多高层房屋钢结构节点连接设计中的常见问题讲义

多高层房屋钢结构节点连接设计中的常见问题2023/3/191

节点连接在结构设计中的重要性：常用的一般建筑钢结构，都是由若干由加工厂加工好的竖杆、水平杆或斜杆在工地用焊缝或螺栓拼装成抗侧力的框架、或框架支撑结构。这些由杆件组装成的结构，之所以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。这种由若干杆件系统组成的构架，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。2023/3/192

在以往国外多次地震中，常常发生钢框架节点和竖向支撑节点破坏的事例，特别是

1994

年发生在美国的北岭地震

和

1995

年发生在日本的阪神地震，有好几十幢房屋钢结构倒塌，好几百幢多、高层房屋钢结构的梁柱刚性连接节点受到严重破坏，引起了世人的极大关注，促使一些国家的学者、科技人员加强了这方面的研究，其重要性显得尤为突出。2023/3/193

我国是世界上遭受地震最严重的国家之一，不论是历史上还是现代，地震在中国的死亡人数和经济损失在世界上都是居于首位。世界地震史上死亡人数最多的一次地震是1156年我国的陕西华县

8级地震，死83万人（摘自魏琏编著的《建筑结构抗震设计》万国学术出版社，1991）。在世界近代地震史中，死亡人数最多的一次.地震也发生在我国，即1976年河北唐山7.8级地震，死

24万余人。

地震在我国造成的经济损失十分巨大，据建国以来十几次

7

级以上地震的不完全统计房屋倒塌

1亿多平方米，直接经济损失达数百亿之多。2023/3/194

就以最近几年为例，在我国新疆、西藏、云南、内蒙古自治区、江西等地先后就发生了多起6

级左右的地震。这就说明了地震活动在我国还是相当频繁的，因此正确地认识我国地震活动的特点以及我国经济力量的现状，充分运用国内、国外现代地震科学技术的成就，采用合理的，既安全又经济的抗震设计方法，来改善建筑物的抗震性能，减轻城乡地震灾害，是我们每个结构设计人员义不容辞的使命。2023/3/195

因此在多层和高层钢结构房屋抗震设计工作中，连接节点设计，在整个设计工作中应将其视为一个非常重要的组成部分。节点设计是否恰当，将直接影响到结构承载力的可靠性和安全性。因此节点设计至关重要，应予以足够的重视。但是，在多、高层房屋钢结构中，连接节点很多

(如国家标准图

所编入的诸多节点，也只是多高层钢结构房屋中一般性的常用节点

)，今天只能检其最主要的、如与梁柱刚性连接的节点以及与之相关的一些节点来谈谈：2023/3/196首先谈谈在目前多高层房屋钢结构

梁柱刚性连接节点设计中所存在的问题

及其正确的设计方法

按照现行的《建筑抗震设计规范》GB50011

2001多层和高层房屋钢结构的连接节点的抗震设计应分两个阶段进行，而各个阶段所采用的计算公式分别如下：2023/3/197

一是，当遭遇多遇地震作用（小震）时，应采用表达式。即抗震规范公式(5.4.2

）(见下页)

