鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)方法探討

張曉霞

1 概述

鋼結(jié)構(gòu)由于具有重量輕、塑性韌性好、制造簡(jiǎn)便、易于采用工業(yè)化生產(chǎn)、施工安裝周期短、抗震性能較好等許多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了快速的發(fā)展。梁、柱節(jié)點(diǎn)是鋼框架中的關(guān)鍵連接部分，連接性能直接影響框架結(jié)構(gòu)在荷載作用下的整體行為。實(shí)際的鋼框架梁柱連接應(yīng)分為三類:剛性連接(具有較高的強(qiáng)度和剛度)、鉸接連接(具有很大的柔性)和半剛性連接(剛度和強(qiáng)度介于鉸接和剛接之間)。通過(guò)學(xué)習(xí)了解到對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)的研究還有很長(zhǎng)的路要走。在工業(yè)建筑物、構(gòu)筑物中，梁柱連接一般均采用剛接節(jié)點(diǎn)，而民用建筑物、構(gòu)筑物中，梁柱連接形式有用剛接節(jié)點(diǎn)的，也有用鉸接節(jié)點(diǎn)的，承受荷載的差異是造成不同連接形式的重要原因之一。對(duì)于民建，梁與柱的連接是采用剛接還是鉸接還需具體情況具體分析，如果做鉸接，鋼梁僅在腹板處采用高強(qiáng)螺栓連接，上、下翼緣無(wú)需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接。這就使得現(xiàn)場(chǎng)安裝程序大為簡(jiǎn)化，現(xiàn)場(chǎng)安裝可以不受天氣及季節(jié)的影響，安裝速度大大提高。此外，在節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件可以標(biāo)準(zhǔn)化。節(jié)點(diǎn)較好處理，只承受剪力，但梁的型號(hào)較大;對(duì)于工業(yè)建筑，梁柱一般是做剛接，這是由于結(jié)構(gòu)承受的荷載一般較大而且還有較大的動(dòng)力荷載。

2 各種連接形式特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)梁柱實(shí)際連接形式可分為螺栓連接、栓焊混合連接、全焊型連接。

2.1 普通螺栓及高強(qiáng)度螺栓連接

2.1.1 普通螺栓

普通螺栓分為A，B，C 3級(jí)，A，B級(jí)為精制螺栓，C級(jí)為粗制螺栓。A級(jí)和B級(jí)螺栓材料的性能等級(jí)為5.6級(jí)或8.8級(jí)，C級(jí)螺栓性能等級(jí)為4.6級(jí)或4.8級(jí)。A，B級(jí)精制螺栓已很少在鋼結(jié)構(gòu)中采用，C級(jí)螺栓用于不直接承受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)中的次要連接，或安裝時(shí)的臨時(shí)固定和可拆卸結(jié)構(gòu)的連接等。A，B級(jí)螺栓，從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，以采用高強(qiáng)螺栓代替較為適宜。

2.1.2 高強(qiáng)度螺栓

1)我國(guó)現(xiàn)有兩種高強(qiáng)度螺栓連接副:扭剪型高強(qiáng)度螺栓連接副和大六角頭高強(qiáng)度螺栓連接副，這兩種高強(qiáng)度螺栓的性能都是可靠的，在設(shè)計(jì)中可以通用。

2)抗剪連接，根據(jù)受力特性不同，又可分為以下形式:a.摩擦型高強(qiáng)度螺栓。為通過(guò)連接板層間的抗滑力來(lái)傳遞剪力，按板層間出現(xiàn)滑動(dòng)作為其承載能力的極限狀態(tài)，適用于重要結(jié)構(gòu)和承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)，以及可能出現(xiàn)的反向內(nèi)力構(gòu)件的連接。其孔徑比公稱直徑大1.5mm～2.0mm。b.承壓型高強(qiáng)度螺栓。以連接板層間出現(xiàn)滑動(dòng)作為正常使用(即在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下)的極限狀態(tài)，配以連接的破壞(螺栓或構(gòu)件破壞)作為其承載能力的極限狀態(tài)，其計(jì)算方法與構(gòu)造要求與普通螺栓相同?？捎糜谠试S產(chǎn)生少量滑移的靜荷載結(jié)構(gòu)或間接承受動(dòng)力荷載的構(gòu)件，當(dāng)允許在某一方向產(chǎn)生較大滑移時(shí)，可采用長(zhǎng)圓孔。當(dāng)為圓孔時(shí)，其孔徑比螺栓公稱直徑大1.0mm～1.5mm。承壓型高強(qiáng)度螺栓適用于容許連接處有微量滑移的承受靜力荷載的結(jié)構(gòu)。

