钢结构抗震设计(刘其祥)

钢结构抗震设计(刘其祥)第一页，共175页。多高层房屋钢结构节点连接设计中的常见问题主讲人：刘其祥中国建筑标准设计研究院2023/4/222第二页，共175页。

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。2023/4/223第三页，共175页。

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。2023/4/224第四页，共175页。

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。2023/4/225第五页，共175页。

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。2023/4/226第六页，共175页。

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：2023/4/227第七页，共175页。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：2023/4/228第八页，共175页。

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2023/4/229第九页，共175页。2023/4/2210第十页，共175页。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）2023/4/2211第十一页，共175页。

二是，当遭遇超过多遇地震（小震）作用至基本烈度（中震）设防，或遭遇罕遇地震作用（大震）时，规范还要求用公式即《高钢规》公式（8.1.3-1）进行连接的极限承载力验算(如下页所示)；2023/4/2212第十二页，共175页。2023/4/2213第十三页，共175页。

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，当按设计表达式计算时，完全按组合内力来设计节点连接。

二是，组合内力只是作为检验构件截面的依据。但在塑性区的节点连接设计时，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。2023/4/2214第十四页，共175页。

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，中震可修，大震不倒”

设计目标的根本问题，所以下面将着重讨论证明前面所提到的第一种是错误的，第三种设计理念虽然可取，但式中的有关系数和强度取值有问题，很不安全。唯第二种设计计算方法才是比较稳妥、正确的。2023/4/2215第十五页，共175页。1第一种设计方法

（即按组合内力来设计的方法）

采用该法的理论根据是，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

R1（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。2023/4/2216第十六页，共175页。以下是电算结果的表示方法，摘自《高层建筑

结构空间有限元分析与设计》软件SATWE2023/4/2217第十七页，共175页。

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。2023/4/2218第十八页，共175页。

1）如果所设计的梁截面刚好等于（即应力强度比R1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？

可采用加强式连接来解决（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）。2023/4/2219第十九页，共175页。

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

R1只用到了。2023/4/2220第二十页，共175页。

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R1只用到了。

2023/4/2221第二十一页，共175页。

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，按地震组合内力来进行设计，就必然出现下面归纳的三种情况：2023/4/2222第二十二页，共175页。

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：2023/4/2223第二十三页，共175页。即当应力强度比R1

为

0.83～１时2023/4/2224第二十四页，共175页。2）当梁的应力强度比R1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：2023/4/2225第二十五页，共175页。即当应力强度比R1

为

0.83～0.73时2023/4/2226第二十六页，共175页。3）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：2023/4/2227第二十七页，共175页。即当应力强度比R1

<

0.830.85=0.70

时2023/4/2228第二十八页，共175页。2023/4/2229第二十九页，共175页。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，是不行的。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：2023/4/2230第三十页，共175页。

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R1必然也将随之增大到

1.0。2023/4/2231第三十一页，共175页。

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。2023/4/2232第三十二页，共175页。.2023/4/2233第三十三页，共175页。

2第二种设计方法

（即按构件的承载力来设计的方法）

从前面的论述和结合上图足以说明：在多遇地震阶段，按设计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。2023/4/2234第三十四页，共175页。

即，其实这就是取“组合内力设计法”中,

当抗震框架梁的地震组合内力设计值

正好等于时的结果。即。也就是抗震框架梁的应力R1正好为时的结果。从而这就必须要采用“加强型”节点作法，才能实现这一计算要求。关于这一设计理念，我在2001年编制的国家标准图01SG519

中就已进行了阐述（见下页）2023/4/2235第三十五页，共175页。01SG519

页

42023/4/2236第三十六页，共175页。2023/4/2237第三十七页，共175页。2023/4/2238第三十八页，共175页。

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……。2023/4/2239第三十九页，共175页。

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。使焊缝连接的承载力应不小于构件承载力设计值的1.2倍。此处的

