多高层房屋钢结构的节点连接设计

多高层房屋钢结构的节点连接设计

4/10/20231多、高层房屋钢结构

梁柱刚性连接节点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：4/10/20232

一是，当遭遇多遇地震作用（小震）时，应采用表达式，即抗震规范中的公式(5.4.2）来计算。二是，当遭遇超过多遇地震作用至基本烈度（中震）设防，或遭遇罕遇地震作用（大震）、按（大震烈度）设防时，规范还要求公式来进行连接的极限承载力验算。4/10/20233但是，在执行上述规范时，不同的设计人员，很可能在相同设计条件下设计出三种承载力相差非常悬殊的连接作法，这三种不同的作法是:

一是，当按计算时，完全按组合内力来设计连接节点。二是，组合内力只是作为设计构件截面的依据。但在节点连接设计时，是取高于构件的最大承载力设计值作为节点的作用力来对节点连接进行设计与验算。三是，完全抛开以上两种设计方法，而是完全按照公式来进行连接的极限承载力计算。4/10/20234

以上三种截然不同的设计方法，将直接影响到设计的节点是否满足“强节点弱杆杆”的抗震要求。是否能实现“小震不坏,大震不倒”的设计目标的根本问题，所以很有必要在此进行一下讨论。为了讲述上的方便，特按以下两个方面来讲：

1连接设计的正确方法。

2

为确保梁端塑性铰的形成需采取的构造措施。4/10/20235一连接设计的正确方法(按以下三个要点来讲)要点之一：当按表达式连接设计的第一种方法—内力设计法（这正是抗震规范所介绍的方法）如:1在执行表达式时，S—是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。

2在抗震规范8.2.8条中规定“钢结构构件连接应按地震组合内力进行弹性设计，并应进行极限承载力验算。”4/10/20236抗震连接按内力设计法的理论根据是，认为在多遇地震作用下，结构处于弹性阶段，连接设计只要根据组合内力，并根据梁的应力强度比（即梁的地震组合弯矩设计值乘以梁的承载力抗震调整系数0.75后，在梁截面中产生的弯曲应力与梁的钢材强度设计值之比）来进行设计即可。且认为可按以下三种不同情况分别进行处理，为了方便说明问题，在此引用一个具体数字来说明这一方法的思路。4/10/20237假定梁端有一个的地震组合弯矩,并将表达式变换为。在验算梁截面时，要求梁截面抗弯承载力设计值必须，但在确定梁端的焊缝连接时，其焊缝截面的抗弯承载力设计值就必须要。即在相同组合弯矩作用下,经过规范采用不同的调整系数调整后，就变成了在设计焊缝连接与设计梁截面时，分别采用不同的内力设计值来进行设计。即在设计连接焊缝时所取的内力设计值，就应是梁截面内力设计值的倍。4/10/202381）如果所设计的梁截面刚好等于（即应力比刚好等于时），由于梁端连接焊缝的抗弯承载力设计值需要此时梁端整个截面即使采用全熔透的对接焊缝，也只能承受的弯矩。怎么办？可采用加强式连接（如加盖板；或局部加宽梁端翼缘板，或在梁端下翼缘加腋板等办法来增大焊缝的截面积以增大焊缝的抗弯能力）。4/10/20239

2)如果在梁端不采用加强的作法，而是在工厂采用全焊缝连接的常规作法，由于焊缝的抗弯承载力最多只能作到与梁截面的抗弯承载等强，此时就必须要改用一个能承受的梁截面，但此时由于梁截面只需用的弯矩值来设计，梁的承载力有富裕不能充分利用，其应力强度比（即梁的地震组合弯矩设计值乘以梁的承载力抗震调整系数后，在梁截面中产生的弯曲应力与梁的钢材抗拉强度设计值之比）只用到了。4/10/202310

3）如果在梁端仍不采用加强的作法，而是在梁端采用栓焊连接的另一种常规作法（即梁腹板与柱之间采用只传递剪力的螺栓连接，梁翼缘与柱之间采用只传递弯矩的全熔透坡口对接焊）由于焊缝的抗弯承载力最多只能作到梁截面抗弯承载力设计值的，此时就必须要改用一个能承受的梁截面，但此时由于梁截面只需用的弯矩值来设计，梁的承载力更加富裕而不能充分利用,其应力强度比只用到了。4/10/202311

总结：连接设计的第一种方法，从上面的具体算例可以看出，如果在抗震的节点连接设计中，是按地震组合内力来进行设计的话，就必然出现下面归纳的三种情况：4/10/202312