。注意：该条在规范中为必须严格执行的强制性条文2023/3/1982023/3/199式中：S

—

考虑多遇地震作用时，荷载效应和地震作用效应在结构构件中的组合设计值，包括组合的弯矩、轴向和剪力设计值。R

—

结构构件及其连接的承载力设计值。

—结构构件及其连接的承载力抗震调整系数（对于框架梁、柱取0.75；连接焊缝取

0.9；连接螺栓、节点板件取

0.85

；支撑取

0.8

等）2023/3/1910二是，当遭遇超过多遇遇地震（小震））作用至基本烈烈度（中震）设设防，或遭遇罕罕遇地震作用（（大震）时，规规范还要求用公公式即即《高钢规》公式（8.1.3-1）进行连接的极限限承载力验算(如下页所示)；2023/3/15112023/3/1512但是，在在执行上上述规范范时，不不同的设设计人员员，很可可能在相相同设计计条件下下设计出出三种承载力相相差非常常悬殊的的连接作作法，这这三种不同的作作法是:一是，当按设计计表达式式计计算算时，完全按组组合内力力来设计节节点连接接。二是，组合内力只是作为为检验构件截面的的依据。但在塑性性区的节点连接设设计时，是取高于构件的最大承承载力设计值作为节点的作用力力来对节点连接进进行设计与验算。。三是，完全抛开以上两种种设计方法，而是是完全按照公式来来进进行连接的极限承载力力计算。2023/3/1513以上三种截截然不同的的设计方法法，将直接接影响到设设计的节点点是否满足足“强节点弱弱杆杆”的抗震要求求。是否能能实现“小震不坏坏，中震可可修，大震震不倒”设计目标的的根本问题题，所以下下面将着重重讨论证明明前面所提提到的第一种是错错误的，第三种设计计理念虽然然可取，但但式中的有有关系数和和强度取值值有问题，，很不安全全。唯第二种设计计计算方法法才是比较较稳妥、正正确的。2023/3/15141第一种设设计方法法（即按组组合内力力来设计计的方法法）采用该法法的理论论根据是是，认为为在多遇遇地震作作用下，，结构处处于弹性性阶段，，连接设设计只要要根据组合内力力，并根据梁梁的应力强度度比R1（即梁的地地震组合合弯矩设设计值乘乘以梁的的承载力力抗震调调整系数数0.75后，在梁梁截面中中产生的的弯曲应应力与梁梁的钢材材强度设设计值之之比）来进行设设计即可可。且认认为可按按以下三种不同情况况分别进进行处理理。为了了方便说说明问题题，在此此引用一一个具体体数字来来说明这这一方法法的思路路。2023/3/1515以下是电算结结果的表示方方法，摘自《高层建筑结结构空间有有限元分析与与设计》软件SATWE2023/3/1516假定梁端有一一个的的地震震组合弯矩,并将表达式变变换换为。。在验算梁梁截面时，要要求梁截面抗抗弯承载力设设计值必须，但在确定梁梁端的焊缝连连接时，其焊焊缝截面的抗抗弯承载力设设计值就必须须要。即在相同组组合弯矩作用用下,经过规范采用用不同的调整整系数调整后后，就变成了了在设计焊缝缝连接与设计计梁截面时，，分别采用不不同的内力设设计值来进行行设计。即在在设计连接焊焊缝时所取的的内力设计值值，就应是梁梁截面内力设设计值的倍倍。。2023/3/15171）如果所设计的梁截截面刚好等于（（即应力强度比R1刚好等于时时），由于梁端连接接焊缝的抗弯承载载力设计值需要此此时梁端端整个截面即使采采用全熔透的对接接焊缝，也只能承承受的的弯矩矩。怎么办？可采用加强式连接接来解决（如加盖板；或局部部加宽梁端翼缘板板，或在梁端下翼翼缘加腋板等办法法来增大焊缝的截截面积以增大焊缝缝的抗弯能力）。2023/3/15182)如果在梁端不采用用加强的作法，而是在工工厂采用全焊缝连连接的常规作法。由于焊缝的的抗弯承载力最多多只能作到与梁截截面的抗弯承载等等强，此时就必须须要改用一个能承承受的的梁截面面，但此时由于梁梁截面只需用的的弯矩值值来设计，梁的承承载力有富裕不能能充分利用，其应应力强度比R1只用到了。2023/3/15193）如果在梁梁端仍不采用加加强的作作法，而是在在梁端采采用栓焊焊连接的的另一种种常规作法法（即梁腹板板与柱之之间采用用只传递递剪力的的螺栓连连接，梁梁翼缘与与柱之间间采用只只传递弯弯矩的全全熔透坡坡口对接接焊）由于焊焊缝的抗抗弯承载载力最多多只能作作到梁截截面抗弯弯承载力力设计值值的，，此时时就必须须要改用用一个能能承受的的梁梁截面，，但此时时由于梁梁截面只只需用的的弯矩值值来设计计，梁的的承载力力更加富富裕而不不能充分分利用,其应力强强度比R1只用到了了。。2023/3/1520总结结连接设计计的第一种方方法，从上面的具具体算例可以以看出，如果果在抗震的节节点连接设计计中，按地震组合内力力来进行设计，，就必然出现现下面归纳的的三种情况：2023/3/15211）当梁的应力力强度比大大于0.83时，就应开开始在梁端端采取加强强措施来增增大焊缝的的抗弯承载载力当梁的的应力强度度比大到等等于1.0时，其加强强后的焊缝缝抗弯承载载力设计值值就应不小小于梁截面面抗弯承载载力设计值值的1.2倍。(该1.2即为焊缝的的抗震调整整系数与梁的抗震震调整系数数之比）。如下图所所示：2023/3/1522即当应力强强度比R1为0.83～１时2023/3/15232）当梁的应力强度度比R1小于0.83时，在梁端就可可以不必加强，，而只需采用全全焊接连接（即截面的抗弯等等强连接）就可满足使焊焊缝的抗弯承载载力设计值大于于组合内力设计计值的1.2倍的要求。如下下图所示：2023/3/1524即当应力强度度比R1为0.83～0.73时2023/3/15253）当梁的应力强强度比小于时，在梁端还还可以采用栓栓焊连接的作作法（即梁腹腹板与柱之间间采用只传递递剪力的螺栓栓连接，梁翼翼缘与柱之间间采用只传递递弯矩的全熔熔透坡口对接接焊）同样也也能使栓焊连连接的承载力力大于组合内内力设计值1.2倍的要求。如如下图所示示：2023/3/1526即当应力强度比R1<0.830.85=0.70时2023/3/15272023/3/1528按照以上的的思维方法法来设计抗抗震连接节节点是不是是就可以了了呢？如果果单从多遇遇地震作用用效应来进进行以上的的设计，好好像是可行行的，但从从抗震设计计的原理和和当地震烈烈度高于多多遇地震时时来看，是是不行的。。因为，我我们的设计计目标不仅仅仅是只满满足小震不不坏的强度度要求，而而更重要的的是要实现现大震不倒倒的设计目目标。如按组合内内力来设计计连接节点点，只能说说,其连接只能能抗小震而而不能抗大大震。这是是因为：2023/3/1529当地震烈度度高于多遇遇地震进入入设防烈度度的过程中中，凡是应力比比较低（即即截面较大大）的抗侧侧力构件，，由于仍处处于弹性阶阶段，其构构件内力仍仍将继续随随地震作用用的加大而而加大（因为多遇遇地震的烈烈度要比基基本烈度低低1.55度。其地面面加速度和和地震影响响系数最大大值只只是是设防烈度度地面加速速度和地震震影响系数数最大值的的0.35倍）,梁的弯曲应应力比R1必然也将随随之增大到到1.0。2023/3/1530同样，也也需要把把前面的的第二、第第三两种节点点连接形形式（或下页的的第二、第第三图）的梁端截面面局部加加大，使连接焊焊缝的抗抗弯承载载力设计计值达到到不小于于框架梁梁抗弯承承载力设设计值的的1.2倍，才能能确保框框架梁在在大震时时进入塑塑性，使使延性得得到充分分发挥。。否则，，只加大大截面而而不加强强连接，，则连接接焊缝的的弯曲应应力必然然高于梁梁端截面面的弯曲曲应力。。当地震震作用不不断加大大时，就就很容易易发生当当梁端截截面还未未进入塑塑性之前前,处于梁端端薄弱的的连接焊焊缝，就就会因弯曲应力力过高而而发生““脆脆性破坏坏”。。现再利用用下图来来加以说说明。2023/3/1531.2023/3/15322第二种设计方法法