1.2，可视为连接的加强系数。该系数正体现了强连接弱杆件的抗震设计原则。以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。确保框架梁在经受从小震到大震的全过程中节点不致发生破坏，使结构的整体性自始至终得到保证。2023/4/2240第四十页，共175页。

按照这一原则设计的连接，就可以有把握地实现以下两个设计目标：

一是，可以保证结构在多遇地震作用下，各结构构件都具有足够的强度并使连接的应力低于框架梁的应力，以实现小震不坏的设计目标。

二是，可以保证当地震烈度高于多遇地震烈度时，可迫使处于高应力下的框架梁率先发展成为塑性铰，使钢结构的良好延性得到充分的发挥来耗散地震能量，实现大震不倒的设计目标。无疑上述第二种设计方法才是正确的。这一设计理念与目前美国自1994

年北岭地震以后在设计思想方面所发生的变化和采用的设计方法是相同的。2023/4/2241第四十一页，共175页。对照现行规范中梁端未采取任何加强措施的栓焊连接节点作法和全焊连接的作法，都是不满足连接的承载力应大于构件承载力设计值

1.2

倍要求的。而只有在梁端采用局部加大截面，或在离梁端不远处将梁的上下翼缘进行削弱，以增大焊缝的抗弯能力（或降低焊缝的弯曲应力）才可以得到解决。但局部加大梁端截面（或削弱）后，就必然使塑性铰外移，出现所谓的加强式连接和削弱式的狗骨式连接。2023/4/2242第四十二页，共175页。

尽管这些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和骨式连接，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。2023/4/2243第四十三页，共175页。

但第二种设计方法在规范中尚存在着不分地震烈度、结构类型，房屋高度等的不同情况，通通一律将取为同一数值欠妥的现象如钢梁的为

0.75，连接焊缝的为

0.9，则连接焊缝的承载力，通通都应是钢梁承载力的

1.2倍，这对于设防烈度只有

6、7

度的房屋来说显然是不合理的。同时规范还存在着没有提供当梁端采用加强式连接后相应的连接计算方法和公式。关于这一问题，在此次《高钢规》的修订中，正在研究解决。2023/4/2244第四十四页，共175页。

3第三种设计方法（极限承载力设计法）

即用公式

进行连接计算的方法

采用该法的理论根据，就是充分利用焊缝的极限抗拉强度远高于钢材的屈服强度的这一特性。当框架梁在强震作用下，梁端钢材屈服出现塑性铰后，只要梁端连接焊缝的极限抗弯承载力能够抵抗梁截面塑性弯矩的

1.2

倍，即可认为满足强震要求。

从概念上来讲，这种思维方法好像有些道理，但这里面要涉及两个问题。一是，其计算假定是否与实际应力图形相符，二是，计算公式中所隐含的的取值是否符合实际。2023/4/2245第四十五页，共175页。

为了检验用公式是否能抗大震的问题，特取《高钢规》中、最具有代表性的梁柱栓焊连接节点（见下页）来加以讨论。2023/4/2246第四十六页，共175页。2023/4/2247第四十七页，共175页。

由于图

8.3.3(a)

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。这种作法，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：2023/4/2248第四十八页，共175页。

其一，就凭直觉，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。则其梁端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，则焊缝的抗弯承载力只有框架横梁抗弯承载能力的

75%

左右。2023/4/2249第四十九页，共175页。

很显然，像这种比等强连接还低，连非抗震结构就很难被人接受的连接节点，却用在本比非抗震结构要求更高的抗震结构上，这就违背了在抗震设计中必须遵循的强柱弱梁、强节点弱杆件的基本原则。2023/4/2250第五十页，共175页。

其二，从理论上讲，其节点连接的计算公式与节点的具体作法,在梁腹板中所产生的应力图形严重不符。如下图所示：2023/4/2251第五十一页，共175页。2023/4/2252第五十二页，共175页。

