H型钢梁与柱的连刚性连接技术手册

1、2011年10月11日 15:00先闻公司117次阅读 共有评论0条 钢结构梁柱连接节点，按其构造形式及其力学特征，可以分为铰接连接节点、刚性连接节点、半刚性连接节点。从连接形式和连接方法来看，主要是采用焊接连接和高强度螺栓。本文主要介绍常见的H型钢梁与柱的刚性连接节点设计及验算方法。连接节点的验算主要遵循钢结构连接节点设计手册（第二版）、钢结构设计规范中的相关条文及规定。节点设计过程中，应尽量采用与母材强度等级相同的钢板做为连接板。当采用焊接连接时，应采用与母材强度相适应的焊条或焊丝和焊剂。当采用高强度螺栓连接时，在同一个连接节点中，应采用同一直径和同一性能等级的高强度螺栓。当构件

2、内力较大、板件较厚时，在连接节点设计中应注意连接节点的合理构造，避免采用易于产生过大约束应力和层状撕裂的连接形式和连接方法，使结构具有良好的延性，而且便于加工制造和安装。连接节点设计有非抗震设计和抗震设计之分，即按结构处于弹性受力状态设计和考虑结构进入弹塑性阶段设计。当按抗震设计时，须按设计手册及抗震规范相关要求进行节点连接的承载力验算。刚性连接设计梁端与柱的刚性连接，通常多采用柱为贯通型的连接形式。梁与柱的刚性连接形式归纳起来，可分为三大类：（1）梁端与柱的连接全部采用焊缝连接。（2）梁翼缘与柱的连接采用焊缝连接，梁腹板与柱连接板的连接采用高强度螺栓摩擦型连接。（3）梁端与柱的连接采用普通T

3、形连接件的高强度螺栓连接。其中最常用的以（1）、（2）为主，其中（2）为直接刚接连接的最主要连接形式，其梁腹板的高强度摩擦型连接一般又分为单剪、双剪两种。在梁与柱的刚性连接中，当从柱悬伸短梁时，悬伸短梁与柱的连接应按梁与柱的连接进行设计（多为全焊缝连接），而悬伸短梁与中间区段梁的连接，则应按梁与梁的拼接连接进行设计（多为栓焊刚接）。软件主要针对腹板高强度螺栓（单剪、双剪）连接和腹板双面角焊缝焊接、翼缘坡口熔透对接焊缝焊接这三种情况进行常规的H形钢梁刚接节点设计及验算，即下文图中的第一种、第二种情形。常用刚接节点连接形式如下：栓焊刚接（单剪、双剪）全焊刚接（多用于悬伸短梁）全螺栓刚接（用于禁止施

4、焊部位）设计梁与柱的刚性连接节点时，应满足以下要求：（1）梁翼缘和腹板与柱的连接，在梁端弯矩和剪力共同作用下，应具有足够的承载力。（2）梁翼缘的内力以集中力作用于柱的部分，不能产生局部破坏；因此应根据情况设置水平加劲肋（对H形截面柱）或水平加劲隔板（对箱形或圆管形截面柱）。当不设置水平加劲肋时，需对柱腹板厚度及梁受拉翼缘处的柱翼缘板厚度进行验算，验算通过即可不设置。详细计算过程可参见钢结构设计规范第7章内容。软件计算过程不包含此处的验算。（3）连接节点板域，即由节点处柱翼缘和水平加劲肋或水平加劲隔板所包围的板的部分，在节点弯矩作用和剪力共同作用下，应具有足够的承载力和变形能力。此处计算内容包含

5、板域的抗剪强度验算、柱腹板厚度构造要求等，当计算满足时可不进行节点板域补强，当计算不满足时需对柱腹板补强，补强的相关构造措施详见钢结构设计规范第7章内容。当用户节点设计时，采用直接设置水平加劲肋，横向水平加劲肋的相关构造要求需按钢结构设计规范第7章相关条款要求。软件计算过程不包含此处的验算。（4）抗震设计的结构或按塑性设计的结构，采用焊缝或高强度螺栓连接的梁柱连接节点，应保证梁或柱的端部在形成塑性铰时具有充分的转动能力。梁与柱的刚性连接，其设计计算方法有：（1）常用设计法。（2）精确计算法。常用设计法在梁与柱（强轴）刚性连接的常用设计法中，考虑梁端内力向柱传递时，原则上梁端弯矩全部由梁翼缘承担