（即按构件件的承载力来设设计的方法）从前面的论述和和结合上图足以以说明：在多遇遇地震阶段，按设计计表达式对对构件和节节点连接进行设计验算算时，结构构件的地震震内力组合设计计值只能作为控制制构件截面的依依据。当结构构件截面面决定之后，只要要是在塑性区段段，就应改用以以构件的承载力来进行连接设计计。如对于框架架结构中的梁柱柱刚性连接节点，，就应使梁端焊缝的抗弯承承载力设计值不得小于框架架梁抗弯承载力力设计值的1.2倍。2023/3/1533即，其实这就是取取“组合内力力设计法”中,当抗震框架梁梁的地震组合合内力设计值值正好等于时时的结果。即。也就是抗震框框架梁的应力力R1正好为时的结果。从从而这就必须须要采用“加强型”节点作法，才才能实现这一一计算要求。关于这一设计计理念，我在在2001年编制的国家家标准图01SG519中就已进行了了阐述（见下页）2023/3/153401SG519页42023/3/15352023/3/15362023/3/1537从理论上讲，在在梁柱的连接节节点中，要是连连接焊缝真正做做到了与被连接接构件的等强连接而又无瑕疵和缺缺陷的话，是不不需要采取任何何加强措施的。。但事实上由于于在梁端的焊缝缝连接处存在诸诸多不利因素，，如焊接工艺孔对对梁腹板截面的的削弱；对接焊焊缝不可避免的的存在某些缺陷陷（如焊接产生的的气孔、夹渣、、熔敷金属未完完全熔合、弧坑坑、咬边、焊后后收缩产生的微微裂缝）；热影响区产生的的残余应力的不不利因素；以及还应考虑虑到当梁截面在形成成塑性铰时，由由于有的钢材屈屈服强度偏高而而加大连接受力力的不利因素等等等……。2023/3/1538所以在规范的强制性条文中分别将焊缝的取取0.9将梁的取取0.75。使焊缝连接的的承载力应不小小于构件承载力力设计值的1.2倍。此处的1.2，可视为连接的加强系数数。该系数正体现现了强连接弱杆件的抗震设计原则则。以保证当框框架梁的端部出出现塑性铰时，，梁端的连接基基本还处于弹性性状态。确保框框架梁在经受从从小震到大震的的全过程中节点点不致发生破坏坏，使结构的整整体性自始至终终得到保证。2023/3/1539按照这一原则则设计的连接接，就可以有有把握地实现现以下两个设设计目标：一是，可以保证结构构在多遇地震震作用下，各各结构构件都都具有足够的的强度并使连连接的应力低低于框架梁的的应力，以实实现小震不坏坏的设计目标标。二是，可以保证当地地震烈度高于于多遇地震烈烈度时，可迫迫使处于高应应力下的框架架梁率先发展展成为塑性铰铰，使钢结构构的良好延性性得到充分的的发挥来耗散散地震能量，，实现大震不不倒的设计目目标。无疑上上述第二种设计方方法才是正确确的。这一设计理念念与目前美国自自1994年北岭地震以以后在设计思思想方面所发发生的变化和和采用的设计计方法是相同同的。2023/3/1540对照现行规规范中梁端端未采取任任何加强措措施的栓焊焊连接节点点作法和全全焊连接的的作法，都都是不满足足连接的承承载力应大大于构件承承载力设计计值1.2倍要求的。。而只有在梁端端采用局部部加大截面面，或在离离梁端不远远处将梁的的上下翼缘缘进行削弱弱，以增大大焊缝的抗抗弯能力（（或降低焊焊缝的弯曲曲应力）才才可以得到到解决。但局部加大大梁端截面面（或削弱弱）后，就就必然使塑塑性铰外移移，出现所所谓的加强强式连接和和削弱式的的狗骨式连连接。2023/3/1541尽管这些作作法给加工工带来不少少麻烦、增增加造价。。但自1994年美国北岭岭地震和1995年日本阪神神地震以后后，在一些些国家中都都乐于采用用这种加工工都比较麻麻烦的加强强式连接和和骨式连接接，也正是是由于原来来的焊接连连接节点抗抗弯能力很很差，即或或是在梁端端采用全焊焊接连接，，名义上等等强，但实实际上也并并不一定等等强，在地地震中照样样也遭受到到破坏、并并不十分可可靠而不得得不采取的的连接加强强措施。2023/3/1542但第二种设计方方法在规范中尚尚存在着不分地地震烈度、结构构类型，房屋高高度等的不同情情况，通通一律律将取为为同一数值欠妥妥的现象如钢梁梁的为0.75，连接焊缝的为为0.9，则连接焊缝的承承载力，通通都都应是钢梁承载载力的1.2倍，这对于设防防烈度只有6、7度的房屋来说显显然是不合理的的。同时规范还还存在着没有提提供当梁端采用用加强式连接后后相应的连接计计算方法和公式式。关于这一问问题，在此次《高钢规》的修订中，正在在研究解决。2023/3/15433第三种设计方法法（极限承载力力设计法）即用公式进行连接计算的的方法采用该法的理论论根据，就是充充分利用焊缝的的极限抗拉强度度远高于钢材的的屈服强度的这这一特性。当框框架梁在强震作作用下，梁端钢钢材屈服出现塑塑性铰后，只要要梁端连接焊缝缝的极限抗弯承载力力能够抵抗梁截面面塑性弯矩的1.2倍，即可认为满满足强震要求。。从概念上来讲，，这种思维方法法好像有些道理理，但这里面要要涉及两个问题题。一是，其计算假假定是否与实际际应力图形相符符，二是，计算公式式中中所所隐含的的的取值是否符合合实际。2023/3/1544为了检验验用公公式是是否能抗抗大震的的问题，，特取《高钢规》中、最具具有代表表性的梁梁柱栓焊焊连接节节点（见见下页））来加以以讨论。2023/3/15452023/3/1546由于图8.3.3(a)这种节点的的计算假定定是：梁腹腹板连接只只考虑传递递剪力，不不考虑传递递弯矩。梁梁的全截面面塑性弯矩矩全部通过过翼缘的连连接来传递递给柱。这这种作法，，不但不能能用于抗震震结构，就就是用于非非抗震结构构也是很不不合适的。。因为：2023/3/1547其一，就凭直觉觉，在这种种节点中，，梁端翼缘缘未作任何何加强，梁梁腹板与柱柱的连接螺螺栓只考虑虑传递剪力力、不考虑虑传递弯矩矩。则其梁梁端栓焊连连接处翼缘缘焊缝的抗抗弯能力则则只有梁截截面弹性抗抗弯能力的的85%左右（即梁梁翼缘截面面的弹性抵抵抗矩与全全截面弹性性抵抗矩之之比）。如如果再将因因高空施焊焊条件较差差、焊缝存存在缺陷以以及焊接残残余应力等等不利因素素考虑在内内，按钢结结构设计规规范规定，，焊缝强度度的设计值值尚应乘以以0.9的折减系数数，则焊缝缝的抗弯承承载力只有有框架横梁梁抗弯承载载能力的75%左右。2023/3/1548很显然，像这这种比等强连连接还低，连连非抗震结构构就很难被人人接受的连接接节点，却用用在本比非抗抗震结构要求求更高的抗震震结构上，这这就违背了在抗震震设计中必须须遵循的强柱柱弱梁、强节节点弱杆件的的基本原则。。2023/3/1549其二，从理理论上讲，其其节点连接的的计算公式与与节点的的具体作法,在梁腹板中所所产生的应力力图形严重不不符。如下图图所示：2023/3/15502023/3/1551其三即使采用用这一与实际弯曲曲应力图形严重不不符的公式，就以以这种不合理的计计算模型来进行计计算，其梁端翼缘缘与柱的对接焊缝缝的极限抗弯承载载力也大大低于梁梁截面1.2倍的塑性弯矩。这这也就有力的证明明了这种连接节点点的作法是毫无抗抗震能力的。以下下面的验算为证：：2023/3/1552如以Q345钢，E50焊条为例梁翼缘坡口焊缝缝的极限抗弯承承载力：(即式中的屈服强强度按规程规定取最最小值)。由上式常用截面翼缘的的只有有全截面的的70%~80%如考虑高空焊接接的不利影响后后则：2023/3/1553事实上,式中的是是波动的（如下表所示））

