关于钢结构梁柱节点设计中几个问题的探讨

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【摘要】在钢结构设计工作中，连接节点的设计是一个重要的环节。为使连接接点具有足够的强度和刚度，设计时应根据连接接点的位置及其所要求的强度和刚度，合理地确定连接节点的形式、连接方法、具体构造以及基本计算公式。本文介绍了连接节点的特点，分析了钢结构梁柱节点设计应注意的问题，并提出了钢结构梁柱节点设计要点。

【关键词】钢结构梁柱节点设计

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

连接节点设计是钢结构设计的重要内容之一，它直接影响结构在荷载作用下的整体性能以及单个构件的受力分析。一般建筑钢结构，都是由若干竖杆、水平杆或加上斜杆组成抗侧力的框架、或框架支撑结构。这些杆件的组合，之所以能成为一个承力构件，能承担一定的竖向荷载和水平荷载，靠的就是各杆件之间的节点将这些杆件用各种不同的连接方式和连接件将它们连接成为一个非机动构架，这种杆件系统的构件，在外荷载作用下，一旦节点发生破坏，整个结构就会成为机动构架而失去承载能力。钢结构连接节点设计是钢结构整个设计工作中的一个重要环节，连接节点的设计是否安全，对保证钢结构的整体性和可靠度、对制造安装的质量和进度以及对整个建设周期和成本都有着直接的影响。

一、连接节点的特点

根据节点处传递荷载的情况、所采用的连接方法以及细部构造, 连接节点的类别可分为刚性连接、半刚性连接和铰接连接。

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的接头, 其连接强度应不低于被连接构件的屈服强度。

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显著得低, 这样的节点形式作为设计要求一般不采用。

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、桁架和网架杆件的端部连接等。但在工程实际应用中, 它的特性并非完全铰接, 例如, 它对弯矩并不是完全不能承受, 只是抗弯刚度远低于构件的抗弯刚度。

二、钢结构梁柱节点设计应注意的问题

1、连接的设计应与内力分析的假定相一致。在结构分析前，就应该对连接节点的形式进行充分的思考和分析，以保证最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式完全一致。

2、节点构造不应太复杂。节点设计要尽可能使工人能方便的进行现场定位和安装。此外，节点设计还应考虑加工厂的工艺水平。

3、节点设计尽可能避免偏心连接，不能完全避免时应考虑偏心连接对结构的影响。

4、传力要直接、连续。各构件之间受力要明确，尽可能避免应力集中。

5、注意破坏顺序控制。设计时应加强主要构件的连接节点，避免在结构重要受力构件还处于弹性变形阶段时，由于节点破坏而导致整个结构的倒塌。

6、注意构造细节。使节点具有足够的延性和韧性;节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。

7、注意对薄弱环节的加强保护。在梁柱可能出现塑性铰的区段，应该限制板件宽厚比，防止局部屈曲，保证耗能作用的发挥，同时设置侧向支承点，保证梁上塑性铰转动过程中，不出现梁的整体失稳。

三、钢结构梁柱节点设计要点

目前抗侧力框架和梁柱的抗弯连接均采用刚性方案。梁柱刚性连接的主要构造形式有3种：全焊节点；高强螺栓连接节点；栓焊混合节点。

1、全焊节点

（1）全焊节点连接形式

全焊节点连接：梁的上下翼缘用全熔透坡口对接焊缝，腹板用角焊缝与柱翼缘连接。翼缘对应处应加水平加劲肋，箱形柱内应设加劲肋隔板。加劲肋应按与梁翼缘等强设计，其连接焊缝亦应满足等强传力的要求。梁柱刚性连接中，梁端内力向柱传递时，梁端弯矩主要由梁翼缘承担，梁端剪力则主要由梁腹板承担。

（2）全焊节点的设计

在避免增加结构刚度和接头部位应力集中的情况下，根据“强节点弱杆件”的原则适当加强节点，在不发生失稳的情况下，可适当削弱梁。在梁上出现“塑性铰”时，尽量减少结构和焊接接头部位的应力集中，腹板上的工艺孔应平滑过渡。在不减小腹板连接强度条件下，适当加大工艺孔，以便于施焊，提高焊缝质量。

2、高强螺栓连接节点

（1）高强螺栓连接形式

高强螺栓连接节点：梁腹板与柱以高强螺栓现场连接，以传递轴力、弯矩与剪力。

该种连接形式施工要求十分严格，但是对于结构承受动载十分有利，可简化制造和安装，特别是在高层和超高层钢结构以及承受动载的结构设计中，所有连接节点均采用高强度螺栓连接方式。

（2）高强螺栓连接的类型和受力特点

高强度螺栓受剪力时按照设计和受力要求的不同，可分为摩擦型和承压型两种。

摩擦型高强度螺栓连接在受剪设计时，是以外剪力达到板件接触面间由螺栓预压力使板件压紧所提供的最大摩擦力为极限的。在设计摩擦型高强螺栓时，应保证连接点在整个使用期间外剪力不超过最大摩擦力，即能由摩擦力完全承受，使板件间不会发生相对滑移变形，即螺栓杆和孔壁间始终保持原有空隙。连接件按弹性整体受力考虑。

承压型高强度螺栓连接在抗剪设计时只保证在正常荷载作用下，剪力一般不会超过最大摩擦力，其受力性能和摩擦型相同。若剪力超过最大摩擦力时，连接板件间将发生相对滑移变形直到螺栓杆与孔壁一侧接触，之后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间摩擦力共同传力。

（3）承压型高强螺栓连接的设计

承压型高强度螺栓连接的计算：抗剪连接沿杆轴方向的受拉连接同时承受剪力和杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓连接计算需按规范进行。原规范中规定的在抗剪连接中以及同时承受剪力和杆轴方向拉力的连接中，作了承压型高强度螺栓的受剪承载力设计值不得大于按摩擦型连接1.3的规定，主要是当时对承压型高强度螺栓的研究还不够深入，尤其是缺乏使用经验。我们采用承压型高强度螺栓的承载力不超过按摩擦型计算的l～3倍确保结构安全可靠。此外按规范规定结构的平均荷载分项系数约为l～3，满足此项要求的承压型高强度螺栓在荷载标准值情况不致产生滑移，则对保证结构的变形是有利的，但不能充分发挥承压型高强度螺栓的效能；而采用承压型高强度螺栓的前提是结构中允许发生一定滑移变形的连接，这相当于对承载力进行了控制。

3、栓焊混合连接节点

栓焊混合连接节点：梁翼缘与柱翼缘完全采用坡口焊接，而梁腹板采用普通或高强螺栓与柱翼缘连接的形式。这种连接形式是业内专家和学者们均认可的一种形式。

纯螺栓或栓焊连接只是考虑现场施工方便，国外近期关于的地震破坏的资料表明，定位螺栓联合焊接的方式将是高层、超高层钢结构工程的首选。这种连接的优势在于不但可以保证节点属于刚性连接，同时结构可以承受动力荷载，经过反复加载后节点承载能力基本没有降低。经试验，这种形式的连接在经过多次非常剧烈的反复加载后会突然断裂，表明与柱子腹板的这种连接具有的延性较全焊接连接节点具有的延性稍差，但栓焊混合节点也能满足工程抗震所要求的延性。另外连接处梁、柱的强度由于打孔的原因均被削弱，施工过程复杂。

参考文献：

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