钢结构梁柱节点抗震设计探讨

摘要： 本文通过震害举例，分析了引起梁柱节点破坏的几个原因，论述了

梁柱节点常用的处理方法及其特点并提出了几点建议。

关键词：梁柱节点，抗震设计， 强节点弱杆件， 建议

Abstract: this paper through the earthquake damage for example, analyzes the cause of destruction beam-column joints for several reasons, this paper discusses the methods of dealing with the commonly used beam-column joints and its characteristics and puts forward some Suggestions.

Keywords: beam-column joints, seismic design, strong weak stem a node, the proposal

中图分类号：TU973+.31 文献标识码：A文章编号：

一、前言

近年来，钢结构的应用越来越广泛。建筑钢结构以其卓越的抗震性能，轻质高强和安装方便等特点日益受到人们的青睐,在商场、展厅、大型场馆、多高层及超高层等建筑中日益得到应用，如上海金茂大厦、深圳地王大厦、深圳证券交易所、深圳太平金融大厦等。在多层和高层建筑钢结构的抗震设计中，梁柱刚性连接节点是其中的一个非常重要的组成部分，其设计得是否合理将直接影响到结构的安全及稳定。从以往的震害情况来看，梁柱节点又是破坏多发的部位之一，因此，必须对梁柱节点的设计给予足够的重视。

二、震害举例及原因分析

⑴墨西哥地震

1985年，墨西哥西海岸发生里氏8.1级地震，造成城区内102栋钢结构房屋破坏，震后经调查，钢框架的破坏主要发生在梁柱节点连接处。

⑵美国北岭地震

1994年，美国北岭地震中有100多栋钢结构建筑在梁柱节点处发生了断裂，震后对2066栋钢结构建筑进行考察发现，其中50%在梁柱节点梁端的下翼缘焊缝处有损坏，20%在上翼缘焊缝处有损坏，且断裂发生时梁端翼缘未见明显屈服。

⑶日本阪神地震

1995年，日本阪神地震中大约有988栋钢结构建筑出现不同程度的损坏，其中有90栋房屋倒塌，266栋房屋中度破坏，300栋房屋轻度破坏。经调查，其最常见的破坏形式也是发生在梁，柱翼缘相交的焊缝区，很多节点发生了脆性断裂，出现了显著的变形，甚至丧失了承载能力，但与美国北岭地震不同的是，断裂发生时梁端翼缘已有明显屈服或局部屈曲现象。

从以上几次地震的后果来看，梁柱节点破坏是房屋损坏的重要原因之一，究其原因，主要有以下几点：

① 节点受力不合理

钢框架在水平及竖向荷载的作用下，弯矩极值出现在梁端。即使节点与梁等

强，也是节点区先进入塑性。

② 焊缝金属冲击韧性低

美国北岭地震前，焊缝采用E70T-4或E70T-7自屏蔽药芯焊条，这种焊条对冲击韧性无规定，实验室试件或从实际破坏的结构中取出的连接试件在室温下的试验表明，其冲击韧性往往只有10~15J，这样低的冲击韧性使得连接很容易产生脆性破坏，成为引发节点破坏的重要因素。

③ 焊缝缺陷

由于焊接操作过程中产生的裂纹、欠焊、夹渣及气孔等，这些缺陷都能成为

断裂开展直接断裂的起源。

④ 三轴应力的影响

分析表明，梁柱连接的焊缝变形由于受到梁和柱的约束，施焊后焊缝残留三

轴拉应力，使材料变脆。

⑤ 构造缺陷

由于焊接工艺的要求，梁翼缘与柱连接处设有衬板，实际工程中衬板在焊接

后就留在了结构上，因此在衬板和柱翼缘之间就形成了一条“人工”裂缝，导致裂缝开展。

鉴于以上分析，采用合理的抗震设计方法来改善梁柱节点的抗震性能，以减轻地震灾害的影响将具有十分重要的现实意义。

三、梁柱节点常用处理方法

如今，随着抗震知识的不断完善，新的建筑抗震思想观念不断涌现，针对梁柱节点，“强节点弱杆件”的抗震概念设计思想已经为工程设计人员广泛认知及采纳。在此抗震概念设计思想的指导下，人们提出了以下几种梁柱节点的处理方法，如：1.提高焊缝材料强度、韧性、施工质量和焊接工艺；2.改进焊接工艺孔的形状和尺寸；3.采取适当的构造措施迫使梁端塑性铰外移；在这几种方法当中，以第三种方法最为常用，其具体的做法有：

⑴ 加强式连接：如扩展翼缘型节点（图1）；盖板加强型节点（图2）

⑵ 削弱式连接：如犬骨式节点（图3）；腹板开槽型节点（图4）

图1 图2

图3 图4

现对梁端塑性铰外移的几种做法讨论如下：

① 加强式连接：

包括扩展翼缘型节点和盖板加强型节点，此种处理方式是通过增大梁端及其与钢柱焊接的截面，使梁端及节点承载力高于正常钢梁截面承载力，在地震作用下，加强的梁端及梁柱节点尚未进入全截面塑性受力状态时，接近梁端的正常钢梁截面因刚度较小先形成塑性铰，迫使塑性铰外移，从而起到保护梁柱刚性连接节点的作用。但是在实际的应用中，如果严格按照抗震设计思想的思路来进行设计的话，由于加大了梁端截面，必然导致柱腹板高度需要加高或节点域腹板厚度需要加厚，在整体抗震时不利于节点域发挥其耗能的作用。