不应采用最最小值2023/3/1554所以应符符合下述述规范中中的有关关规定《高钢规》的有关规规定《抗震规》的有关规规定2023/3/1555按最不利利考虑，，应采用用来计算梁梁翼缘坡坡口焊缝缝的极限限抗弯承承载力，则：如考虑高高空焊接接的不利利影响后后则：2023/3/1556但在《高钢规》中对于这样样的弱节点点不但没有有作出应加加强连接方方面的有关关规定和作作法。相反反却作了“在柱贯通型型连接中，，当梁翼缘缘用全熔透透焊缝与柱柱连接并采采用引弧板板时，式将将自行满足足”的规定。事实上经过过前面的论论证，这个结论是是不成立的的，起到了误导导的作用。。这种节点点一旦在工工程中使用用(事实上这种种节点已在在实际工程程中用了不不少)，这就埋下下了在大震震时，当框框架梁尚未未进入塑性性之前，其其连接焊缝缝就会过早早发生脆性性破坏的隐隐患。2023/3/1557也正是这种种弱节点在在1994年的美国北北岭地震和和1995年的日本阪阪神地震中中破坏最为为严重，且且破坏时毫毫无塑性发发展的迹象象。其根本本原因就是是因为连接接焊缝的抗抗力严重不不足、焊缝缝所受的弯弯曲应力过过高而造成成的脆性破破坏。(下图为1994年，美国北北岭地震中中梁柱焊接接连接处的的失败模式式。)2023/3/15582023/3/1559由此也可引伸伸到“钢梁与箱形柱”在工厂的的全焊接节点点，由于箱形形柱的壁板不不能有效的传传递梁腹板的的塑性弯矩，，其实质与上上述节点作法法的受力情况况基本上是差差不多的。因因此“钢梁与与箱形柱”在在工厂的全全焊接节点，，应采用梁端端加强式的作作法，才有利利于抗大震。。如下图所示示：2023/3/1560当采用如右右图所示的的加强式连连接后，其其塑性铰必必然外移，，梁腹板上上的塑性弯弯矩，可通通过图中所所示的力线线传递给梁梁的翼缘加加强板。从从而就可实实现梁端腹腹板与柱的的连接只考考虑传递剪剪力、不考考虑传递弯弯矩的假定定。2023/3/1561梁端上、下下翼缘用盖盖板加强后后试验的破破坏模式2023/3/1562梁端上翼缘缘加盖板下下翼缘加腋腋后试验的的破坏模式式2023/3/1563总结前面的讲述述，在此特为以以下常用的三类类节点作法，在在抗震性能方面面作一个评价：：2023/3/15642023/3/1565对比国外在在这方面的的设计动向向自美国北岭岭地震以后后，在A.R.Tamboll,P.E.Fasce,HandbookofStructuralSteelConstructionDesignandDetails设计手册中中规定:不管是采用用加强式连连接还是犬犬骨式连接接，在塑性性铰处的弯弯矩值均一一律取。。为防止焊焊缝破坏和和避免柱翼翼缘板层状状撕裂，在在柱面连接接处其梁端端弯矩在连连接中的受受力要保持持弹性。其其柱面在梁梁翼緣方向向的弯矩，，即(式中））。在梁端所产产生的弯曲曲应力应满满足公式的的要要求。或2023/3/1566将我国(仅指第一阶段段)与美国设计手手册的计算公式进行行比较：我国，根据连接的承承载力设计值值应是框架梁梁抗弯承载力力设计值1.2倍的关系:或也可表达为：：或或由于焊缝的大大于于梁截面的,塑性铰必然外外移，其表达达式必然为:美国为：取第一项比较较：美国/我国2023/3/1567前面曾经谈到到的“第三种设设计计算方法法”，理念虽然可可取，但如何何解决能使塑塑性阶段的计计算结果既安安全又能使与与弹性阶段的的计算结果协协调一致?答案是肯定的的，请看:1)设在弹性阶段段对“加强强型”节点承承载力的表达达式为式中：——在柱面处，连连接的抗弯承承载力设计值值。—等截面梁端端的抗弯承载载力设计值。。—在预计塑性铰铰处的剪力设设计值。—梁在重力荷载载代表值作用用下，按简支支梁分析的剪力设计值。。——梁的的净跨。—塑性铰至柱面面的距离。2023/3/15682)设在塑性阶段，对对“加强型”节节点承载力的表达达式为式中：—基于极限强度为为最小值值时的连接受弯弯承载力。—基于极限强度为最小值，并根根据强屈比所对应的屈服强度取时的梁构件全塑塑性受弯承载力力。—根据所选钢材采采用不同强屈比比时的连接系数数。—在塑性铰处的剪剪力。。—梁的净跨。—梁在重力荷载代代表值作用下，，按简支梁分析析的梁端剪力标标准值。—塑性铰至柱面的的距离。2023/3/1569a为了解决采用塑塑性公式和与采用弹性公公式所计算出出来的结结果相同同，当节节点采用用焊接时时，可利利用弹性性阶段计计算公式式求出焊焊缝所需需的抗弯模量量与塑性阶段段公式和所所用钢材材的不同同强屈比比求出的的焊缝抗弯模量量彼此相同同时,就可求出出式中的的连接协协调值。。也也可将连连接焊缝缝所需的的弹性抗弯弯模量,表达为与梁截面面塑性模模量的倍倍数关系系。从而就可可彻底解解决在两两个阶段段采用不不同计算算方法时时，所产产生的““不协调调”现象象。同同时也可可在焊接接节点中中,只需选用用以上两种计算算方法中中的任何何一种来进行计计算，即即可。2023/3/1570b由于因此可将小震震阶段的算式式变换为:或再将等式两边边同乘以1.1后可得如下的的塑性公式：取则...............