钢结构梁柱连接节点研究综述

钢结构梁柱连接节点研究综述

钟振华

中国五冶集团有限公司  天津  300000

摘要：目前，钢结构的应用越来越广泛，梁柱节点的连接设计在钢结构的整体设计中占有重要地位。连接节点的安全性有效地保证了钢结构的可靠性和整体性，梁柱节点的连接设计能有效地促进制造安装的作业速度和质量，与工期和成本密切相关。因此，加强对钢结构梁柱节点连接设计的分析和研究，可以有效促进钢结构的可持续发展。

关键词：钢结构；梁柱节点；连接设计

引言

梁柱连接设计在钢结构总体设计中占有重要地位。连接节点的设计安全性有效保证了钢结构的可靠性和整体性，梁柱节点的连接设计能有效提升制造安装的作业速度和质量，与工期和成本密切相关。因此，加强对钢结构梁柱节点连接设计的分析和研究，可以有效促进钢结构工程的可持续发展。

1钢结构和装配式钢结构

经过长期的不断完善和创新，中国的建筑业已经发展到了一个新的高度。在改进传统建设项目的同时，要结合当前的建设环境充分考虑问题，将最适合的项目与项目结合起来。钢结构在当前建筑工程中非常常见，其强度和实用性与现代建筑设计理念相一致。装配式钢结构和钢结构有很大的区别。钢结构虽然是天然的装配式结构，但钢结构不一定都是装配式建筑。在传统的钢结构中，梁和柱是通过焊接建造的。因为焊接处压力很大，很容易压断梁柱。装配式钢结构很好的解决了这个问题，施工时不会有焊缝，稳定性远优于传统钢结构。而且装配式钢结构的零件可以批量生产，不再需要像以前那样到处采购，只需要现场组装就可以投入使用。这大大简化了施工过程，也使建筑物的拆除更加方便。拆除的钢材可以重复使用，贯彻了绿色环保的发展理念，促进了建筑业的可持续发展。

2钢梁柱连接节点的传力特性

在钢结构梁柱连接节点的设计中，确定连接形式是钢结构计算和设计的前提，明确了传力方式。然后可以对整个结构的应力模型进行简化，用软件进行分析计算。根据节点处的传力特性和连接点的转动情况，节点连接一般可分为铰接连接、刚性连接和半刚性连接。

(1)铰接连接一般采用连接板连接，连接板焊接或螺栓连接在梁的腹板上，梁的上下翼缘不需要与柱连接。铰接结构简单，可以简化现场安装程序和流程，也大大减少了现场的整体工作量。而且现场安装不受天气和季节的影响，大大提高了钢结构的安装速度。就应力而言，铰接连接节点是理想状态下完全不产生弯矩的连接节点。因此，铰接连接的刚度和耗能性能较差，不利于结构的整体稳定性、位移控制和抗震要求。

(2)对于刚性连接，除了梁腹板与柱的可靠连接外，梁的上下翼缘还必须与柱连接(一般可采用焊接连接、高强度螺栓连接、混合连接)。与铰接连接相比，刚性连接结构更复杂，施工难度更大。然而，在钢梁柱节点的设计中，刚性连接是最常用的连接形式。原因是刚性连接不仅可以提高结构的整体稳定性和刚度，还可以抵抗风荷载和水平地震引起的位移，减少用钢量，降低成本。

(3)半刚性连接是介于铰接和刚性连接之间的一种连接形式，节点的强度和刚度介于铰接和刚性连接之间。现行规范中对半刚性连接没有规范性的介绍，设计方法也没有明确规定。在实际工程中，半刚性连接节点的弹性刚度一般低于构件的弹性刚度，因此在工程设计中一般不推荐这种连接方式。

3建筑工程钢结构梁柱连接节点设计

3.1节点设计原则

首先，强柱是弱梁。强柱弱梁是指框架结构的塑性铰出现在梁端的设计要求，使框架结构在强震下产生较大的内力重分布，从而增强结构的耗能能力和极限层间位移，提高抗震性能，防止建设工程在强震下倒塌。强柱弱梁不仅是手段，更是目的。其手段的表现就是人们会人为地放大柱端弯矩的设计值而不放大梁。其目的是在适当调整后增强柱的抗弯能力，而梁保持不变，使梁先于柱屈服，梁端出现塑性铰。

其次，强节点和弱组件。就建筑工程的整体结构而言，如果梁柱连接节点失效，那么与之相连的柱和梁将全部失效。因此，必须保证节点的承载力高于连接构件的承载力，防止节点先于构件被破坏。只有这样，建筑工程钢结构的安全性才能得到有效保证。同时，连接节点的强度应控制在合理的范围内，这样一旦发生地震，节点的连接板可以发生一定程度的屈服和变形，有利于建筑工程钢结构延性的提高。

最后，强焊缝削弱了钢。由于焊接的不精确性很大，从延性来说，一般构件的焊缝要低于连接构件的焊缝。因此，为了促进构件和钢结构的整体安全性和延性，在设计构件的连接时，必须保证焊缝的承载力比超过被连接构件的承载力比，这样当发生屈服现象时，屈服截面就会出现在钢板而不是焊缝上。

