鋼框架梁柱栓焊混合連接計算方法的探討

黃永強(qiáng)， 朱 晶

(1 華東建筑設(shè)計研究總院， 上海 200002； 2 上海超高層建筑設(shè)計工程技術(shù)研究中心， 上海 200002)

0 引言

20世紀(jì)80年代以來，美國在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中推廣翼緣焊接腹板栓接的梁端混合連接[1]，多用于鋼框架梁柱節(jié)點的現(xiàn)場連接。梁端栓焊混合連接形式在我國的鋼結(jié)構(gòu)項目中也廣泛應(yīng)用，《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中均給出了該類節(jié)點的設(shè)計依據(jù)。但我國規(guī)范對于梁柱連接的計算原則經(jīng)歷了幾次比較重大的調(diào)整，如表1所示，表中各參數(shù)含義參見各規(guī)范。

表1中除《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—2015)[2](簡稱15高鋼規(guī))外，《高層民用建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—98)(簡稱98高鋼規(guī))、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2001)(簡稱01抗規(guī))、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(簡稱10抗規(guī))均認(rèn)為彎矩可僅由翼緣承受，鋼梁腹板僅承受剪力。當(dāng)不滿足“強(qiáng)連接弱構(gòu)件”時，需采取梁端加強(qiáng)措施或狗骨式連接。

我國規(guī)范對于梁柱連接的計算原則調(diào)整 表1

15高鋼規(guī)借鑒日本規(guī)范，認(rèn)為鋼框架梁柱連接中，彎矩除由翼緣承受外，還可由腹板承受，并給出了鋼梁腹板承擔(dān)梁端彎矩及腹板配置抗彎螺栓的計算方法。

本文選用工程中常用的梁柱截面形式，鋼梁采用熱軋H型鋼，對15高鋼規(guī)中的梁柱剛接計算方法及98高鋼規(guī)方法進(jìn)行了試算比較，最后通過實例提出了腹板螺栓配置的建議。

1 梁柱節(jié)點的極限承載力設(shè)計

1.1 15高鋼規(guī)的規(guī)定

(1)

式中：Mp為梁的全塑性受彎承載力，加強(qiáng)型連接按未擴(kuò)大的原截面計算；α為與母材牌號有關(guān)的連接系數(shù)。

(2)

梁翼緣連接的極限受彎承載力：

(3)

梁腹板連接的極限受彎承載力：

(4)

(5)

圖1 梁柱剛性節(jié)點

式中hs為剪力板高度。

15高鋼規(guī)中第8.2.3條條文說明中又補(bǔ)充說明01抗規(guī)給出的方法仍可用。01抗規(guī)指出當(dāng)梁翼緣的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70%時，梁腹板與柱的連接螺栓不得少于2列，當(dāng)計算僅需1列時，仍應(yīng)布置2列，且此時螺栓總數(shù)不得少于計算值的1.5倍。

1.2 考慮腹板抗彎的貢獻(xiàn)(15高鋼規(guī))

1.2.1 “強(qiáng)連接弱構(gòu)件”的計算

圖2 梁翼緣局部加寬式連接

梁柱節(jié)點極限抗彎承載力(Q345B， fu=470MPa，α=1.35) 表2

梁柱節(jié)點極限抗彎承載力(Q345GJB， fu=490MPa，α=1.25) 表3

1.2.2 “強(qiáng)剪弱彎”的計算

(6)

式中：ln為梁凈跨；VGb為梁在重力荷載代表值下，按簡支梁分析的梁端剪力設(shè)計值。

考慮了梁腹板的抗彎作用后，腹板承受彎矩區(qū)和承受剪力區(qū)的螺栓數(shù)應(yīng)按彎矩在受彎區(qū)引起的水平力和剪力作用在受剪區(qū)分別進(jìn)行計算，計算時應(yīng)考慮連接的不同破壞模式取較小值，如圖3所示。