(1)2023/3/1571c将钢材的强屈屈比,即代入强震下的的公式后得:………（2）2023/3/1572d取弹性阶段段的=塑性阶段的的即得………(3)即在塑性阶阶段，当验验算连接的的承载力时时，算式式中的不不得小于所所用钢材强强屈比的倍。外加一一项2023/3/1573如对Q345钢当中的用用，中的用时,则中的应为对Q235钢当中的用用，中的用时时,则中的应为所以在《高钢规》中将取为是很不安全的．2023/3/15744为确保梁端塑性铰铰的形成需采取的的构造措施在这方面，目前很很多国家仍在不断断的研究改进，且其主攻方方向可归纳为：1)提高焊接工艺，提提高焊缝质量；2)采用加强式连接；；3)采用削弱式连接；；4)有时可能三者并用用。这些都是我们值得得吸取的有益经验验。由此至少可以得到以下下启示:2023/3/1575根据我国抗震规范范在多遇地震阶段段节点设计中有关关规定和推论，为为了满足连接的抗抗弯承载力设计值值应是框架梁抗弯弯承载力设计值1.2倍的要求，前面已已经谈到必需采用用塑性铰外移的梁梁端增强式连接（可采用加盖板，，加翼板或加腋等等作法），或者采用在离梁端端不远处，将梁的的上下翼缘进行削削弱的犬骨式连接接，这两类节点作作法较多，现择选选几个具有代表性性的节点，示之如如下：2023/3/1576梁端加强强式作作法之之二2023/3/1577梁端加强强式作作法法之三2023/3/1578梁端加强式式作作法之四2023/3/1579梁端加强式式作作法之五2023/3/1580梁端加强式作作法之六2023/3/1581梁端削弱式作法之一2023/3/1582梁端削弱式作法之二作法之三2023/3/15834.1梁端加强式的连接接计算在采用梁端增强式式塑性铰外移的连连接中，就有条件件可将梁腹板与柱柱的连接采用只承承受剪力（当然也也可以采用同时承承受剪力和弯矩））的假定。因塑性性铰外移后，梁腹腹板上塑性弯矩可可由下图的传力途途径来实现。(但在单独采用犬骨骨式的连接中，梁梁腹板与柱的连接接，只宜采用同时时承受剪力和弯矩矩的假定,不然梁端与柱的连连接不等强，翼緣緣的削弱宽度将很很大才能满足设计计要求）。2023/3/1584塑性铰外移移后梁腹板板上塑性弯弯矩的传力力途径2023/3/1585图中盖板板长度及的由来根据国外外资料介介绍，在在非线性性阶段侧侧焊缝的的性能要要比端焊焊缝的性性能好很很多，故故在板尾尾无端焊焊缝。对于Q235钢：当时：（（取）当时时：（（取）当时时：（（取）当时时：（（取）2023/3/1586对于Q345钢当时时：（（取）当时时：（（取）当时时：（（取）当时时：（（取）2023/3/1587梁端翼缘加强板板的计算简图图2023/3/1588翼缘板加强强后，其板板宽的计算算公式式中:(式中见见前4页)1)当梁腹板与与柱的连接接只抗剪时时,其加强板的的截面积2)当梁腹板与与柱的连接接既抗剪又又抗弯时,其加强板的的截面积或2023/3/1589梁端翼缘加强板板的算例设有一梁截面为为H—，柱截面为□—，梁净跨为,恒载活载引起的的梁端剪力设计值为为钢钢材牌号为,材料强度为：：2023/3/1590设塑性铰铰距梁端端的距离离:梁截面的的弹性模模量：(可从手册册中查得得)1)如图,其梁腹板板与柱的的连接只只考虑抗抗剪其加加强板的的截面积积2023/3/1591设取盖板宽为厚度为(取)附：如采用加宽翼缘板板方案（））梁翼缘每侧加的板板宽为:(取)2)当梁腹板与柱的连连接既抗剪又抗弯弯时,其加强板的截面积积取盖板宽：厚度为：2023/3/1592梁端用盖板加加强时的注意意事项盖板端部与柱柱翼缘连接的的坡口焊缝。。有两种构造造方案，如下下图所示。第一种，坡面面连续的大坡坡口。是较好好的构造。第二种，分别别作坡口，先先焊翼缘后焊焊盖板。虽然其焊缝金金属比较少，，但盖板焊缝缝与梁翼缘焊焊缝呈锐角相相交，形成了了“切口””效应，这这是不希望的的。从断裂力力学的角度考考虑，第二种种构造容易出出现向柱翼缘缘扩展的水平平裂缝。2023/3/1593盖板端部与柱柱翼缘连接的的坡口焊缝2023/3/1594设计人员无论论采用哪一种种构造，都必必须考虑节点点区的热量输输入和残余应应力的不利影影响。为了限限制节点区过过度的热量输输入。其焊缝缝最大总厚度度必须控制在在2倍梁翼缘厚度度或柱翼缘的的厚度之内。。2023/3/1595关于下翼缘盖板板:宜取与与之较大者。根据据地震后考察结结构破坏的情况况来看，其破坏坏部位均发生在在梁下翼缘与柱柱的焊缝连接处处。这一现象说说明，混凝土楼楼板参与了梁的的部分工作，使使钢梁的中和轴轴上移，下翼缘缘力臂加大，受受力比上翼缘不不利。故加大下下翼缘盖板的宽宽度，一是可使使下翼缘的受力力得到改善。二二是也便于工地地俯焊。注:1）所求得的盖板厚厚度不宜大于梁梁翼缘板的厚度度;2）其焊缝最大总厚厚度必须控制在在2倍梁翼缘厚度或柱翼缘的厚度度之内。2023/3/1596抗震设防的抗侧侧力体系中的框框架柱在框架的的任一节点，柱柱截面的塑性抵抵抗矩和梁截面面的塑性抵抗矩矩应满足下式的的要求现行《抗震规》对采用等截面梁梁的标准型梁柱柱连接的计算公式式中：—强柱系数，超过过6层的钢框,6度Ⅳ类场地和7度时取1；8度时取1.05；9度时取1.152023/3/15972）修订中的《高钢规》对采用等截面梁的的标准型梁柱连接拟采用的计算公式式修订中的《高钢规》对塑性铰外外移的加强强型梁柱连连接节点，，拟增加的计算算公式））式中：1.1—考虑材料的的应变硬化化效应。