② 削弱式连接：

a.腹板开槽型节点：实验和理论研究表明, 腹板上开槽对腹板的削弱和梁的弹性阶段的荷载―位移曲线影响不十分明显, 在此原理下产生此种节点。其设计特点为: 能有效地使梁柱节点在地震作用下的塑性铰外移, 起到保护焊接节点、防止发生脆性破坏的目的; 能够减小梁与柱翼缘焊接焊缝处的应力集中。从而有利于节点抗震性能的发挥, 使节点的破坏模式从原来的焊缝的塑性屈曲破坏转变为梁翼缘板的局部屈曲破坏。这种结构的不足之处也是明显的, 类似狗骨式节点, 也有工艺复杂, 要求精度较高, 在槽型孔底部容易形成应力集中点的问题, 削弱后的腹板在安装过程中易受到外力冲击而发生变形。

b. 犬骨式节点：本方法是利用梁的塑性储备来吸收和耗散地震输入的能量的思想来对节点进行改进的。该方法利用削弱梁截面的方法人为地限定了塑性铰形成的位置和长度, 充分保护了梁柱的焊缝, 使削弱处的梁截面的承载力小于节点处的承载力, 在地震作用下, 塑性铰发生在梁的削弱处, 发生塑性破坏。同时, 使得较长的一段梁可以几乎同时进入塑性。实验表明, 当梁翼缘被削掉50%时, 结构刚度仅降低6% ~ 7%左右; 削弱40%时, 仅降低4% ~ 5% 。狗骨式节点按削弱形状不同分直线型、锥型和圆弧型三种。狗骨型节点被广泛应用在了美国和台湾地区的高层钢结构建筑中, 天津市的国际贸易中心也采用该方式的节点进行设计。该节点也是被看好的新型框架节点。经大量实验表明, 在地震力作用下该节点表现出了良好的延性, 并在规范中被推荐使用。但该节点还是有其不足之处, 主要有以下的几点: 首先, 梁的破坏一般是在梁截面应力最大即截面面积最小的狗骨处发生, 而中间梁段的全截面的承载力并没有被充分利用。对整个梁来说, 它的承载力主要是由狗骨处的小截面决定, 造成了梁中间大截面部分的材料浪费, 经济效益不好。其次, 由于梁截面被削弱, 在一定程度上降低了梁的承载力和刚度, 从而影响了整个框架结构的可靠性。另外, 为了防止在削弱处由于加工不精, 存在缺陷而引起应力集中, 在施工过程中对加工工艺的精度要求很高, 工序复杂,费用高。

四、梁柱节点的设计建议

⑴ 在整体设计阶段，要重视抗震概念设计的思想应用，在整体设计时就要预先考虑到节点的构造做法，看其是否能满足整体设计的假定；在节点设计时，要紧扣规范，规范规定的承载力要求、构造要求必须满足，如梁柱节点的极限受弯、受剪承载力要求Mu 1.2Mp，Vu 1.3Mp/lh且Vu0.58hwtwfy，

这都是实现“强节点弱杆件” 抗震概念设计思想的保证。现在，新的抗震规范已经开始实施，极限承载力的放大系数比以前有所提高，不再局限于1.2。

⑵ 要重视构造措施，制作工艺等对节点性能的影响。如将混合连接上端扇形切角的上部圆弧半径改为lOmm-15mm ，与半径35mm的切角相接;同时，圆弧起点与衬板外侧焊缝间保持lOmm-15mm 的间隔，可以减小焊接热影响区的相互影响；又如采用角焊缝封闭衬板边缘的方法可以消除衬板的缺口效应；再如对于腹板连接较弱的螺栓连接用恰当的角焊缝补强可以改善连接的滞回性能等;

⑶ 在施工方面,由于焊缝的质量是影响刚性连接框架的延性的因素之一,因此,在进行钢结构施工时严格控制施焊顺序以及控制焊接的最高温度等施工细节是十分必要的；另外，重要部位由技术等级高的工人施焊，也是减少梁柱连接焊缝缺陷的一种保证。

⑷ 焊缝及焊接热影响区的缺陷是导致梁柱连接脆性破坏的重要因素。因此设计时应选用韧性比较好的焊条,施工时应保证焊缝质量,尤其是下翼缘施焊的质量,注意施焊顺序,控制焊接时的最高温度。对于难以施焊处应采用熔化咀电渣焊。

五、结语

随着钢结构在大型公共建筑，高层建筑，超高层建筑中的应用日益广泛，梁柱节点（包括其它节点）的合理设计对建筑的安全性、经济性、可操作性将产生重要的影响，我们必须从连接方式、构造、材料及施工工艺等方面综合考虑以达到预期的目标！

参考文献

⑴ GB 50011-2010 建筑抗震设计规范 中国建筑工业出版社

⑵ JGJ 99-98 高层民用建筑钢结构技术规程中国建筑工业出版社

⑶ GB50017-2003 钢结构设计规范中国计划出版社

⑷《多高层建筑钢结构设计》 李国强 编著中国建筑工业出版社

⑸ 傅恒.多层和高层钢结构节点抗震设计中国科技信息

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。