1）当梁的应力强度比大于0.83时，就应开始在梁端采取加强措施来增大焊缝的抗弯承载力当梁的应力强度比大到等于1.0

时，其加强后的焊缝抗弯承载力设计值就应不小于梁截面抗弯承载力设计值的1.2

倍。(该1.2

即为焊缝的抗震调整系数与梁的抗震调整系数之比）。如下图所示：4/10/202313

第一种情况:当应力强度比

>0.83

时4/10/2023142）当梁的应力强度比小于0.83

时，在梁端就可以不必加强，而只需采用全焊接连接（即截面的抗弯等强连接）就可满足使焊缝的抗弯承载力设计值大于组合内力设计值的1.2

倍的要求。如下图所示：4/10/202315第二种情况:当应力强度比

<0.83

时4/10/2023163

当梁的应力强度比小于时，在梁端还可以采用栓焊连接的作法（即梁腹板与柱之间采用只传递剪力的螺栓连接，梁翼缘与柱之间采用只传递弯矩的全熔透坡口对接焊）同样也能使栓焊连接的承载力大于组合内力设计值1.2

倍的要求。如下图所示:4/10/202317第三种情况当应力强度比

<0.830.85=0.70

时4/10/2023184/10/202319

按照以上的思维方法来设计抗震连接节点是不是就可以了呢？如果单从多遇地震作用效应来进行以上的设计，好像是可行的，但从抗震设计的原理和当地震烈度高于多遇地震时来看，却又是不可行的。因为，我们的设计目标不仅仅是只满足小震不坏的强度要求，而更重要的是要实现大震不倒的设计目标。如按组合内力来设计连接节点，只能说,其连接只能抗小震而不能抗大震。这是因为：4/10/202320当地震烈度高于多遇地震进入设防烈度的过程中，凡是应力比较低（即截面较大）的抗侧力构件，由于仍处于弹性阶段，其构件内力仍将继续随地震作用的加大而加大（因为多遇地震的烈度要比基本烈度低1.55度。其地面加速度和地震影响系数最大值只是设防烈度地面加速度和地震影响系数最大值的0.35倍）,梁的弯曲应力比必然也将随之增大到

1。4/10/202321同样，也需要把前面的第二、第三两种节点连接形式（或下页的第二、第三图）的梁端截面局部加大，使连接焊缝的抗弯承载力设计值达到不小于框架梁抗弯承载力设计值的1.2倍，才能确保框架梁在大震时进入塑性，使延性得到充分发挥。否则，只加大截面而不加强连接，则连接焊缝的弯曲应力必然高于梁端截面的弯曲应力。当地震作用不断加大时，就很容易发生当梁端截面还未进入塑性之前,处于梁端薄弱的连接焊缝，就会因弯曲应力过高而发生“脆性破坏”。现再利用下图来加以说明。4/10/2023224/10/202323连接设计的第二种方法—杆件承载力设计法从前面的论述和结合上图足以说明：在多遇地震阶段，按表达式对构件和节点连接进行设计验算时，结构构件的地震内力组合设计值只能作为控制构件截面的依据。当结构构件截面决定之后，只要是在塑性铰区段，就应改用以构件的承载力来进行连接设计。如对于框架结构中的梁柱刚性连接节点，就应使梁端焊缝的抗弯承载力设计值不得小于框架梁抗弯承载力设计值的1.2倍，无疑这种设计方法才是正确的。4/10/202324从理论上讲，在梁柱的连接节点中，要是连接焊缝真正做到了与被连接构件的等强连接而又无瑕疵和缺陷的话，是不需要采取任何加强措施的。但事实上由于在梁端的焊缝连接处存在诸多不利因素，如焊接工艺孔对梁腹板截面的削弱；对接焊缝不可避免的存在某些缺陷（如焊接产生的气孔、夹渣、熔敷金属未完全熔合、弧坑、咬边、焊后收缩产生的微裂缝）；热影响区产生的残余应力的不利因素；以及还应考虑到当梁截面在形成塑性铰时，由于有的钢材屈服强度偏高而加大连接受力的不利因素等等……。4/10/202325所以在规范的强制性条文中分别将焊缝的取0.9

将梁的取0.75,焊缝连接的承载力高于构件承载力设计值的1.2

倍还是比较合理的。此处的1.2，可视为连接的加强系数。有了这个加强系数，就可以较好的保证当框架梁的端部出现塑性铰时，梁端的连接基本还处于弹性状态。就可以在当地震烈度高于多遇地震烈度时，框架梁在尚未出现塑性铰之前，节点连接就可避免过早的发生脆性破坏。4/10/202326