—考虑材料实实际屈服强强度的提高高系数。（或2023/3/15984.2梁端削弱式式的连接计计算2023/3/15991)确定犬骨骨式连接接的有关关参数犬骨式连连接节点点的设计计原理，，就是保保证大震震下塑性性铰出现现在梁翼翼缘的削削弱部位位。并要要求梁翼翼缘的削削弱对梁梁的刚度度和强度度影响都都很小，，要实现现这一目目标，关关键是如如何确定定削弱部部位距柱柱边的距距离a,削弱部位位的长度度b,以及削弱弱部位的的深度c这三个尺尺寸（其其符号意意义如下下图所示示）。2023/3/15100对于对应于梁梁腹板平面内内有柱腹板或或设置有竖向向加劲肋的柱柱截面而言，，a越小越好，但但a越小对刚度和和强度的降低低也就越大。。一般a取0.25倍梁高；对无无柱腹板者或或梁腹板与柱柱的连接只抗抗剪不抗弯时时（只限于翼翼缘加强与削削弱并用的连连接中）a宜取0.5倍梁高。削弱长度b，主要由延性性要求和刚度度要求确定，，从刚度角度度出发，b越短越好。从从延性出发，，b越长，则同时时进入塑性的的区段越长。。即延性越好好。再根据国国际上对塑性性铰相对转角角不应小于0.03弧度的要求，，综合考虑b宜取0.8倍梁高。2023/3/15101最后就是确定翼缘缘削弱部位的深度度C,深度C是保证塑性铰出现现在翼缘削弱部位位和强度控制在一一定范围之内的关关键。削弱深度可由翼缘缘削弱部位的截面面塑性抗弯承载力力与梁端连接焊缝缝抗弯承载力之间间的几何关系来确确定。如下图所示示：2023/3/15102梁端削弱式连接接的计算简图2023/3/15103犬骨式削弱深度度C的计算公式削弱处的弯矩设设计值……………(1)使柱面处的弯矩矩设计值为…………..(2)式中:将式(2)改为……..(3)取(3)=(1)即可得:2023/3/151044.3梁端增强式和犬骨骨式并用的连接节节点作法自美国北嶺地震和和日本阪神地震以以后，在国外已运运用得比较多，近近年来在国内也开开始运用。但结合合我国现行《建筑抗震设计规范范》强制性条文的表达达式及及其连连接焊缝的抗弯承承载力应高于梁截截面抗弯承载力设设计值的1.2倍要求。为为适应现有有的电算程程序，宜采采用梁端加加强式与犬犬骨式相结结合的作法法，其理由由如下：2023/3/15105一是，犬骨式节点点固然是目目前公认的的一种较好好的抗震作作法。它的的最大优点点是：塑性性区长，有有较好的转转动能力。。比较容易易满足国际际上公认的的转角不小小于0.03弧度的要求求。可以真真正作到延延性设计。。但是，如如采用单纯纯的犬骨式式节点，梁梁端截面不不加强，为为了满足梁梁端的连接接承载力不不应小于梁梁载面承载载力设计值值1.2倍的要求。。则梁端的的应力强度度比最大只只能控制到到0.83。梁截面的强强度不能得得到充分发发挥。如果果采用梁端端加强式与与犬骨式相相结合的作作法，不但但梁截面的的强度可以以得到充分分发挥，而而且还可使使梁翼缘上上的削弱深深度C减小。2023/3/15106二是，如单纯采用梁梁端局部增强强式连接，虽虽然很容易做做到梁端的连连接承载力不不小于梁截面面承载力设计计值的1.2倍。但由于塑塑性铰的外移移，地震时，，将会使框架架柱的计算弯弯矩比不加强强时要大许多多。为了不违违背强柱弱梁梁的基本原则则，不得不因因此而加大柱柱的截面。当当采用犬骨式式与梁端局部部增强式相结结合的作法后后，不但不需需加大柱的截截面，而且还还可使增强式式连接中的盖盖板厚度减小小。梁端焊缝缝质量较容易易得到保证。。2023/3/15107梁端加强式与与犬骨式相结结合的作法之之一2023/3/15108梁端加强式与犬骨骨式相结合的作法法之二2023/3/15109梁端加强式与犬骨骨式相结合的作法法之三2023/3/15110加强与削削弱式相相结合的的计算简简图2023/3/151111)加强与削削弱并用用时，其其翼缘的的削弱深深度c计算2023/3/15112削弱处的弯矩矩设计值:……………(1)使柱面处的弯弯矩设计值为为:…………..(2)式中:，将(2)改为:………..(3)取(3)=(1)即可得:2023/3/151132)加强与削弱并并用时，其加加强板的计算算a)当梁腹板与柱柱的连接只抗抗剪时,其加强板的截截面积b)当梁腹板与柱柱的连接既抗抗剪又抗弯时时,其加强板的截面积或2023/3/15114梁端加强式与犬骨骨式相结合的的算算例（设计条件同前例，，腹板连接只抗剪时时）2023/3/151151)加强与削削弱并用用时，梁梁翼缘削削弱深度度的c值计算取塑性铰铰距梁端端的距离离:在可能发发生塑性性铰处的的剪力设设计值:附:如梁的上上翼缘单单纯的采采用削弱弱方式时时2023/3/151162)加强与削弱并并用时，其增增强盖板的截截面积a)当梁腹板与柱柱的连接只抗抗剪时,其加强板的截截面积取盖板宽：则则b)当梁腹板与柱柱的连接同时时抗剪抗弯时时,加强板的截面面积取盖板宽：则则2023/3/15117梁端与柱不同同连接方法(加强与削弱)的结果比较2023/3/151184.4梁腹板与柱间采采用高强度螺栓栓连接时的计算算1)在多遇地震阶段段，其剪力公式近近似取并按下式验算连连接螺栓的抗剪剪承载力：式中:——分别为连接螺栓栓的行、列数；；—为一个高强度螺螺栓摩擦型连接接的抗剪承载力设计值。。