6、，梁端剪力全部由梁腹板承担；同时梁腹板与柱的连接，除对梁端剪力进行计算外，尚应以腹板净截面面积的抗剪承载力设计值的1/2或梁的左右两端作用弯矩的和除以梁净跨长度所得到的剪力来确定。通常情况下，梁翼缘与柱的连接多采用设有引弧板的完全焊透的坡口对接焊缝连接，梁腹板与柱的连接可采用双面角焊缝连接，或高强度螺栓摩擦型连接，其连接可按以下要求确定。（1）梁翼缘与柱相连的完全焊透的坡口对接焊缝的强度，当采用引弧板施焊时：参数说明：为梁端的弯矩；为梁的计算高度，即梁上翼缘板中心线至下翼缘板中心线间的距离；为所计算的梁翼缘板的宽度；为所计算的梁翼缘板的厚度；为对接焊缝的抗拉强度设计值，根据计算点处钢板材质、厚

7、度、焊缝等级不同而取不同数值；为对接焊缝的抗压强度设计值，根据计算点处钢板材质、厚度不同而取不同数值。由上述计算公式可知，在常用设计法下，梁端弯矩以力偶形式（公式是以弯矩与计算高度比值计算）作用于上下翼缘，对上下翼缘对接焊缝一条为压力作用，另一条为拉力作用，所以式中需采用对接焊缝抗拉和抗压强度设计值来对应受力位置来进行验算。计算时，需根据弯矩方向，正确判断其上下翼缘受力形式（拉或压）并据此对应焊缝设计值来进行判断。这里需要注意的是，当钢梁上下翼缘宽度或厚度不等时，用户需根据实际情况对上下翼缘分别进行计算。工字形钢梁刚接节点，一般翼缘位置的现场对接焊缝等级为二级，工厂对接焊缝等级为一级，引弧板尺

8、寸需长出翼缘板边缘不小于2倍的翼缘厚度。（2）梁腹板或连接板与柱相连的双面角焊缝的焊脚尺寸为：取三个公式计算结果的较大值参数说明：为梁端的剪力；为角焊缝计算长度，对每条角焊缝取其实际长度减去，当未知时，一般近似可取10mm进行计算，之后再利用重新验算；为梁腹板在连接处的净截面面积。当腹板直接与柱焊接时，取连接位置腹板高度（去除腹板倒角高度）与厚度的乘积；当计算连接板焊缝时，取螺栓连接位置处腹板净截面面积（去除螺栓孔径）；为腹板抗剪强度设计值，根据计算点处钢板材质、厚度不同而取不同数值，按下文表格中数值采用；、为梁左右两端的弯矩值；为梁的净跨长度。一般可取为梁两端所连接的柱内缘间的净长度；为角焊

9、缝抗拉、抗压和抗剪强度设计值，可按上文中的图表选用（主要是根据材质的不同而变化）。（3）梁腹板与连接板采用摩擦型高强度螺栓连接时，所需的高强多螺栓数目为：取三个公式计算结果的较大值参数说明：为梁端的剪力；为梁腹板在连接处的净截面面积。取螺栓连接位置处腹板截面面积去除该截面所在位置处的螺栓孔所占面积；为腹板抗剪强度设计值，根据计算点处钢板材质、厚度不同而取不同数值，按上文表格中数值采用；、为梁左右两端的弯矩值；为梁的净跨长度。一般可取为梁两端所连接的柱内缘间的净长度；为一个摩擦型高强度螺栓的抗剪承载力设计值。高强度螺栓摩擦型连接中，每个高强度螺栓的承载力设计值按下式计算：参数说明：为传力摩擦面数

10、目（单剪时为1，双剪时为2）；为摩擦面的抗滑移系数，按下文中表格采用；为一个高强度螺栓的预拉力，按下文中表格采用。（4）连接板的厚度可按下列公式计算：单剪：mm且不宜小于8mm双剪：mm且不宜小于6mm参数说明：为梁腹板的高度；为连接板的（垂直方向）长度；为梁腹板的厚度。精确计算法梁与柱（强轴）刚性连接的精确计算法，是以梁翼缘和腹板各自的截面惯性矩分担作用于梁端的弯矩，以梁翼缘承担弯矩，并以腹板同时承担弯矩和梁端全部剪力进行连接设计的。（1）当梁翼缘与柱的连接采用完全焊透的坡口对接焊缝连接、而梁腹板与柱的连接采用双面角焊缝连接时，其连接可按以下要求确定。由于对接焊缝与角焊缝的抗拉强度设计值不同

