式，现行规范中推荐使用前者，对于端板连接的计算及应用未做详尽介绍。本文将基于一个工程实例，介绍框架梁柱端板抗弯连接节点的计算。

所谓端板连接，即钢梁端部全焊于钢板，并在梁下翼缘设T型加腋，端板采用高强螺栓与钢柱翼缘连接。见图一。

1.端板连接结构的抗震设计

1.1 三水准原则：

通常的结构抗震设计原则为三水准，多重设防设计。即三水准小震不裂，中震可修，大震不倒；多重设防即强柱弱梁，强剪弱弯，强节点强锚固，及延性设计【1】。对于该端板连接，设计考虑该连接处梁截面加大，连接高强螺栓有充分的力臂抵抗梁端内力，容易满足强节点，弱构件；且高强螺栓与连接的端板在大震下产生塑性变形具有较好的延性。

1.2 塑性铰位置：

在常规荷载作用包括遭遇地震设防烈度作用下，节点是处于弹性状态，当结构遭遇超出设防烈度（大震）时，在构件上会出现塑性铰，对于该端板连接此塑性铰通常位于加腋根部梁上。这与GB要求在八，九度设防采用梁端骨型连接构造把塑性铰有意与梁端错开一定尺寸相似，AISC对此也有详细描述。

1.3 螺栓撬力：

据AISC研究成果，当端板承载力不大于连接的柱翼缘抗弯承载力的90%，端板可认为是“厚板”，即可以忽略端板撬起产生的螺栓撬力；设计通过控制螺栓的极限承载力，保证节点强于梁截面【3】。

1.4 极限状态描述（端板的受力）：

端板设计按照屈服线理论，采用弹性平面假定，以梁端受压翼缘为弯曲中心，考虑端板屈服及受拉端螺栓达到承载力极限，具有较好延性。

1.5 端板连接的优点：

连接适用于冬季安装，现场仅需使用螺栓；所有的焊接可以在钢结构加工厂完成，可避免因现场焊接引起的问题；由于无需现场焊接，现场的安装相对速度快并且更经济。；易保证框架的垂直度；在大部分情况下，总安装成本更具竞争力。

1.6 端板连接的缺点：

由于对钢梁长度的精确度以及对钢梁端部方正度要求很高，因此，对制作技术的要求相对也高；如果柱子的方正度及版面翘曲度出现偏差，现场安装就会有困难。但可以通过制作1/4英寸至3/8英寸的短梁结构并且提供相应的垫片来解决；由于焊接带来的高温，端板易产生弯曲；在端板上翼缘张力焊接区域，端板会受到层状撕裂；螺栓始终处于张紧状态，会导致杠杆力。

2.节点连接计算

梁：H-1000x300x20x34

柱： H-1000x400x20x34

ME=2809KN·m（柱边）

VE=1918KN

2.1 螺栓受力分析

选用10.9级M30承压型高强螺栓，按普通螺栓计算。

螺栓荷载：

以下翼缘为基点计算弯矩：

2890x103=（2F1+2F2）

x1971+2F3x1714+2F4x1564+2F5x1412+2F6x1262+2F7x1112+2F8x898+2F9x723+2F10x548+2F11x373+2F12x198

= x（2x19712+17142+15642+14122+12622+11122+8982+7232+5482

+3732+1982）

∑Yi2=19.78m2x2=39.56m2

F1=F2=140KN F5=100KN F8=64KN F11=27KN

F3=122KN F6=90KN F9=51KN F12=14KN

F4=111KN F7=79KN F10=39KN

Fc=1954KN

a、 螺栓的抗拉承载力：

=561x500=280KN

F1=140KN< = =329KN 满足

b、螺栓的抗剪承载力：

= =1x561x310=173KN

（钢规7.2.4条）

c、螺栓的抗压承载力：

=d =

=

d、螺栓承受的剪力：

Nv 满足

满足

按《钢规》7.2.5-2条，

F1 满足

按《规范理解与应用》（建工版）P233，将螺栓抗拉强度设计值降低20%，可不考虑撬力影响

1.1 F1 满足

2.2 梁端焊缝在弯矩剪力作用下的承载力

梁端焊缝：端板与梁采用等强度连接，并保证焊接面积不削弱。

2.3 端板计算：

a、端板厚度：

t ——《钢结构设计手册》上册（9-34）

取t=35mm

b、端板端距净截面抗拉验算：

满足

c、柱翼缘强度、柱腹板强度：

Ⅰ、梁受拉翼缘处（柱翼缘的厚度）

-----《钢规》7.4.1-3

应设置横向加劲肋。

Ⅱ、梁受压翼缘处（柱腹板的厚度）：

梁底最大水平压力：

=

水平加劲肋板厚34mm

满足

2.2 极限承载力验算：

根据AISC，塑性铰位置见图二。

《抗规》8.2.7-1

a、验算梁端焊缝：

等强度连接，不必验算。

b、验算螺栓受拉、受剪（《抗规》8.2.8）

螺栓拉力：

螺栓的极限受拉承载力：

满足

或

满足

满足

端板厚度及端板抗拉验算：

满足

净截面抗拉：

满足

C、节点域：（《抗规》8.2.5-3）

柱： H1000x400x20x34

满足

参考文献：

[1]GB50011-2010《建筑抗震设计规范》

[2]GB50017-2003《钢结构设计规范》

[3]AISC钢结构设计手册（Extended End-Plate Moment Connections Seismic and Wind Applications）

[4]《钢结构设计手册》（中国建筑工业出版社 2004）

[5]《钢结构设计规范理解及应用》（中国建筑工业出版社 2004）