2023/3/151192)在大震阶段，考虑到在小震阶段段原设计的高强度度螺栓摩擦型连接接，可能在基本烈烈度地震或大震作作用下蜕变为承压压型连接故还应按按下式进行复核：式中：为为板件的极限抗抗压强度，，为钢材材的抗拉强度最小小值）为一个高强度螺栓栓的极限抗剪承载载力,其值为2023/3/15120值得到进一一歩研究的的问题1）现在国外也也仍处在研研究阶段…….2）前面所提到到的一些节节点作法，，其适用范范围都都有它的局局限性，就就拿狗骨式式的作法来来说,需特别注意意在其平面面外要加强强支撑或隅隅撑的布置置。因此，，如将其用用在住宅钢钢结构中，，就有些问问题。2023/3/15121总结：节点设设计的一般规规律1）在非抗震框架架结构、带有有悬臂段框架架梁的工地拼拼接中，其拼拼接宜按梁中中的实际内力力按平面假定定进行设计。。且拼接的抗抗弯承载力不不应低于梁截截面抗弯承载载力的50%。2）在非抗震框架架结构的梁柱柱刚性连接节节点中，其连连接宜按梁截截面的等强度度来设计，除除非在某些构构造截面中梁梁的内力与梁梁截面的内力力相差很大时时，才按上述述第1）条的原则进行行连接设计。如下图所示：：2023/3/151222023/3/151233）在抗震结构的梁梁柱刚性连接中中，不应采用小于等等强度的连接。。就是等强度的的连接，也只能能用在低烈度地地区的抗震结构构中。在高烈度度此区，一定要要采用加强式连连接或犬骨式连连接。如下图所所示：2023/3/151242023/3/151252023/3/151264）在抗震框架架结构、带带有悬臂段段框架梁的的工地拼接接中，对于于全栓拼接的节点可置置于塑性区段之之内。但对于全焊或栓焊焊拼接的连接节点点应置于塑性区段之之外，但为了便便于运输，，其悬臂段段又不能太太长，故宜宜将拼接点点放在十分分之一跨长长和两倍梁梁高塑性区区段之外的的附近，且且此时，其其拼接的承承载力宜按按梁截面的等等强度来设计，如如下图所示示。2023/3/15127带有悬臂段框架架梁的工地拼接接（在抗震结构中中，梁端应局部部加宽）2023/3/151285关于支撑撑与框架架的连接接及支撑撑的拼接接现行《抗震规》给出的拼拼(连)接计算公公式为:我认为该该公式右右边的式式子从概概念上來來讲，是是错误的的。因为为中心支支撑的延延性，是是靠支撑撑毛截面面整根长长度在大大震时发发生屈服服来完成成。而不不是靠螺螺栓孔截截面处仅仅仅孔径径长的极极小一段段屈服来来实现的的。因此此正确的的计算公公式应该该是：2023/3/15129式中:—节点连接(或拼接)的安全系数，可根根据采用不同的拼(连)接方式而异，但最最小不应小于1.2。—支撑构件的毛截面面面积—钢材的屈服强度，，正如前面曾谈到到的，由于是波动的，不应取取最小值，而应根根据《高钢规》和《抗震规》中，“钢材的抗拉拉强度与屈屈服强度实实测值的比比值不应小小于1.2”，即：，，由此得将其代入式式后后则则得即：当用螺螺栓拼（连连）接时的的拼（连））接板当用焊接拼拼（连）接接时的拼（（连）接板板2023/3/15130如采用《抗震规》给出的的拼拼(连)接计算公式式:来计算、并并按规范的的规定，将将式中的取取钢材材屈服点的的最小值，，必然存在在着弱连接接的问题。。试看，设设支撑斜斜拉杆用Q235钢，则，将其代入式,得：即：2023/3/15131结果表明明，其支支撑连接接板或拼拼接板的的截面积积，只要要有75%的支撑净净截面面面积就可可满足抗抗大抗震震的要求求。比一一般人们们常用的的等强连连接少了了25%的截面积积。这太太不可思思议了。。再对比比前面的计算结结果就太太不安全全了。2023/3/15132再对比在多遇地震震阶段，按表达式式设计支撑拉杆的连连接时，其支撑连连接板的承载力调调整系数，支撑杆的。在设计连接板时所所取的内力设计值值，就应是支撑杆杆内力设计值的倍。当其应力比为为1.0时，则支撑连接板板所需的截面积就就应是杆件截面积积的1.06倍。（应当取应力比为为1.0时的情况来计算，，因只有应力比超超过1.0后，其钢拉杆才会会屈服产生非线性性的拉伸变形而产产生延性）。2023/3/15133此外，还应注意到到《高钢规》图8.7.2所介的全栓拼接作作法（如下页的图示）），我认为它只能用于于非抗震的中心支支撑和抗震的偏心心支撑，而不能用用于抗震的中心支支撑。由于中心支支撑的良好延性，，是靠支撑在大震震时发生屈服来实实现的。因此支撑杆的本身必须要满足下式的的要求：根据《高钢规》和《抗震规》中，钢材的抗拉强强度与屈服强度实实测值的比值不应应小于1.2的规定，如取代入式后后，则为：由由此此可得2023/3/151342023/3/15135根据统计，在全全栓拼接中，被被连接支撑扣除除螺栓孔后的净净截面面积与其其毛截面面积之之比多在0.73~0.83之间。