3.2节点连接方式

首先，梁柱刚性连接主要有三种方式，即全螺栓连接、全焊接连接和螺栓焊接混合连接。首先，全螺栓连接：梁柱节点的螺栓连接通常是高强度螺栓摩擦连接。高强度螺栓在受力特征层面可分为高强度摩擦连接和承压连接。在实际的传力过程中，摩擦连接的关节主要依靠摩擦力来完成传力。如果摩擦力被克服了，那么被连接的构件就会滑动，也就是说关节被破坏了。

其次，全焊接连接。这种连接方式主要采用电弧焊，梁柱全焊连接是指梁的腹板与柱采用角焊缝连接，梁的上下翼缘与柱采用全熔透坡口对接焊缝连接。在具体的焊接过程中，由于被连接的部件在焊接后会局部受热或冷却不均匀，容易出现焊接应力残余或焊接变形等问题。如果焊接残余应力较高，将达到钢材的屈服点，对构件的疲劳强度和稳定性产生不利影响。通过试验分析可以看出，全焊接连接的塑性变形能力和滞回性能较好。在保证良好焊接结构和焊缝质量的前提下，节点域的变形能力可以有效耗散地震能量。节点的耗能能力也会受到节点板厚度的影响。因此，应合理设计连接板的厚度。

最后，螺栓焊接混合连接。这种连接方式是指一种由焊接接头和螺栓组成的连接。在混凝土连接过程中，梁与柱的上下翼缘之间采用凹槽连接，而梁的腹板与柱的连接采用高强度螺栓。这样既能保证节点的刚性连接，又不会大幅度降低节点的承载力。

4建筑工程中钢结构梁柱连接节点设计的优化

4.1项目概况

项目主要有三个区域，其中A区为辅助建筑，共6层；B区为主楼，共23层；C区是A区和B区的连接体，局部设计为3层。C区连接件钢结构的作用是连接A区的钢骨梁、钢骨柱、中庭屋面钢梁、幕墙钢架、钢梁、钢柱.A区地下共有40根钢柱，钢骨截面以H型、十字形、M型为主。A区钢梁的设计对象是建筑外环所在楼层的梁和内环防屈曲支撑中的梁。梁截面为H型，大部分长度为8.4米，部分长度为6米、9.6米。其中G1梁材质应为Q345B钢，分布标高为二楼至四楼。G2梁材质为Q345B钢，分布标高为5层和6层。G3梁采用Q345B钢，分布标高从5层到屋顶。

4.2具体优化

1、优化端板侧焊加固工艺

本建筑工程梁、柱主要采用焊接H型钢，标准梁截面尺寸为300200812，柱截面尺寸为300250812。立柱上下翼缘位于端板延伸边缘100mm以内，进行局部加厚操作，使其与端板厚度相同，即20mm。连接螺栓为10.9级M20高强度摩擦螺栓，其余为Q345B钢。根据相关规定，焊角尺寸依次为11mm、9mm、7mm。同时，应确保端板的具体尺寸符合相关要求。比如端板的加强筋要设计成等边三角形，直角边长要100mm。设计厚度大于10mm。

2、优化梁翼缘盖板加固技术

如果盖板厚度过小或不符合标准要求，就不能达到理想的施工效果。同时，如果盖板厚度过大，在实际焊接过程中容易导致焊接预应力的出现，对建筑工程钢结构产生严重影响。本工程梁规格为400150812，柱规格为4502501216，为典型的H型钢。根据以上参数，本工程所用螺栓为10.9级M20高强摩擦螺栓，其余为Q345B钢，其中盖板长度为300mm，设计厚度依次为14mm、12mm、10mm。荷载作用下节点的焊接加固操作必须符合应力比限值要求，但限值要求没有统一标准。在混凝土加固过程中，如果应力过大，加固质量会降低，后续施工安全也无法保证。如果应力过小，实际截面会变窄，但在一定程度上会提高施工的安全性。在焊接加固结构中，还可以增加盖板的尺寸或焊接角度，从而可以适当提高其承载能力。此外，在混凝土连接设计中，必须合理设计盖板的厚度，以提高最终的连接质量[2]。

结语

综上所述，合理设计钢结构梁柱连接节点已成为建筑工程中的一项重要任务。因此，有必要了解强柱弱梁、强节点弱构件、强焊缝弱钢等连接原理，掌握全螺栓连接、全焊缝连接、螺栓-焊缝混合连接等连接方式，结合建筑工程实际情况优化连接设计，为建筑工程质量安全提供有力保障。

参考文献

[1]麻志刚.美国CLARIANT化工厂钢结构斜支撑与梁(柱)螺栓连接非抗震节点设计[J].建筑结构,2018,48(04):56-60.

[2]王诺思.钢结构梁柱半刚性节点设计现状及趋势浅谈[J].四川建材,2015,41(02):38-39.