尽管加强连接的作法给加工带来不少麻烦、增加造价。但自1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震以后，在一些国家中都乐于采用这种加工都比较麻烦的加强式连接或骨式连接，也正是由于原来的焊接连接节点抗弯能力很差，即或是在梁端采用全焊接连接，名义上等强，但实际上也并不一定等强，在地震中照样也遭受到破坏、并不十分可靠而不得不采取的连接加强措施。4/10/202327要点之二在梁柱刚性连接节点中，无论梁端是采用全焊接连接节点，还是采用栓焊连接节点，只要其连接是按构件的承载力而不是按内力来进行设计，且又满足表达式的要求，则公式必然满足。这是因为：4/10/202328

表达式的实质是：规范要求连接焊缝的抗弯承载力应高于梁截面抗弯承载力设计值的1.2

倍。或者说，连接焊缝的弯曲应力只是梁截面弯曲应力的倍。也就是说，当梁截面产生塑性铰时，其连接焊缝的应力才处于强度设计值阶段（即梁截面从抗弯设计值到塑性弯矩为对应于焊缝的应力为）4/10/202329而公式反应出的实质是：当梁截面产生塑性铰时，对接焊缝的应力已达到了抗拉强度的。

以上都是在梁截面产生塑性铰时的相同条件下，将连接焊缝分别用前、后两个公式所反应出来的不同应力狀态进行对比，就可说明了前者安全，后者不安全；如满足了公式的要求,则公式必然满足。4/10/202330要点之三：仅用存在的问题在进行节点设计验算时，如只按公式进行节点验算，则连接焊缝所需的截面面积不但小于公式的计算结果，而且还会把节点的弱连接视为强连接，导致当框架梁未进入塑性之前，其连接焊缝就会过早的发生脆性破坏，钢结构所具有的良好延性得不到发挥，使整个结构失去抵抗大震的能力。4/10/202331

其论证如下：为了证明要点之三，特取最具有代表性的梁柱栓焊连接节点来加以论证。由于这种节点的计算假定是：梁腹板连接只考虑传递剪力，不考虑传递弯矩。梁的全截面塑性弯矩全部通过翼缘的连接来传递给柱。这一假定和作法，不但不能用于抗震结构，就是用于非抗震结构也是很不合适的。因为4/10/202332在这种节点中，梁端翼缘未作任何加强，梁腹板与柱的连接螺栓只考虑传递剪力、不考虑传递弯矩。则其柱面栓焊连接处翼缘焊缝的抗弯能力则只有梁截面弹性抗弯能力的85%

左右（即梁翼缘截面的弹性抵抗矩与全截面弹性抵抗矩之比）。如果再将因高空施焊条件较差、焊缝存在缺陷以及焊接残余应力等不利因素考虑在内，按钢结构设计规范规定，焊缝强度的设计值尚应乘以0.9

的折减系数，则其连接的抗弯承载力很可能只有框架横梁抗弯承载能力的75%

左右。4/10/202333

像此类如此薄弱的连接，为什么按现行的《抗震规》《高钢规》中的有关公式进行计算时，从表面上看好像并没有什么问题，但在美国北岭地震和日本阪神地震中却又出现了焊缝严重的破坏事故呢？经思考发现主要有以下几个原因：一是，在塑性阶段，其节点连接计算的抗弯公式与对应于节点的具体作法在梁腹板中所产生的应力图形严重不符。其等式根本就不成立。如下图所示：：4/10/2023344/10/202335

二是，在此类节点中，不但所用公式与实际弯曲应力图形严重不符，而且就以这种不合理的计算模型来进行计算，其梁端翼缘与柱的对接焊缝的极限抗弯承载力也大大低于梁截面1.2

倍的塑性弯矩。这也就有力的证明了这种连接节点的作法是毫无抗震能力的。以下面的验算为证：4/10/202336梁翼缘坡口焊缝的极限抗弯承载力：以Q345钢，E50

焊条为例

如考虑高空焊接的不利影响后则：

4/10/202337通过前面的讲述，说明了为什么在相同设计条件下，不同的设计人员，会设计出三种承载力相差非常悬殊的连接作法的根本原因。总结前面的讲述，在此特为以下常用的三类节点作法，在抗震性能方面作一个评价：4/10/2023384/10/202339对比国外在这方面的设计动向自美国北岭地震以后，在A.R.Tamboll,P.E.Fasce,