2.2 摩擦型高強(qiáng)度螺栓與焊縫形成的混合連接

這種連接應(yīng)注意以下幾點(diǎn):1)焊縫的破壞強(qiáng)度高于高強(qiáng)栓連接的抗滑極限強(qiáng)度，其比值宜控制在 1～3之間;2)不能用于需要驗(yàn)算疲勞的連接中;3)其施工順序，應(yīng)根據(jù)板件的厚度，施焊時(shí)能否采取反變形措施等具體條件分析決定，一般采用先栓后焊的方式，此時(shí)高強(qiáng)度螺栓的強(qiáng)度應(yīng)計(jì)及焊接影響，作一定的折減;當(dāng)采用先焊后栓且板間又不夾緊時(shí)，宜采用大直徑螺栓，并需將螺栓的抗剪承載力設(shè)計(jì)值乘以折減系數(shù);4)在靜力荷載作用下，摩擦型高強(qiáng)度螺栓可以和側(cè)角焊縫共同作用。在直接承受動(dòng)荷載作用的連接中，則不能用這種連接，施工時(shí)一般采用先栓后焊的程序，并在設(shè)計(jì)中考慮溫度影響將高強(qiáng)度螺栓的預(yù)拉力予以適當(dāng)折減，如乘以0.8，0.96的系數(shù);5)能共同工作的混合連接，其總承載力可按不同連接方式承載力的總和考慮。

2.3 全焊型連接

全焊型連接時(shí)疲勞敏感，焊接結(jié)構(gòu)的低溫冷脆問(wèn)題比較突出，產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形，對(duì)結(jié)構(gòu)工作產(chǎn)生不利影響，除因受力復(fù)雜，接頭剛度大或施焊不便的安裝接頭不宜采用焊接外，可廣泛用于工業(yè)與民用建筑鋼結(jié)構(gòu)中。

全焊型梁柱連接的優(yōu)點(diǎn)及施工時(shí)注意事項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明，全焊型梁柱連接的滯回性能好于栓焊型混合連接，具有較好的塑性變形能力。在全焊型梁柱連接中，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意選擇合適厚度的節(jié)點(diǎn)板。節(jié)點(diǎn)板太強(qiáng)，不僅浪費(fèi)材料，也不能充分利用節(jié)點(diǎn)域的變形能力耗散地震能量;相反節(jié)點(diǎn)板太弱的梁柱連接雖然能發(fā)展相當(dāng)大的塑性變形，但由于梁翼緣難以形成塑性，也限制了節(jié)點(diǎn)的耗能能力。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)域的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)大會(huì)增加框架的水平位移，對(duì)框架的整體受力不利。在這種連接中，梁上、下蓋板邊緣加工后與柱采用葉接焊縫連接，蓋板與梁的連接采用角焊縫，梁腹板與柱連接通過(guò)鋼板或角鋼而連在一起，鋼板或角鋼與梁腹板采用角焊縫連接，鋼板或角鋼與柱采用對(duì)接焊縫連接。在施工時(shí)應(yīng)保證對(duì)接焊縫的質(zhì)量，對(duì)接焊縫必須焊透，梁上、蓋板與柱對(duì)接焊縫的質(zhì)量對(duì)梁柱剛性連接的滯回性能有很大的影響。特別是焊縫與柱翼緣的連接面應(yīng)注意除油除漆，合理安排施工順序。下翼緣的焊接引弧板如果留在構(gòu)件上，應(yīng)將其與柱焊接，最好跟梁翼緣也焊在一起，以減小對(duì)接焊縫未焊透對(duì)梁柱連接受力的不利影響。

3 各種連接形式比較

歐美及我國(guó)廣泛采用的梁柱剛性連接又可分為三類:1)梁端與柱的連接全部采用焊接連接;2)梁翼緣與柱的連接采用焊接連接，梁腹板與柱的連接采用摩擦型高強(qiáng)螺栓連接;3)梁端與柱的連接采用普通 T形連接件的高強(qiáng)螺栓連接。