其三即使采用这一与实际弯曲应力图形严重不符的公式，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：2023/4/2253第五十三页，共175页。

如以

Q345

钢，E50

焊条为例梁翼缘坡口焊缝的极限抗弯承载力：

(即式中的屈服强度按规程规定取最小值)。

由上式常用截面翼缘的只有全截面的70%~80%

如考虑高空焊接的不利影响后则：

2023/4/2254第五十四页，共175页。事实上,式中的是波动的（如下表所示）

不应采用最小值2023/4/2255第五十五页，共175页。所以应符合下述规范中的有关规定

《高钢规》的有关规定《抗震规》的有关规定2023/4/2256第五十六页，共175页。

按最不利考虑，应采用

来计算梁翼缘坡口焊缝的极限抗弯承载力，则：

如考虑高空焊接的不利影响后则：

2023/4/2257第五十七页，共175页。

但在《高钢规》中对于这样的弱节点不但没有作出应加强连接方面的有关规定和作法。相反却作了

“在柱贯通型连接中，当梁翼缘用全熔透焊缝与柱连接并采用引弧板时，式将自行满足”

的规定。事实上经过前面的论证，这个结论是不成立的，起到了误导的作用。这种节点一旦在工程中使用(事实上这种节点已在实际工程中用了不少)，这就埋下了在大震时，当框架梁尚未进入塑性之前，其连接焊缝就会过早发生脆性破坏的隐患。2023/4/2258第五十八页，共175页。

也正是这种弱节点在

1994

年的美国北岭地震和

1995

年的日本阪神地震中破坏最为严重，且破坏时毫无塑性发展的迹象。其根本原因就是因为连接焊缝的抗力严重不足、焊缝所受的弯曲应力过高而造成的脆性破坏。(下图为

1994

年，美国北岭地震中梁柱焊接连接处的失败模式。)

2023/4/2259第五十九页，共175页。2023/4/2260第六十页，共175页。

由此也可引伸到“钢梁与箱形柱”在工厂的全焊接节点，由于箱形柱的壁板不能有效的传递梁腹板的塑性弯矩，其实质与上述节点作法的受力情况基本上是差不多的。因此“钢梁与箱形柱”在工厂的全焊接节点，应采用梁端加强式的作法，才有利于抗大震。如下图所示：2023/4/2261第六十一页，共175页。

当采用如右图所示的加强式连接后，其塑性铰必然外移，梁腹板上的塑性弯矩，可通过图中所示的力线传递给梁的翼缘加强板。从而就可实现梁端腹板与柱的连接只考虑传递剪力、不考虑传递弯矩的假定。

2023/4/2262第六十二页，共175页。梁端上、下翼缘用盖板加强后试验的破坏模式2023/4/2263第六十三页，共175页。梁端上翼缘加盖板下翼缘加腋后试验的破坏模式2023/4/2264第六十四页，共175页。

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：2023/4/2265第六十五页，共175页。2023/4/2266第六十六页，共175页。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,

HandbookofStructuralSteelConstructionDesignand

Details

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。为防止焊缝破坏和避免柱翼缘板层状撕裂，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(式中）。在梁端所产生的弯曲应力应满足公式的要求。

或2023/4/2267第六十七页，共175页。

将我国(仅指第一阶段)与美国设计手册的计算公式进行比较：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:

或也可表达为：或由于焊缝的大于梁截面的,塑性铰必然外移，其表达式必然为:美国为：取第一项比较：美国/我国2023/4/2268第六十八页，共175页。

前面曾经谈到的“第三种设计计算方法”，理念虽然可取，但如何解决能使塑性阶段的计算结果既安全又能使与弹性阶段的计算结果协调一致?答案是肯定的，请看:

1)

设在弹性阶段对“加强型”节点承载力的表达式为式中：—在柱面处，连接的抗弯承载力设计值。

—等截面梁端的抗弯承载力设计值。—在预计塑性铰处的剪力设计值。

—梁在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的

剪力设计值。—梁的净跨。

—塑性铰至柱面的距离。

2023/4/2269第六十九页，共175页。2)