HandbookofStructuralSteelConstructionDesignandDetails

设计手册中规定：不管是采用加强式连接还是犬骨式连接，在塑性铰处的弯矩值均一律取。但在柱面连接处，其梁端弯矩在连接中的受力要保持弹性。其柱面在梁翼緣方向的弯矩，即。在梁端所产生的弯曲应力应满足公式。以防止焊缝破坏和避免柱翼缘板层状撕裂。式中：4/10/202340

日本的计算公式抄录如下:式中:—基于极限强度最小值的连接受弯承载力；

—基于极限强度最小值的连接受剪承载力；

—连接系数，取1.3～1.4。

—竖向荷载产生的梁端剪力；

—梁构件（梁贯通时为柱）的全塑性受弯承载力；

—梁的净跨。4/10/202341二为确保塑性铰的形成须采取的构造措施

1在多遇地震阶段，为了满足连接的抗弯承载力设计值应是框架梁抗弯承载力设计值1.2倍的要求，前面已经谈到,必需采用塑性铰外移的梁端增强式连接（可采用加盖板，加翼板或加腋等作法),或者采用在离梁端不远处，将梁的上下翼缘进行削弱的犬骨式连接，这两类节点作法较多，现择选几个具有代表性的节点，示之如下：4/10/202342

将我国(仅指第一阶段)、美国、与日本计算公式进行比较，经比较日本公式的计算结果偏不安全。其比较如下：我国：根据连接的承载力设计值应是框架梁抗弯承载力设计值1.2

倍的关系:所需焊缝连接的弹性抵抗矩或4/10/202343

焊缝截面大于梁截面,塑性铰必然外移，其表达式必然为:

或所需焊缝连接的弹性抵抗矩：美国：或所需焊缝连接的弹性抵抗矩：4/10/202344日本:对于Q345钢或所需焊缝连接的弹性抵抗矩4/10/202345

比较（均取第一项）美国/日本我国（第一阶段）/日本我国第一阶段/我国第二阶段4/10/202346梁端加强式

作法之二梁端加强式

作法之三4/10/202347梁端加强式作法之四4/10/202348梁端加强式作法之五4/10/202349梁端削弱式作法之一4/10/202350梁端削弱式作法之二；三4/10/202351梁端加强式连接的计算简图4/10/202352翼缘板加宽后，其板宽的计算公式

式中：4/10/202353加强式连接对柱截面的影响根据强柱弱梁的验算公式：（1）

（2）

（3）式中：—强柱系数，超过6层的钢框，6

度Ⅳ

类场地和7

度时取1.0；8

度时取1.05；

9

度时取1.15—折减系数，6

度Ⅳ类场地和7

度时可取

0.6,8、9度时可取0.7。4/10/2023542塑性铰外移后对腹板连接的作法

在采用梁端增强式塑性铰外移的连接中，就有条件可将梁腹板与柱的连接采用只承受剪力（当然也可以采用同时承受剪力和弯矩）的假定；但在单独采用犬骨式的连接中，梁腹板与柱的连接，只宜采用同时承受剪力和弯矩的假定（不然梁端与柱的连接不等强，翼緣的削弱宽度将很大才能满足设计要求）。4/10/202355塑性铰外移后梁腹板上塑性弯矩的传力途径4/10/2023563

确定犬骨式连接的有关参数

犬骨式连接节点的设计原理，就是保证大震下塑性铰出现在梁翼缘的削弱部位。并要求梁翼缘的削弱对梁的刚度和强度影响都很小，要实现这一目标，关键是如何确定削弱部位距柱边的距离a,

削弱部位的长度b,

以及削弱部位的深度

c这三个尺寸（其符号意义如下图所示）。4/10/2023574/10/202358对于对应于梁腹板平面内有柱腹板或设置有竖向加劲肋的柱截面而言，a

越小越好，但a越小对刚度和强度的降低也就越大。一般a取0.25倍梁高；对无柱腹板者或梁腹板与柱的连接只抗剪不抗弯时（只限于翼缘加强与削弱并用的连接中）a

宜取0.5倍梁高。削弱长度b，主要由延性要求和刚度要求确定，从刚度角度出发，b

越短越好。从延性出发，b

越长，则同时进入塑性的区段越长。即延性越好。再根据国际上对塑性铰相对转角不应小于0.03

弧度的要求，综合考虑b宜取0.8

倍梁高。4/10/202359

最后就是确定翼缘削弱部位的深度C,深度C

是保证塑性铰出现在翼缘削弱部位和强度控制在一定范围之内的关键。削弱深度可由翼缘削弱部位的截面塑性抗弯承载力与梁端连接焊缝抗弯承载力之间的几何关系来确定。如下图所示：4/10/202360梁端削弱式连接的计算简图4/10/202361犬骨式削弱深度C

