浅谈高层钢结构梁柱节点形式

摘 要：连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一节点设计应符合抗震设计准则即“强节点弱构件”、“强焊缝弱钢材”在结构分析前必须对节点的形式有充分思考与确定，避免出现最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式完全不一致。连接节点按传力特性不同节点分刚接、铰接和半刚接连接，节点的不同对结构产生很大的影响。

关键词：钢结构，节点设计，连接方法

中图分类号：TU291文献标示码：A

一、引言

钢结构与其他材料相比，具有强度高、自重轻、塑性和韧性好、装配化程度高、施工方便、周期短、施工不受季节限制、承受动荷载的性能较好、移动灵活、密闭性好、建筑垃圾少、坏境污染小、气候干燥时钢结构养护工作量少等优点。这些优点使纲结构不仅适用于大城市常见的生产用厂房、仓库及辅助设施等工业建筑，商场、旅馆、展览馆、医院、办公大楼等商业建筑，私有及公有社区活动中心及建筑如学校、体育馆、图书馆、教堂等社区建筑以及综合建筑等方面。也可适用于中小城市的厂房、中小刑的体育建筑、通信建筑、管道建筑，因而应用前景很好。正是因为如此，在经济发达国家的应用比较普遍，不仅大跨度桥梁和建筑、高层建筑等基本上都采用钢结构或钢一混组合结构，中小跨度桥梁和普通建筑也有许多采用钢结构，甚至民用住宅也采用装配式的钢结构。

二、设计原则

在高层钢结构的设计中节点的合理设计是保证结构安全的重要一环，虽然钢材是强度高、延性好的匀质材料，但钢结构构件易于发生屈曲、失稳和脆性破坏，而构件的失稳和脆性破坏又几乎发生在梁柱连接节点区。我国高层建筑钢结构发展的主要问题在于国产化问题、综合经济问题和结构设计问题，而设计问题己严重制约了高层钢结构的发展，不合理的节点设计不仅会造成节点的脆性破坏，而且钢材用量大，人为造成钢结构的造价偏高。在历次地震灾害中，70%以上的钢结构破坏都发生在节点连接，国内的几幢高层钢结构出现的严重质量问题也是连接不当所致。钢结构的变形性能主要取决于节点的连接、设计施工与制作各个环节。节点设计应遵循原则：⒈节点受力明确，减少应力集中，避免材料三向受拉；⒉节点连接设计应采用强连接弱构件的原则，不致因连接较弱而，使结构破坏；⒊节点连接应按地震组合内力进行弹性设计，并对连接的极限承载力进行验算；⒋构件的连接一搬应采用与构件等强度或比等强度更高的设计原则；⒌简化节点构造以便于加工及安装时容易就位和调整。节点设计抗震设计准则：⒈强节点、弱构件，对于框架、支撑等杆件，使节点的承载能力高于构件的承载能力，防止节点的破坏先于构件的破坏，是确保构件整体性的必要条件。但节点又不可过强，应允许地震时梁-柱节点区域的板件能产生一定量的剪切变形，以提高整个框架的延性。⒉强焊缝、弱钢材，构件焊缝的延性，一般均低于被连接板件的钢材延性，“强焊缝、弱钢材”，即要求焊缝的承载力应高于被连接钢材板件的承载力，可以使构件的屈服截面避开焊缝而位于钢板之中，从而提高构件以至整个结构的延性。