11、，计算焊缝的强度时，可先将翼缘的对接焊缝面积（）换算为等效的角焊缝面积（）。令焊缝的有效厚度不变，翼缘对接焊缝长度即可按下式换算为等效的角焊缝长度。参数说明：为梁翼缘的宽度（即对接焊缝的有效长度）；为对接焊缝的抗拉强度设计值；为角焊缝的抗拉强度设计值。梁翼缘等效角焊缝的强度可按下列公式计算强度：参数说明：为梁翼缘等效角焊缝的截面惯性矩；为等效角焊缝的全截面惯性矩，可按下式计算：为梁腹板角焊缝的截面惯性矩；为梁翼缘等效角焊缝的截面模量，可按下式计算：为翼缘焊缝外边缘至焊缝中和轴的距离；为角焊缝的抗拉强度设计值；为正面角焊缝的强度设计值增大系数：对承受静力荷载和间接承受动力荷载的直角角焊缝，取；对

12、直接承受动力荷载的直角角焊缝，取；对斜角角焊缝，不论承受静力荷载或动力荷载，均取。梁腹板角焊缝的强度可按下列公式计算（此处也可同理计算腹板为高强度螺栓摩擦型连接时的连接板焊缝计算）：参数说明：为等效角焊缝的全截面惯性矩，可按下式计算：为梁腹板角焊缝的截面惯性矩；为梁翼缘等效角焊缝的截面惯性矩；为梁腹板角焊缝的截面模量，可按下式计算：为腹板角焊缝外边缘至焊缝中和轴的距离；为角焊缝计算长度，对每条角焊缝取其实际长度减去；为角焊缝的焊脚尺寸；为角焊缝的抗拉强度设计值；为正面角焊缝的强度设计值增大系数：对承受静力荷载和间接承受动力荷载的直角角焊缝，取；对直接承受动力荷载的直角角焊缝，取；对斜角角焊缝，

13、不论承受静力荷载或动力荷载，均取。（2）梁翼缘和腹板与柱的连接，全部采用双面角焊缝（即沿梁端全周采用角焊缝与柱连接），通常是用于梁端作用内力较小的场合，此时其连接可按以下要求确定。梁翼缘与柱连接的角焊缝的强度，可按下列公式计算：参数说明：为梁翼缘角焊缝的截面惯性矩；为角焊缝的全截面惯性矩；为梁翼缘角焊缝的截面模量；为角焊缝的抗拉强度设计值；为正面角焊缝的强度设计值增大系数：对承受静力荷载和间接承受动力荷载的直角角焊缝，取；对直接承受动力荷载的直角角焊缝，取；对斜角角焊缝，不论承受静力荷载或动力荷载，均取。梁腹板角焊缝的强度可按下列公式计算（此处也可同理计算腹板为高强度螺栓摩擦型连接时的连接板焊

14、缝计算）：参数说明：为梁腹板角焊缝的截面惯性矩；为角焊缝的全截面惯性矩；为梁腹板角焊缝的截面模量；为腹板角焊缝计算长度。当腹板的角焊缝是单独施焊时，对每条角焊缝取其实际长度减去；当腹板和翼缘的角焊缝是连续施焊时，对腹板角焊缝计算长度可取其实际长度；为角焊缝的焊脚尺寸；为角焊缝的抗拉强度设计值；为正面角焊缝的强度设计值增大系数：对承受静力荷载和间接承受动力荷载的直角角焊缝，取；对直接承受动力荷载的直角角焊缝，取；刚接节点抗震设计当非抗震设防时，应按结构处于弹性受力阶段设计；当抗震设防时，应按结构进入弹塑性阶段设计，节点连接的承载力应高于构件截面的承载力。按抗震设计的高层钢结构框架，在强震作用下，