设在塑性阶段，对“加强型”节点承载力的表达式为式中：

—基于极限强度为最小值时的连接受弯承载力。—基于极限强度

为最小值，并根据强屈比

所对应的屈

服强度取

时的梁构件全塑性受弯承载力。

—根据所选钢材采用不同强屈比时的连接系数。—在塑性铰处的剪力。

—梁的净跨。—梁在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端剪力标准值。—塑性铰至柱面的距离。2023/4/2270第七十页，共175页。

a

为了解决采用塑性公式

和与采用弹性公式

所计算出来的结果相同，当节点采用焊接时，可利用弹性阶段计算公式求出焊缝所需的抗弯模量与塑性阶段公式和所用钢材的不同强屈比求出的焊缝抗弯模量彼此相同时,就可求出式中的连接协调值。也可将连接焊缝所需的弹性抗弯模量,表达为与梁截面塑性模量的倍数关系。从而就可彻底解决在两个阶段采用不同计算方法时，所产生的“不协调”现象。同时也可在焊接节点中,只需选用以上两种计算方法中的任何一种来进行计算，即可。2023/4/2271第七十一页，共175页。b由于

因此可将小震阶段的算式

变换为:

或

再将等式两边同乘以1.1后可得如下的塑性公式：

取

则

...............(1)2023/4/2272第七十二页，共175页。c将钢材的强屈比

,

即

代入强震下的公式

后得:………（2）

2023/4/2273第七十三页，共175页。

d

取弹性阶段的

=

塑性阶段的

即

得

………(3)即在塑性阶段，当验算连接的承载力时，算式

中的不得小于所用钢材强屈比的倍。外加一项2023/4/2274第七十四页，共175页。

如对Q345钢当中的用，中的用

时,

则

中的

应为

对Q235钢当中的用，中的用时,

则

中的

应为

所以在《高钢规》中将取为

是很不安全的．2023/4/2275第七十五页，共175页。4为确保梁端塑性铰的形成需采取的构造措施

在这方面，目前很多国家仍在不断的研究改进，且其主攻方向可归纳为：1)提高焊接工艺，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。这些都是我们值得吸取的有益经验。由此至少可以得到以下启示:2023/4/2276第七十六页，共175页。根据我国抗震规范在多遇地震阶段节点设计中有关规定和推论，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：2023/4/2277第七十七页，共175页。梁端加强式作法之二2023/4/2278第七十八页，共175页。梁端加强式作法之三2023/4/2279第七十九页，共175页。梁端加强式作法之四2023/4/2280第八十页，共175页。梁端加强式作法之五2023/4/2281第八十一页，共175页。梁端加强式作法之六2023/4/2282第八十二页，共175页。梁端削弱式

作法之一

2023/4/2283第八十三页，共175页。

梁端削弱式

作法之二

作法之三

2023/4/2284第八十四页，共175页。4.1梁端加强式的连接计算

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。因塑性铰外移后，梁腹板上塑性弯矩可由下图的传力途径来实现。(

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）。2023/4/2285第八十五页，共175页。塑性铰外移后梁腹板上塑性弯矩的传力途径2023/4/2286第八十六页，共175页。

图中盖板长度

及

的由来根据国外资料介绍，在非线性阶段侧焊缝的性能要比端焊缝的性能好很多，故在板尾无端焊缝。对于Q235

钢：

当

时：（取）

当时：（取）

当时：（取）

当时：（取）2023/4/2287第八十七页，共175页。对于

Q345

钢

当时：（取）当时：（取）当时：（取）当时：（取）2023/4/2288第八十八页，共175页。梁端翼缘加强板的计算简图2023/4/2289第八十九页，共175页。翼缘板加强后，其板宽的计算公式

式中:

