钢结构框架梁柱节点性能分析

钢结构框架梁柱节点性能分析

肖会亮

上海天德建设（集团）有限公司

摘要：钢结构框架梁柱节点施工是提升建筑抗震性的主要工序，因此应优化梁柱节点的质量。本文通过概述钢结构框架梁柱节点内容，围绕有限元模型、载荷等方面研究钢结构框架梁柱节点性能，分析多种要素对于节点性能的影响，为优化节点质量提供参考意见，提升建筑工程整体质量，突出项目结构的抗震性能。

关键词：建筑工程；钢结构框架；梁柱节点

前言：钢结构具有韧性塑性强、重量轻、制造简便的优势，该模式在建筑工程中的应用可以缩短施工周期、提升抗震性能。其中梁、柱节点是框架关键连接位置，其性能会决定框架结构在载荷基础下的整体性。因此，有必要深入分析钢结构框架梁柱节点的实际性能，实现构件和节点的标准化设计，优化节点性能。

1钢结构框架梁柱节点概述

1.1刚性连接模式

其一，全焊连接。借助融透的方式焊接梁上下翼，通过双面胶焊接腹板。上述连接模式对于焊接技术要求较高，若操作失误会导致应力集中，对施工结构受到影响。其二，全栓焊接。借助T型钢，使用高强螺栓连接梁翼和柱翼，不会产生三向应力和残余应力。其三，混合连接。该模式包含两方面内容：一方面是利用融透焊接梁上下翼，并通过大刚度角钢连接高强螺栓，借助剪力板连接柱翼和高强螺栓。多层钢结构中主要利用刚性连接梁柱，通过柱贯通方式连接框架柱和梁。针对抗震部分，应确保梁翼缘厚度和加劲肋相同。若属于非抗震区域，加劲肋的厚度应≥梁翼缘厚度的1/2，满足板件的实际宽厚比值，防止连接节点受到破坏。

1.2柔性连接模式

柔性连接又称为铰接连接，在梁侧无线位移，不过可以进行自由的转动。该模式包含承托、端板以及角钢三方面。其中，角钢主要连接柱和梁腹板，可以借助连接板替代角钢。端板连接模式和角钢相同，但不可替代。利用承托连接模式连接柱的腹板时，主要将厚板当作承托构件，防止柱腹板弯矩较大，确保偏心力矩传输至柱翼位置。

2钢结构框架梁柱节点性能研究

2.1构建有限元模型

本课题主要借助有限元软件，依据相关学者关于连接节点的研究内容，构建建筑工程中钢框架梁的非线性节点有限元模型，分析其中力学性能的差异性，为后续工程梁柱节点连接模式提供新思路^[1]。课题主要利用有限元分析程序构建实验模型，其中模型划分结构为：板单元（柱腹板、梁腹板、梁翼缘），块体单元（螺母、螺帽、翼源）。在模型建设阶段，螺母、螺帽和周边板件密切结合，因此端板、柱翼缘等节点相互连续，实现端板和块体单元的融合。在分析外伸端板位置的连接节点时，最关键的问题是端板和柱翼缘的接触情况。该要素是指非线性状态，当载荷达到某一数值后，可以分开柱翼缘与端板，但梁的翼缘区域紧密接触。因此，构建有限元模型时，需借助界面单元代替端板与柱翼缘的接触面。

2.2支承边界和载荷条件分析

2.2.1载荷分析

端板相互连接的非线性特性主要由柱翼缘、非线性材料、端板接触面变化形成，载荷会通过多次迭代进行收敛。在分析梁柱节点性能时，若柱翼缘与端板接触情况未知，应借助迭代的方式确定载荷。若柱翼缘和端板相互接触，则在计算阶段需查看端板节点位移与反力。若该数值是负数，则说明此节点的柱翼缘和端板分离，需要在下一阶段释放节点。

2.2.2性能结果分析

本课题选择两个试件完成有限元计算，将其设置为ST-3与ST-4，经过有限元分析可以得出其应力分布情况和变形模式：1）端板连接位置和梁的受拉翼缘位置应力较高，原因是端板出现变形弯曲情况。2）当对ST-3试件安装加劲肋后，会降低柱翼缘的变形情况，导致其和端板相互分离。而ST-4未设置加劲肋，端板和柱翼缘一同外凸，变形情况严重。3）ST-4相较于ST-3在端板的外伸区域柱翼缘、边缘应力分布高，说明端板变形后会提升节点的杠杆力^[2]。4）柱中翼缘和节点的加劲肋连接位置应力较高，因此在设计过程中需保证其强度的科学性。5）连接节点位置梁的内侧螺栓和外侧螺栓相比拉力较大，当对ST-3安装加劲肋后，问题得到解决。

2.3节点性能分析

2.3.1外伸端板螺栓

外伸端板螺栓模式刚度较大，可以有效传递相邻构件弯矩，不过该节点受力性能会受到螺栓杠杆力、端板变形情况的影响。其中，节点抗弯状态如下：梁所需的非弹性转动模式、梁塑性发展水平、端板破坏（受剪破坏、受弯破坏）、连接螺栓破坏等。上述状态容易影响节点刚度和耗能水平，导致节点出现脆性破坏，影响建筑工程建设质量。当发生地震时，会使钢结构梁柱板无法参与非弹性形变，其中参与转动值为0.02rads。