三、节点分类

钢结构框架梁柱节点的连接按其受力性能可以分为：刚性连接、铰支连接和介于两者之间的半刚性连接。刚性连接这种构造假定梁柱连接有足够的刚性，能使所连接的构件之间夹角在达到承载能力之前不发生变化的接头，其连接强度应不低于被连接构件的屈服强度。梁柱间无相对转动，连接能承受弯矩。钢框架结构的梁柱连接多按刚性连接设计，主梁与柱的连接具有足够刚度，目前抗侧力框架和梁柱的抗弯连接，均采用刚性方案。梁柱刚性连接的主要构造形式有以下三种：(1)全焊节点，即梁的上下翼缘用全熔透坡口对接焊缝，腹板用角焊缝与柱翼缘连接；(2)全栓接节点，梁的翼缘和腹板通过T形连接件使用高强度螺栓与柱翼缘连接；(3)栓焊混合节点，即梁的上下翼缘通过全熔透坡口对接焊缝与柱翼缘，梁腹板使用高强度螺栓与预先焊在柱翼缘上的剪切板相连接。全焊节点适用于工厂连接，不适用工地连接，而全栓接节点的费用较高，因而栓焊混合节点在多高层建筑钢结构中成为典型的梁柱刚性节点形式。铰支连接这种构造假定结构承受重力荷载时，主梁和柱之间只传递垂直剪力，不传递弯，这种连接可以不受约束的转动。目前，工程中很少采用这种方案，主要是结构的安全性很难保证。半刚性连接这种连接假定梁柱之问可以传递垂直剪力，也能传递部分弯矩。在实际工程中的各种连接形式来看，理想的刚性连接和铰接很难达到，所以钢结构节点的连接除了大部分采用刚性连接外，也有相当一部分也采用半刚性连接。

三种梁柱连接之间的主要区别在于能否保持被连接构件间的连续性，梁端或柱端在强震作用下能否出现塑性区，能否耗散地震输入的能量一即“强节点弱构件”。传统的钢框架分析和设计都假定梁与柱的连接是完全刚性或者理想铰接的。事实上现在实际使用的全部连接均处在全刚性和理想铰接之间，即半刚性连接。近年来，螺栓连接除了螺栓端板连接外，螺栓角钢连接，T型件连接也是半刚性连接的一种常用形式。由于螺栓连接比电焊连接更容易检查和安装，更能适应梁柱在轴线位置上的偏差，但是当连接节点作用的力较大时，连接节点需占据较大的空间并影响建筑线条流畅的美观要求。

四、破坏形式

焊接钢框架节点的破坏，主要表现在梁的下翼缘坡口焊缝处出现各种裂纹，一般是由焊缝根部萌生的脆性破坏裂缝引起的。地震中几种主要的连接破坏形式可归纳为：⒈沿焊接缝金属的边缘破坏；⒉沿柱翼边缘表面附近裂开的剥离破坏；⒊沿腹板端部切角工艺孔开始的梁翼缘的断裂破坏；⒋从柱翼缘穿透柱腹板的断裂破坏；

各国学者通过对节点破坏的原因进行现场调查、室内实验、现场检验，并进行结构响应分析、有限元分析、断裂力学分析等等过后，得出的看法是节点破坏与加劲肋板、补绳板、腹板附加焊缝等无直接关系，而关键问题应是节点本身存在的根本性缺陷所致：⒈焊接金属冲击韧性低；⒉焊缝由于施工质量而存在的缺陷；⒊梁翼缘坡口焊缝出现超高应力；⒋梁的屈服应力比规定的最小值高出很多，节点板域的剪切屈服影响等因素。

我国高层钢结构抗震规范中对节点设计提出如下建议：(1)将梁端翼缘截面局部削弱，确保塑性铰外移；(2)消除衬板的缺口效应方面，采用角焊缝封闭板边缘，以免割除衬板时伤及母材；(3)规定柱加劲肋板至少应与梁翼缘板等厚；(4)翼缘承受弯矩，腹板承受剪力时，当梁翼缘的塑性截面模量小于梁塑性截面模量的70%时，增加腹板连接螺栓列数(≥2)；

五、结论

梁柱节点连接一般都是介于完全刚性和铰接之间，完全刚性连接和完全铰接是不存在的。半刚性连接具有较好的延性，有较强的耗能能力，能抵抗一部分地震荷载，它能克服完全刚性连接的脆性破坏的根源。

参考文献：

[1]李国强:我国高层建筑钢结构发展的主要问题,建筑结构学报,1998.2

[2]陈绍蕃等.钢结构.北京:建筑工业出版,2000

[3]沈祖炎.钢结构基本原理.建筑工业出版社,2001

[4]金生吉.钢结构节点连接的优化设计