(式中见前4页)1)当梁腹板与柱的连接只抗剪时,其加强板的截面积2)当梁腹板与柱的连接既抗剪又抗弯时,其加强板的截面积或2023/4/2290第九十页，共175页。梁端翼缘加强板的算例

设有一梁截面为

H—，柱截面为

□—

，梁净跨为,恒载活载引起的梁端剪力设计值为钢材牌号为,材料强度为：2023/4/2291第九十一页，共175页。

设塑性铰距梁端的距离:

梁截面的弹性模量：(可从手册中查得

)

1)如图,其梁腹板与柱的连接只考虑抗剪其加强板的截面积

2023/4/2292第九十二页，共175页。

设取盖板宽为

厚度为(取)

附：如采用加宽翼缘板方案（）梁翼缘每侧加的板宽为:(取)2)当梁腹板与柱的连接既抗剪又抗弯时,其加强板的截面积取盖板宽：厚度为：2023/4/2293第九十三页，共175页。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。虽然其焊缝金属比较少，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。2023/4/2294第九十四页，共175页。盖板端部与柱翼缘连接的坡口焊缝2023/4/2295第九十五页，共175页。

设计人员无论采用哪一种构造，都必须考虑节点区的热量输入和残余应力的不利影响。为了限制节点区过度的热量输入。其焊缝最大总厚度必须控制在2

倍梁翼缘厚度或柱翼缘的厚度之内。2023/4/2296第九十六页，共175页。

关于下翼缘盖板:宜取与之较大者。根据地震后考察结构破坏的情况来看，其破坏部位均发生在梁下翼缘与柱的焊缝连接处。这一现象说明，混凝土楼板参与了梁的部分工作，使钢梁的中和轴上移，下翼缘力臂加大，受力比上翼缘不利。故加大下翼缘盖板的宽度，一是可使下翼缘的受力得到改善。二是也便于工地俯焊。

注:1）所求得的盖板厚度不宜大于梁翼缘板的厚度;

2）其焊缝最大总厚度必须控制在2倍梁翼缘厚度或柱翼缘的厚度之内。2023/4/2297第九十七页，共175页。抗震设防的抗侧力体系中的框架柱在框架的任一节点，柱截面的塑性抵抗矩和梁截面的塑性抵抗矩应满足下式的要求现行《抗震规》对采用等截面梁的标准型梁柱连接的计算公式

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；8

度时取

1.05；9

度时取

1.152023/4/2298第九十八页，共175页。2）修订中的《高钢规》对采用等截面梁的标准型梁柱连接拟采用的计算公式

修订中的《高钢规》对塑性铰外移的加强型梁柱连接节点，拟增加的计算公式）式中：1.1

—考虑材料的应变硬化效应。—考虑材料实际屈服强度的提高系数。

（或1.2

）2023/4/2299第九十九页，共175页。4.2梁端削弱式的连接计算2023/4/22100第一百页，共175页。

1)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）。2023/4/22101第一百零一页，共175页。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。2023/4/22102第一百零二页，共175页。

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：2023/4/22103第一百零三页，共175页。梁端削弱式连接的计算简图2023/4/22104第一百零四页，共175页。犬骨式削弱深度

C

的计算公式削弱处的弯矩设计值

……………(1)使柱面处的弯矩设计值为

…………..(2)式中:将式(2)改为……..(3)

取(3)=(1)即可得:2023/4/22105第一百零五页，共175页。

4.3

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：2023/4/22106第一百零六页，共175页。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。2023/4/22107第一百零七页，共175页。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。2023/4/22108第一百零八页，共175页。梁端加强式与犬骨式相结合的作法之一2023/4/22109第一百零九页，共175页。梁端加强式与犬骨式相结合的作法之二2023/4/22110第一百一十页，共175页。梁端加强式与犬骨式相结合的作法之三2023/4/22111第一百一十一页，共175页。加强与削弱式相结合的计算简图2023/4/22112第一百一十二页，共175页。1)