因此，在设计外伸端板连接过程中，需重点分析端板受剪情况、杠杆效应等因素，防止端板受剪和螺栓出现断裂等脆性破坏问题。端板最大容许剪力设计公式为：Vmax=0.55_ybt_s。在式子中，b=bs-nd_b（b是端板的净宽度）， y是屈服应力、b_s是端板宽度，n为螺栓数量。因此，在工程设计阶段，对于未安装加劲肋的相关外伸端板，应结合以下要求进行设计：第一，明确螺栓大小和连接尺寸。第二，求出端板的厚度和抗弯承载力。第三，利用公式Q

_max= 计算螺栓最大杠杆力，进而确定螺栓大小和尺寸。其中Q_max是最大杠杆力，M_pp为抗弯的承载力，x是合力作用位置。注意必要时需科学调节螺栓的具体位置，得到端板最大剪力。因此，经过分析可以得出外伸端板螺栓具有良好的延性、承载力与耗能水平，适用于建筑工程钢结构框架施工中，同时增加板的厚度能够缓解弯曲变形问题，减少螺栓拉力^[3]。

2.3.2节点板域

钢结构梁柱连接节点性能、延性和承载水平密切相关，而节点板域实际上是梁柱连接梁位置的腹板区，其中连接节点强度和延性成反比。因此，施工人员能科学设置板域的厚度进而实现板域和梁结构的一同屈服，此阶段节点因材料硬化承载力强，会提高延性，产生非弹性形变，保证其螺栓、端板和柱翼缘处于弹性阶段。当借助半刚性方式连接梁柱时，应重点关注加劲肋问题，若数量设置较多会影响板域变形情况，减少节点耗能和延性，甚至使腹板断裂，原因是该区域的收缩应力突然增加。若降低加劲肋的长度和焊缝长度，能够扩大腹板收缩面积，优化节点延性。此外，对于不安装加劲肋的柱结构，若其处于极限情况会导致焊缝拉开，需要科学控制柱腹板厚度，分析其在荷载压力下的纵向压应力。

2.3.3端板

工程建设中梁端的剪力与端板厚度无关，其与螺栓直径和数量相关。若承受弯矩设置为M，拉力主要由梁翼缘的上侧、下侧螺栓进行承担。基于拉力作用使端板弯曲，因此设计阶段应将梁代替板完成弯矩的计算，得出具体的板厚。例如，可以同时计算端板和螺栓，并契合塑性铰、极限承载力以及平衡条件。由于其受拉翼缘所传导的拉力可以被螺栓承受，建议将螺栓结构转变为连接件完成计算。其中端板厚度和螺栓直径的关系为：P=T+Q≤A_e·f^b_t,f^b_t是设计强度，Q是杠杆力，主要取值范围是0.1-0.2Nt，P是螺栓所受到的拉力，A_e是螺栓截面积。

2.4节点性能优化建议

由于钢结构构造形式和连接模式十分复杂，因此在施工阶段需关注其连接模式，防止对节点操作不科学发生质量事故。从钢结构节点连接模式分析，主要包含刚接、铰接和半刚接方式。因此有必要加强对节点连接方式的质量控制，提升节点性能，具体内容如下：

2.4.1铰接节点

由于铰接节点主要借助常规螺栓连接梁和次梁，因此质量优化途径如下：划分螺栓等级，结合实际的螺栓孔要求，依据施工规范处理该部位，在安装前期对螺栓孔完成防腐操作。同时，安装钢结构节点前期需选择受力小的区域进行连接，保证梁腹板与节点板之间的焊缝可以满足受力需求以及构造标准，避免节点出现屈曲问题。此外，应科学计算节点板厚度，若厚度过厚会浪费材料，而材料过薄将不满足“强节点、弱构件”的要求。因此，建议科学控制设计厚度，规避框架节点性能。

2.4.2刚接节点

刚接节点大部分处于梁柱连接阶段，包含全焊接和栓焊接方式，并采取高强螺栓连接节点。在连接过程中对于螺栓的质量控制要点如下：第一，针对摩擦类高强螺栓，应科学处理其摩擦面，结合施工规范开展工作，优化节点连接性能。第二，对于承压类高强螺栓，需增加恰当的预压力，确保该结果满足设计标准。第三，栓焊连接过程中，螺栓基本功能是安装，因此需结合普通螺栓标准完成质量控制。针对焊缝需科学分析材料、焊接模式，优化节点性能。第四，科学选择盖板的种类，保证柱和盖板、梁和盖板的焊缝在特定的质量等级内，借助对接焊缝的方式，提升节点的滞回性。

结论：综上所述，优化建筑工程钢结构框架梁柱节点抗震性是设计关键，因此有必要研究节点性能。基于节点类型、连接模式，依据钢结构施工规范和设计模块分析框架结构梁柱节点施工要素。针对不同节点需控制焊缝、钢筋、模板、混凝土等要素的质量，把控节点区域混凝土浇筑品质，优化钢结构框架梁柱节点性能。

参考文献：

[1]梁乘玮,王新武,布欣.钢框架梁柱T型钢连接空间节点抗震性能研究[J].工业建筑,2018，48(05):162-168.

[2]蒋建平.框架结构节点的施工质量控制方法[J].江西建材,2019，(06):107-108.

[3]刘希月,王元清,石永久,等.高强度钢框架梁柱节点低周疲劳断裂性能试验研究[J].建筑结构学报,2018，39(02):28-36.

作者简介：肖会亮，身份证号码：410325199001245511