的计算公式削弱处的塑性弯矩柱面处的弯矩式中:使作用在梁柱连接中的塑性弯矩，不小于柱面处的弯矩。即:由上式此即可求得C4/10/202362

梁端增强式和犬骨式并用的连接节点作法，自美国北嶺地震和日本阪神地震以后，在国外已运用得比较多，近年来在国内也开始运用。但结合我国现行《建筑抗震设计规范》强制性条文的表达式及其连接焊缝的抗弯承载力应高于梁截面抗弯承载力设计值的1.2倍要求。为适应现有的电算程序，宜采用梁端加强式与犬骨式相结合的作法，其理由如下：4/10/202363一是，犬骨式节点固然是目前公认的一种较好的抗震作法。它的最大优点是：塑性区长，有较好的转动能力。比较容易满足国际上公认的转角不小于0.03

弧度的要求。可以真正作到延性设计。但是，如采用单纯的犬骨式节点，梁端截面不加强，为了满足梁端的连接承载力不应小于梁载面承载力设计值1.2倍的要求。则梁端的应力强度比最大只能控制到0.83

。梁截面的强度不能得到充分发挥。如果采用梁端加强式与犬骨式相结合的作法，不但梁截面的强度可以得到充分发挥，而且还可使梁翼缘上的削弱深度c

减小。4/10/202364二是，如单纯采用梁端局部增强式连接，虽然很容易做到梁端的连接承载力不小于梁截面承载力设计值的1.2

倍。但由于塑性铰的外移，地震时，将会使框架柱的计算弯矩比不加强时要大许多。为了不违背强柱弱梁的基本原则，不得不因此而加大柱的截面。当采用犬骨式与梁端局部增强式相结合的作法后，不但不需加大柱的截面，而且还可使增强式连接中的盖板厚度减小。梁端焊缝质量较容易得到保证。4/10/202365梁端加强式与犬骨式相结合的作法之一4/10/202366梁端加强式与犬骨式相结合的作法之二4/10/202367梁端加强式与犬骨式相结合的作法之三4/10/202368当梁端用盖板加强时的注意事项

盖板端部与柱翼缘连接的坡口焊缝。有两种构造方案，如下图所示。第一种（坡面连续的大坡口）是较好的构造。第二种（分别作坡口，先焊翼缘后焊盖板）虽然焊缝金属比较少，但盖板焊缝与梁翼缘焊缝呈锐角相交，形成了“切口”效应，这是不希望的。从断裂力学的角度考虑，第二种构造容易出现向柱翼缘扩展的水平裂缝。4/10/202369盖板端部与柱翼缘连接的坡口焊缝4/10/202370加强与削弱式相结合的计算简图4/10/202371加强与削弱并用时，其翼缘的削弱深度削弱处的塑性弯矩柱面处的弯矩使梁截面的塑性抗弯等于柱面处的弯矩。即:根据此式即可求得C式中4/10/202372加强与削弱并用时，其增强板的截面积

增强板的截面积（腹板连接只抗剪时）对于常用的工字形截面梁，其腹板的塑性抵抗矩与全截面塑性抵抗矩之比的范围，通常为0.20

至0.30之间，经换算其加强板的截面积与梁翼缘板截面积之间的关系为：4/10/202373

当梁腹板的塑性抗弯承载力为全截面塑性抗弯承载力的倍时，即相当于翼缘截面积的承载力，再将其乘以1.2和加上翼缘的后，即为：。当梁腹板的塑性抗弯承载力为全截面塑性抗弯承载力的倍时，即相当于翼缘截面积的承载力，再将其乘以1.2和加上翼缘的后，即为。加强板

的由来4/10/202374梁端加强式、削弱式、加强与削弱式

三者对柱弯矩增大的比较4/10/202375梁腹板与柱间采用高强度螺栓连接时的计算：在多遇地震阶段，其剪力公式近似取并按下式验算连接螺栓的抗剪承载力：式中:—分别为连接螺栓的行、列数；

—为一个高强度螺栓摩擦型连接的抗剪承载力设计值4/10/202376

再考虑到在小震阶段原设计的高强度螺栓摩擦型连接，可能在基本烈度地震或大震作用下蜕变为承压型连接故还应按下式进行复核：式中：为板件的极限抗压强度，取，为钢材的抗拉强度最小值）