钢结构梁柱连接节点设计探究

钢结构梁柱连接节点设计探究

马龙

中国寰球工程公司新疆分公司新疆乌鲁木齐830011

摘要：由于钢材具有自重轻、延性好、安装方便和施工工期短等特点，钢结构的应用也变得越来越广泛，而结构整体的设计中，梁柱节点连接设计的重要性也变得日渐突出，节点连接设计的合理性，不只是对节点和构件本身的安全保障，更是直接关联钢结构自身的整体稳定。本文就钢结构梁柱连接节点的问题，进行了节点的传力特征、设计原则和连接方式的探究。

关键词：钢结构；梁柱；连接节点

1前言

在钢结构整体设计过程中，梁和柱之间的节点是钢结构中的关键部位，连接节点的安全性能够为钢结构的整体性、可靠性提供一定的保障，特别是在结构的抗震设计中占据着重要地位。对此，正确认识和理解钢结构梁柱连接节点的设计是每个设计工作者必须掌握的知识之一。

2钢结构梁柱连接节点传力特征

钢结构梁柱连接节点设计中，确定节点连接形式是钢结构计算和设计的前提条件，明确传力途径，然后才能将整个结构受力模型简化出来用软件进行分析计算。根据节点处的传力特征和连接点的转动情况，节点连接一般可分为铰接、刚接和半刚性连接。

（1）铰接连接一般是采用连接板进行连接，连接板与梁腹板进行焊接或高强螺栓连接，梁的上、下翼缘无需与柱连接。采用铰接时构造简单，可以简化现场的安装程序与流程，并且还能够大幅度减少现场整体作业量，而且现场安装可以不受天气和季节的影响，大幅提升了钢结构安装速度。对受力方面来说，铰接连接节点在理想状态下是完全不产生弯矩的连接节点。故此，铰接连接的刚度与耗能性能较差，不利于结构的整体稳定、位移的控制和抗震要求。

（2）刚性连接除了梁腹板要与柱具有可靠的连接外，梁的上、下翼缘还必须与柱连接（一般可采用焊接连接、高强螺栓连接和混合连接）。相对于铰接连接，刚性连接构造较为复杂，施工难度较大。但在钢结构梁柱节点的设计中，刚接连接是最常用的连接形式，其中原因除了刚性连接能提高结构整体稳定和刚度外，还有利于抵御风荷载和水平地震引起的位移，减少钢材的消耗，降低成本。

（3）半刚性连接是介于铰接和刚接连接之间的一种连接形式，节点强度和刚度在铰接和刚接之间。在现行规范中，对于半刚性连接并没有规范性的介绍，设计方法也没有明确的规定。在实际工程证明中，半刚性连接节点的弹性刚度一般情况下比构件的弹性刚度明显要低，所以工程设计中一般不建议采用此连接方式。

由上可以得知，在梁柱连接节点中，一般多采用刚性连接和铰接连接，半刚性连接一般不采用。而在钢框架结构的设计中，抗侧力框架和梁柱的抗弯连接多刚性连接。

3钢结构梁柱连接节点的设计

3.1节点设计原则

（1）强柱弱梁：在结构设计中，塑性铰出现在梁端，梁端先于柱屈服，柱子不先于梁破坏，是为强柱弱梁的表现形式。强柱弱梁设计，可以提高结构的变形能力，防止在地震作用下因构件的承载力降低而倒塌。

（2）强节点弱构件：对于结构整体而言，梁柱连接节点的失效意味着与之相连的梁、柱失效，所以确保节点的承载能力高于所连接构件的承载能力，防止节点的破坏先与构件的破坏，是保障钢结构整体安全的必要条件。但对于连接节点又不可太强，在地震发生时，节点域的连接板件允许出现一定量的屈服变形，对提高结构整体的延性是有好处的。

（3）强焊缝弱钢材：由于焊接的各种不确定性，构件焊缝在延性方面，往往会低于被连接构件自身的钢材延性。而为了提高构件与整体的延性和安全性，在构件连接设计中，要求焊缝的承载力应高于被连接件构件的承载力，这样可以使构件在发生屈服时，屈服截面避开焊缝位置而位于钢板之中。

3.2节点的连接

节点的连接是钢结构设计部分的重要组成部分之一，在节点的设计原则中，“强节点弱构件”、“强焊缝弱钢材”都是针对于节点的连接。而梁柱刚性连接的主要方式为：全焊连接、全栓连接和栓焊混合连接，如图1：

（1）全焊连接：全焊缝连接，主要采用电弧焊。梁柱的全焊连接一般为梁的上下翼缘与柱进行全熔透坡口对接焊缝，腹板与柱采用角焊缝。焊接过程中，由于被连接构件局部受热和焊后不均匀冷却，将产生焊接残余应力和焊接变形，焊接残余应力高的可达到钢材屈服点，故此对构件的稳定和疲劳强度均有显著的影响。

实验表明，节点连接采用全焊连接相对于栓焊连接，具有较好的滞回性和塑性变形能力。良好的焊缝质量和焊接构造可以充分保证节点域的变形能力耗散地震能量，同时，节点板厚度的选取也对节点的耗能能力有至关重要的作用。

（2）全栓连接：梁柱节点的螺栓连接，一般采用高强度螺栓连接，从受力特征一般分为高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接。在传力过程中，摩擦型连接节点是依靠被夹紧板束接触面的摩擦力传力，一旦摩擦力被克服，被连接的构件发生相对滑移，说明节点已经破坏。而承压型连接节点是假设板束接触面间的摩擦力被克服后，螺栓与孔壁接触，通过螺栓的抗剪和孔壁的承压来传力，当螺栓或所承压的板件破坏后，才认为节点破坏。

高强螺栓连接，具有连接紧密、安全性好、安装简单迅速、便于维护和加固等优点，同时由于高强螺栓不宜重复使用，特别是10.9s级高强螺栓，在投资成本上会有所增加。在高强度螺栓摩擦型连接和承压型连接二者的选择中，由于承压型的施工费用较高，所以一般优先选择摩擦型连接。

（3）栓焊混合连接：栓焊混合连接是螺栓与焊缝形成的混合连接。连接时，梁翼缘与柱完全采用坡口焊接，而梁腹板采用普通或高强螺栓与柱连接的形式。这种连接方式不但可以保证节点属于刚性连接，同时可以保证构件在承受动力荷载时，经过反复加载后节点承载能力不会下降较大。而对于梁、柱连接处，构件的强度会因为打孔而被削弱，梁柱连接时步骤较多，施工过程复杂，所以在实际施工操作过程中一般采用先栓后焊的方式。值得注意的是，栓焊混合连接不能用于需要验算疲劳的连接中。

4结语

综上所诉，在钢结构梁柱连接节点的设计中，合理地确定连接节点的形式和方法不仅是对设计人员的考验，同时也是反映设计人员对结构设计时的掌握、理解和运用的能力。

参考文献：

[1]杨伟兴.有关钢结构梁柱节点连接方法的分析和探讨[J].科技资讯，2010（05）：85.

[2]罗睿奇.钢结构梁柱节点连接加固设计方法对比[J].建筑科学，2014（30）：45~47.

[3]钢结构设计规范（GB50017-2003），中国计划出版社，2003.