即这这说说明在抗抗震的全全栓拼接接中心支支撑中，，如其其受拉支支撑在地地震作用用下，在在支撑尚尚未屈服服之前，，就将首首先在支支撑螺栓栓孔的净净截面上上发生断断裂破坏坏。因此在抗抗震结构构中，其其中心支支撑在工工地不宜宜采用全全栓拼接接，而尽尽可能改改用焊接接。2023/3/151366相关的构构造要求求为了实现现“小震震不坏，，大震不不倒““的设计计目标。。除了前前面讲述述的内容容之外，，还应注注意：如何合理理的选用用钢材的牌牌号、如何根根据不同同工程的的设计内内容选用用适合其其结构计算算内容要要求的软软件、以及在在大震下下，当梁梁端出现现塑性铰铰后，如如何充分分利用钢钢材的延延性來耗耗散地震震能量而而必須要要满足下下面与之有关关的一些些构造要要求：2023/3/151376.1对结构钢材材的材质要要求:多、高层钢钢结构的选选材，应根根据结构的的重要性与与工作条件件、抗震与与非抗震的的荷载特征征、连接构构造与钢材材厚度等因因素综合考考虑。合理理的选用钢材的牌号号。关于建筑结结构钢和桥桥梁用结构构钢的牌号号，统一由代表表屈服点的的汉语拼音音字母Q、厚度t≤16mm时钢材屈服服点的下限限值和质量等级级符号（A、B、C、D、E）等三个部分分按顺序组组成。其中中碳素结构构钢（Q235）在质量等级级符号后面面还要加上上脱氧方法法符号共四四个部分组组成。为了将桥梁梁用钢与建建筑用钢相相区别，在在屈服点值值后面另加加汉语拼音音符号q。2023/3/15138质量等级符号号A、B、C、D、E系分别表示不要求冲击试试验、冲击试验温度度为、、、、。。如系系表示屈服服强度为，且不要求做冲冲击试验的钢钢材。系表示屈服强强度为，且要求具有冲冲击韧性性的桥梁钢。。现将在建筑钢钢结构中，规规范推荐使用用的钢材牌号号分述如下：：2023/3/151391)《碳素结构钢》(GB／T700-88)中的钢，共分A、B、C、D四个质量等级级。A、B级钢按脱氧方方法可分为沸沸腾钢(符号F)、半镇静钢(符号b)或镇静钢(符号Z)。C级钢为镇静钢钢；D级钢为特殊镇镇静钢(符号TZ)；脱氧方法符号号中的Z和TZ在牌号中可省省略不注。（据了解，现在在基本上已不不生产半镇静静钢。沸腾钢钢也很少生产产，如要订货货，价格反而而比镇静钢还还贵，故均不不宜采用。这这样一来前面面所说的结构构钢的牌号在在一般情况下下，只需注写写前三个组成成部分。）2023/3/15140在钢钢中，除A级以外的其它等等级，其化学成分和力力学性能生产厂厂有试验数据均均能保证，故不不需要再提出附附加保证条件。。级钢能保证力学学性能，可附加加保证冷弯，但但不附加保证冲冲击值；在化学成分中不不保证碳、锰的含量(不作为交货条件件)，故不宜用于焊焊接承重结构。。2)《低合金高强度结结构钢》(GB／T1591—94)中的Q345、Q390和Q420钢。其中使用最最多亦比较成熟熟的是Q345钢。Q390钢、Q420钢是新列入的高高强度钢，低合合金结构钢不能能生产沸腾钢(怕合金元素在钢钢水沸腾时逸出出)，故全部为镇静钢。2023/3/151413)《高层建筑结构用钢钢板》(YB4104—2000),这是最近为高层钢钢结构或其他重要要建(构)筑物用钢板制订的的行业标准，其钢钢板的牌号是在屈屈服点数值后面加加上代表高层建筑筑的汉语拼音字母母(GJ)，接着是质量等级符符号(C、D、E)，如Q345GJC；如对厚度方向的性性能也有所要求的的钢板，则在质量量等级符号之前还还要加上厚度方向向的性能级别，例例如。Z字后面的数数字为截面面收缩率的的指标(%)。2023/3/151424)当工作条件件需要时应应采用的耐耐候钢当处于外露露环境，且且对大气腐腐蚀有特殊殊要求的或或在腐蚀性性气态和固固态介质作作用下的承承重结构，，宜采用耐耐候钢。我我国现有国国标有：《高耐候性结结构钢》(GB／T4171—1984)和《焊接结构用用耐候钢》(GB／T4172——1984)，耐候钢的强强度级别与与常用的建建筑结构钢钢基本一致致，技术指指标也相近近，但其抗抗腐蚀能力力却高出2-4倍。2023/3/151432023/3/151442023/3/15145以上两页资料摘自自崔佳魏明钟赵赵熙元但泽义编著的《钢结构设计规范理理解与应用》中国建筑工业出版版社2004年3月第一版2023/3/151466.2对钢结构设计计算算软件的性能要求求应充分了解计算软软件编制的技术条条件举一实际工程，由由于其计算内容与与计算软件的技术术条件不相符，而而影响到危及工程程及人身安全的设设计事例。(下表为SATWE软件中的技术条件件之一)2023/3/151472023/3/151482023/3/151492023/3/151502023/3/151512023/3/151522023/3/151536.3框架柱的长细比不不应超过现行规范范规定的限值。(见01SG519.页6)6.4框架梁、柱的板件件宽厚比不应超过过现行规范规定的限值(见01SG519.页5)如下表所示：2023/3/151542023/3/151556.5在抗震结结构中柱柱与柱的的接头(见01SG519页7,8)在抗震结结构中，，框架柱柱的接头头，应位位于框架架节点塑塑性区