15、塑性区一般将出现在距梁端或柱端1/10跨长或2倍截面高度的范围内。为使梁或柱的塑性区具有充分的转动能力，设计连接节点时，需校核的主要项目有：（1）连接节点的最大承载力；（2）梁、柱塑性区的局部稳定；（3）与柱连接的受弯梁的侧向支承点的距离。另外，设置在梁或柱翼缘作用力方向上的高强度螺栓的数目不应小于3个，且螺栓孔等对梁或柱全截面的削弱率不应大于25%。按抗震设计的高层钢结构，其连接节点的最大承载力，可分别按以下要求确定，同时应满足相关要求。（1）焊缝的极限承载力应按下列公式计算：对接焊缝受拉 角焊缝受剪 参数说明：为焊缝的有效受力面积；为构件母材的抗拉强度最小值，对Q235钢；对Q345钢；对

16、Q390钢；对Q420钢。（2）高强度螺栓连接的极限受剪承载力，应取下列二式计算的较小者：考虑到螺栓连接中部分螺栓的破坏出现在螺栓杆而不是螺纹处，使螺栓连接的最大抗剪承载力在整体上有所提高，所以式中0.58可用0.75代替。软件计算过程中，考虑到计算的普遍性及安全性，仍采用0.58计算。参数说明：、分别为一个高强度螺栓的极限受剪承载力和对应的板件极限承压力；为螺栓连接的剪切面数量；为螺栓螺纹处的有效截面面积；为螺栓钢材的抗拉强度最小值；对10.9级高强螺栓 ；对8.8级高强螺栓 为螺栓杆直径；为同一受力方向的钢板厚度之和；为螺栓连接板的极限承压强度，取。螺栓螺纹处的有效截面面积（3）有螺栓孔等

17、削弱的杆件最大承载力，可按下列公式计算：对剪力 参数说明：为扣除螺栓孔等以后的净截面面积；为构件母材的抗拉强度最小值。按抗震设计的高层钢结构，其连接节点的最大承载力，应分别满足以下的要求。梁与柱连接弹性设计时，梁上下翼缘的端截面应满足连接的弹性设计要求，梁腹板应计入剪力和弯矩。梁与柱连接的极限受弯、受剪承载力，应符合下列要求：且 参数说明：为梁上下翼缘全熔透坡口焊缝的极限受弯承载力；梁端截面的抗弯最大承载力：梁翼缘为焊透的对接焊缝，腹板为双面角焊缝的抗弯最大承载力：梁翼缘为焊透的对接焊缝，腹板为高强度螺栓摩擦型连接的抗弯最大承载力：为一个翼缘的截面面积；为梁截面高度；为梁翼缘厚度；为计算位置处

18、梁腹板的有效截面面积；为计算位置处梁腹板的有效截面高度；为腹板螺栓群中各螺栓至螺栓群中心的距离；为构件母材的抗拉强度最小值；为梁腹板连接的极限受剪承载力；垂直于角焊缝受剪时，可提高1.22倍；角焊缝抗剪时： 梁腹板抗剪时： 连接板抗剪时： 高强螺栓抗剪时：为角焊缝条数；为断面计算处的一列螺栓的数目；为连接节点中螺栓总数目；为角焊缝焊脚尺寸；为腹板角焊缝计算长度。当腹板的角焊缝是单独施焊时，对每条角焊缝取其实际长度减去；为螺栓孔直径；为连接板高度；为连接板总厚度；为梁（梁贯通时为柱）的全塑性受弯承载力；为梁的净跨（梁贯通时取该楼层柱的净高）；、为梁计算位置处的腹板高度和厚度；为抗拉强度最小值；为钢材屈服强度。为使承受弯矩的梁或柱塑性区不产生局部失稳，塑性区范围内梁或柱板件的宽厚比，可参考下表确定。为使梁端塑性区能具有足够的转动能力，并确保梁在形成塑性铰以前不致发生侧向失稳，在梁端塑性区附近界面处（通常是在距梁端1/10梁跨长附近）应设置梁的侧向支承杆。梁、柱等构件的全塑性弯矩，可分别按以下情况确定。无轴心力作用时，构件的全塑性弯矩为：参数说明：为构件截面的塑性模量，可按下列公式计算：H形截面主轴方向：梁柱连接构造非抗震设防的梁柱刚性连接工字柱、十字柱与工字梁的连接可采用梁端非加强式连接。此时梁翼缘连接可视为与翼缘等强。腹板与柱的连接可按腹板承受的弯矩和剪力进行设计。箱型柱与工字梁的