加强与削弱并用时，其翼缘的削弱深度c计算2023/4/22113第一百一十三页，共175页。削弱处的弯矩设计值:

……………(1)使柱面处的弯矩设计值为:

…………..(2)式中:，将(2)改为:………..(3)

取(3)=(1)即可得:2023/4/22114第一百一十四页，共175页。2)

加强与削弱并用时，其加强板的计算

a)当梁腹板与柱的连接只抗剪时,其加强板的截面积b)当梁腹板与柱的连接既抗剪又抗弯时,其加强板的截面积或2023/4/22115第一百一十五页，共175页。梁端加强式与犬骨式相结合的的算例

（设计条件同前例，

腹板连接只抗剪时

）2023/4/22116第一百一十六页，共175页。1)

加强与削弱并用时，梁翼缘削弱深度的c值计算取塑性铰距梁端的距离:在可能发生塑性铰处的剪力设计值:

附:如梁的上翼缘单纯的采用削弱方式时2023/4/22117第一百一十七页，共175页。2)加强与削弱并用时，其增强盖板的截面积a)当梁腹板与柱的连接只抗剪时,其加强板的截面积

取盖板宽：则b)当梁腹板与柱的连接同时抗剪抗弯时,加强板的截面积

取盖板宽：则2023/4/22118第一百一十八页，共175页。梁端与柱不同连接方法(加强与削弱)的结果比较2023/4/22119第一百一十九页，共175页。4.4梁腹板与柱间采用高强度螺栓连接时的计算1)

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。2023/4/22120第一百二十页，共175页。

2)在大震阶段，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，，为钢材的抗拉强度最小值）为一个高强度螺栓的极限抗剪承载力,其值为

2023/4/22121第一百二十一页，共175页。值得到进一歩研究的问题

1）现在国外也仍处在研究阶段…….2）前面所提到的一些节点作法，其适用范围都有它的局限性，就拿狗骨式的作法来说,需特别注意在其平面外要加强支撑或隅撑的布置。因此，如将其用在住宅钢结构中，就有些问题。2023/4/22122第一百二十二页，共175页。总结：节点设计的一般规律

1）在非抗震框架结构、带有悬臂段框架梁的工地拼接中，其拼接宜按梁中的实际内力按平面假定进行设计。且拼接的抗弯承载力不应低于梁截面抗弯承载力的

50%。

2）在非抗震框架结构的梁柱刚性连接节点中，其连接宜按梁截面的等强度来设计，除非在某些构造截面中梁的内力与梁截面的内力相差很大时，才按上述第1）条的原则进行连接设计。如下图所示：2023/4/22123第一百二十三页，共175页。2023/4/22124第一百二十四页，共175页。

3）在抗震结构的梁柱刚性连接中，不应采用小于等强度的连接。就是等强度的连接，也只能用在低烈度地区的抗震结构中。在高烈度此区，一定要采用加强式连接或犬骨式连接。如下图所示：2023/4/22125第一百二十五页，共175页。2023/4/22126第一百二十六页，共175页。2023/4/22127第一百二十七页，共175页。4）在抗震框架结构、带有悬臂段框架梁的工地拼接中，对于全栓拼接的节点可置于塑性区段之内。但对于全焊或栓焊拼接的连接节点应置于塑性区段之外，但为了便于运输，其悬臂段又不能太长，故宜将拼接点放在十分之一跨长和两倍梁高塑性区段之外的附近，且此时，其拼接的承载力宜按梁截面的等强度来设计，如下图所示。2023/4/22128第一百二十八页，共175页。带有悬臂段框架梁的工地拼接

（在抗震结构中，梁端应局部加宽）2023/4/22129第一百二十九页，共175页。5

关于支撑与框架的连接及支撑的拼接

现行《抗震规》给出的拼(连)接计算公式为:我认为该公式右边的式子从概念上來讲，是错误的。因为中心支撑的延性，是靠支撑毛截面整根长度在大震时发生屈服来完成。而不是靠螺栓孔截面处仅仅孔径长的极小一段屈服来实现的。因此正确的计算公式应该是：2023/4/22130第一百三十页，共175页。式中:—节点连接(或拼接)的安全系数，可根据采用不同