在以上剛性連接節(jié)點(diǎn)中，全焊連接形式是焊縫連接最充分的，不會(huì)產(chǎn)生滑移。從理論上講，良好的焊縫質(zhì)量和焊接構(gòu)造可以提供足夠的延性，但在實(shí)際施工過(guò)程中存在一定的困難，而且要求對(duì)焊縫進(jìn)行比較嚴(yán)格的探傷檢查。此外，焊接殘余應(yīng)力和殘余變形也給實(shí)際結(jié)構(gòu)帶來(lái)不利影響;高強(qiáng)螺栓連接施工比較方便，但存在接頭尺寸過(guò)大、鋼材消耗較多的現(xiàn)象。目前栓焊連接應(yīng)用較為普遍，工地安裝時(shí)，先用螺栓定位后對(duì)翼緣施焊，具有施工方便的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，其滯回曲線與全焊連接的接近，但是，翼緣焊接對(duì)螺栓的預(yù)拉力有一定的影響，可使螺栓預(yù)拉力降低，因此高強(qiáng)螺栓的實(shí)際應(yīng)力應(yīng)留有余度。梁柱連接節(jié)點(diǎn)的基本設(shè)計(jì)原則:節(jié)點(diǎn)必須能夠完全傳遞被連接板件的壓力(或拉力)、彎矩和剪力等。在強(qiáng)震作用下節(jié)點(diǎn)能夠基于材料的延性，保證結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非彈性變形，即在梁內(nèi)而不是在柱內(nèi)產(chǎn)生塑性鉸，以消耗地震輸入的能量，使節(jié)點(diǎn)免于破壞，并保證結(jié)構(gòu)的整體性使其免于倒塌，即“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的設(shè)計(jì)思想。

4 提高框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的措施

地震區(qū)的剛性連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要滿足多遇地震下彈性狀態(tài)的承載力要求和罕遇地震下彈塑性狀態(tài)的承載力和變形要求。

根據(jù)鋼框架強(qiáng)柱弱梁的抗震設(shè)計(jì)原則，按照有效控制梁上塑性鉸位置的思路，采用在梁腹板進(jìn)行開(kāi)孔削弱的節(jié)點(diǎn)形式促成塑性鉸的形成。結(jié)果表明，采用腹板開(kāi)孔的構(gòu)造形式，可以控制節(jié)點(diǎn)處的塑性鉸形成位置，改變了梁翼緣的應(yīng)力分布、節(jié)點(diǎn)的滯回特性和破壞模式，在嚴(yán)格焊縫工藝的情況下可以使節(jié)點(diǎn)的破壞模式從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榱旱木植壳茐模档土诉B接焊縫發(fā)生脆性破壞的可能性，達(dá)到節(jié)點(diǎn)的破壞位置向梁中偏移的目的，從一定程度上改善了節(jié)點(diǎn)的延性性能。

提高梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的抗震性能是鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。美國(guó)北嶺和日本阪神震害教訓(xùn)表明，為防止梁柱焊接節(jié)點(diǎn)在地震中出現(xiàn)源于焊縫的脆性破壞，設(shè)計(jì)上應(yīng)注意降低節(jié)點(diǎn)焊縫處的應(yīng)力集中，改善焊縫的受力狀態(tài)，設(shè)法利用鋼材的塑性儲(chǔ)備來(lái)吸收地震能量，并根據(jù)抗震設(shè)防要求和地震作用特點(diǎn)選用韌性達(dá)標(biāo)的焊接材料。制造和安裝時(shí)還應(yīng)注意消除節(jié)點(diǎn)焊縫處的各種應(yīng)力集中，通過(guò)加腋和加蓋板對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)，提高節(jié)點(diǎn)承載力;對(duì)梁局部削弱，使塑性鉸從節(jié)點(diǎn)區(qū)外移至梁上;改進(jìn)節(jié)點(diǎn)區(qū)焊接孔構(gòu)造形式，緩解局部應(yīng)力集中;妥善處理弧板和墊板，減少焊縫缺陷。

[1] 張 行.兩種半剛性節(jié)點(diǎn)的有限元分析及對(duì)框架的影響[J].山西建筑，2010，36(5):78-79.