的拼(连)接方式而异，但最小不应小于

1.2。—支撑构件的毛截面面积—钢材的屈服强度，正如前面曾谈到的，由于

是波动的，不应取最小值，而应根据《高钢规》和《抗震规》中，“

钢材的抗拉强度与屈服强度实测值的比值不应小于1.2

”，即：，由此得将其代入式后则得即：当用螺栓拼（连）接时的拼（连）接板当用焊接拼（连）接时的拼（连）接板2023/4/22131第一百三十一页，共175页。

如采用《抗震规》给出的的拼(连)接计算公式

:来计算、并按规范的规定，将式中的取钢材屈服点的最小值，必然存在着弱连接的问题。试看，设支撑斜拉杆用

Q235

钢，则，将其代入式,得：

即：2023/4/22132第一百三十二页，共175页。

结果表明，其支撑连接板或拼接板的截面积，只要有75%

的支撑净截面面积就可满足抗大抗震的要求。比一般人们常用的等强连接少了25%的截面积。这太不可思议了。再对比前面

的计算结果就太不安全了。2023/4/22133第一百三十三页，共175页。再对比在多遇地震阶段，按表达式

设计支撑拉杆的连接时，其支撑连接板的承载力调整系数，支撑杆的。在设计连接板时所取的内力设计值，就应是支撑杆内力设计值的

倍。当其应力比为

1.0

时，则支撑连接板所需的截面积就应是杆件截面积的

1.06

倍。（应当取应力比为1.0时的情况来计算，因只有应力比超过1.0后，其钢拉杆才会屈服产生非线性的拉伸变形而产生延性）。2023/4/22134第一百三十四页，共175页。

此外，还应注意到《高钢规》图8.7.2

所介的全栓拼接作法（如下页的图示），我认为它只能用于非抗震的中心支撑和抗震的偏心支撑，而不能用于抗震的中心支撑。由于中心支撑的良好延性，是靠支撑在大震时发生屈服来实现的。因此支撑杆的本身必须要满足下式的要求：

根据《高钢规》和《抗震规》中，钢材的抗拉强度与屈服强度实测值的比值不应小于

1.2

的规定，如取

代入式后，

则为：由此可得2023/4/22135第一百三十五页，共175页。2023/4/22136第一百三十六页，共175页。

根据统计，在全栓拼接中，被连接支撑扣除螺栓孔后的净截面面积与其毛截面面积之比多在

0.73~0.83

之间。

即这说明在抗震的全栓拼接中心支撑中，如其受拉支撑在地震作用下，在支撑尚未屈服之前，就将首先在支撑螺栓孔的净截面上发生断裂破坏。

因此在抗震结构中，其中心支撑在工地不宜采用全栓拼接，而尽可能改用焊接。2023/4/22137第一百三十七页，共175页。

6

相关的构造要求

为了实现“小震不坏，大震不倒“的设计目标。除了前面讲述的内容之外，还应注意：如何合理的选用钢材的牌号、如何根据不同工程的设计内容选用适合其结构计算内容要求的软件、以及在大震下，当梁端出现塑性铰后，如何充分利用钢材的延性來耗散地震能量而必須要满足下面与之有关的一些构造要求：2023/4/22138第一百三十八页，共175页。6.1

对结构钢材的材质要求:

多、高层钢结构的选材，应根据结构的重要性与工作条件、抗震与非抗震的荷载特征、连接构造与钢材厚度等因素综合考虑。合理的选用钢材的牌号。

关于建筑结构钢和桥梁用结构钢的牌号，统一由代表屈服点的汉语拼音字母

Q

、厚度

t≤16mm

时钢材屈服点的下限值

和质量等级符号（A、B、C、D、E）等三个部分按顺序组成。其中碳素结构钢（Q235）在质量等级符号后面还要加上脱氧方法符号共四个部分组成。

为了将桥梁用钢与建筑用钢相区别，在屈服点值后面另加汉语拼音符号

q

。2023/4/22139第一百三十九页，共175页。

质量等级符号

A、B、C、D、E

系分别表示不要求冲击试验、冲击试验温度为、、、。如系表示屈服强度为，且不要求做冲击试验的钢材。

系表示屈服强度为，且要求具有冲击韧性的桥梁钢。

现将在建筑钢结构中，规范推荐使用的钢材牌号分述如下：2023/4/22140第一百四十页，共175页。1)

《碳素结构钢》(

GB／T700-88)中的

钢，共分

A、B、C、D

四个质量等级。

A、B

级钢按脱氧方法可分为沸腾钢(符号

F

)、半镇静钢(符号

b)或镇静钢(符号

Z

)。

C级钢为镇静钢；D

级钢为特殊镇静钢(符号TZ

)；脱氧方法符号中的Z和TZ在牌号中可省略不注。（据了解，现在基本上已不生产半镇静钢。沸腾钢也很少生产，如要订货，价格反而比镇静钢还贵，故均不宜采用。这样一来前面所说的结构钢的牌号在一般情况下，只需注写前三个组成部分。）2023/4/22141第一百四十一页，共175页。在钢中，除

A

级以外的其它等级，其化学成分和力学性能生产厂有试验数据均能保证，故不需要再提出附加保证条件。

级钢能保证力学性能，可附加保证冷弯，但不附加保证冲击值；在化学成分中不保证碳、锰的含量(不作为交货条件)，故不宜用于焊接承重结构。

2)《低合金高强度结构钢》(GB／T1591—94)中的

Q345、Q390

和

Q420

钢。其中使用最多亦比较成熟的是

Q345

钢。Q390

钢、Q420

钢是新列入的高强度钢，低合金结构钢不能生产沸腾钢(怕合金元素在钢水沸腾时逸出)，故全部为镇静钢。2023/4/22142第一百四十二页，共175页。3)

《高层建筑结构用钢板》(YB4104—2000),这是最近为高层钢结构或其他重要建(构)筑物用钢板制订的行业标准，其钢板的牌号是在屈服点数值后面加上代表高层建筑的汉语拼音字母

(GJ)，

接着是质量等级符号

(C、D、E)，如

Q345GJC；如对厚度方向的性能也有所要求的钢板，则在质量等级符号之前还要加上厚度方向的性能级别，例如。Z字后面的数字为截面收缩率的指标(%)。2023/4/22143第一百四十三页，共175页。4)

当工作条件需要时应采用的耐候钢

当处于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢。我国现有国标有：《高耐候性结构钢》(

GB／T4171—1984)

和《焊接结构用耐候钢》(GB／T

4172—1984)，耐候钢的强度级别与常用的建筑结构钢基本一致，技术指标也相近，但其抗腐蚀能力却高出

2-4

倍。2023/4/22144第一百四十四页，共175页。2023/4/22145第一百四十五页，共175页。2023/4/22146第一百四十六页，共175页。

以上两页资料摘自崔佳魏明钟赵熙元

但泽义编著的《钢结构设计规范理解与应用》中国建筑工业出版社2004年3月第一版2023/4/22147第一百四十七页，共175页。6.2

对钢结构设计计算软件的性能要求应充分了解计算软件编制的技术条件

举一实际工程，由于其计算内容与计算软件的技术条件不相符，而影响到危及工程及人身安全的设计事例。(下表为

SATWE软件中的技术条件之一

)2023/4/22148第一百四十八页，共175页。2023/4/22149第一百四十九页，共175页。2023/4/22150第一百五十页，共175页。2023/4/22151第一百五十一