圖3 考慮梁腹板抗彎的螺栓配置

(1)腹板抗剪螺栓

計算時鋼梁跨度ln取15倍鋼梁高度。假定鋼框架在兩個方向的跨度相同，板厚取120mm(自重3.0kN/m2)、附加恒荷載SD=2.0kN/m2，活荷載L=4.0kN/m2，則VGb可近似按下式進(jìn)行計算：

VGb=0.6lngb+7ln

(7)

式中g(shù)b為鋼梁自重，kN/m。

(8)

(2)腹板抗彎螺栓

受彎區(qū)螺栓應(yīng)滿足：

(9)

(10)

圖4 連接板破壞模式

為提高腹板螺栓的抗彎效率，加大抗彎中心距，僅采用頂?shù)赘饕慌怕菟箯潯Ｍㄟ^式(8)～(10)可以分別求出腹板受彎區(qū)螺栓數(shù)n1和受剪區(qū)螺栓數(shù)n2。典型H型鋼梁的腹板螺栓配置如表4所示，其中Vwy為框架梁腹板抗剪屈服強(qiáng)度。從表4可以看出，采用15高鋼規(guī)中新的梁柱節(jié)點計算方法，腹板受彎區(qū)需配置的螺栓數(shù)是抗剪螺栓的2倍以上，同時會造成連接板寬度過大。表4中α1和α2分別為：

(11)

(12)

由表4可以看出，受彎區(qū)螺栓數(shù)由螺栓受剪和板件承壓破壞控制，連接板的撕裂和擠穿破壞一般不會發(fā)生。表4中帶*的抗彎螺栓數(shù)為參考日本《鋼構(gòu)造接合部設(shè)計指針》(2012版)[4]第156頁的算例，不考慮15高鋼規(guī)中式(9)中的連接系數(shù)α的計算結(jié)果。相比15高鋼規(guī)，日本《鋼構(gòu)造接合部設(shè)計指針》(2012版)計算方法能使得受彎區(qū)螺栓減少一列。

典型H型鋼梁腹板螺栓配置(Q345B，10.9s高強(qiáng)螺栓，M24) 表4

15高鋼規(guī)在驗算抗彎螺栓時重復(fù)考慮了連接系數(shù)α，使得螺栓數(shù)量增加較多，這也是表中的α1遠(yuǎn)大于1.0的原因。

1.3 不考慮腹板抗彎的貢獻(xiàn)(98高鋼規(guī))

1.3.1 加強(qiáng)翼緣式連接

(13)

1.3.2 狗骨式連接節(jié)點

按照15高鋼規(guī)相關(guān)規(guī)定，一、二級抗震設(shè)計時，梁柱剛接節(jié)點宜采用加強(qiáng)型連接或狗骨式連接。狗骨式連接通過削弱梁截面使梁端塑性鉸外移，其構(gòu)造如圖5所示。

圖5 狗骨式連接

加強(qiáng)翼緣式節(jié)點設(shè)計(fu=470MPa，α=1.35，10.9s高強(qiáng)螺栓，M24) 表5

狗骨式連接節(jié)點設(shè)計(fu=470MPa，α=1.35，10.9s高強(qiáng)螺栓，M22) 表6

2 梁柱節(jié)點腹板螺栓的彈性設(shè)計

無論是梁翼緣局部加強(qiáng)式連接或狗骨式連接，不考慮腹板抗彎作用的情況下，按照極限承載力設(shè)計配置的腹板螺栓均較少?？蚣芰焊拱迓菟ǔ龖?yīng)滿足“強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的極限承載力設(shè)計要求外，還應(yīng)同時滿足持久設(shè)計狀況(重力荷載組合)、短暫設(shè)計狀況(風(fēng)荷載組合)及多遇地震設(shè)計狀況下的抗剪承載力驗算。

(14)

式中：k為孔型系數(shù)；nf為摩擦面數(shù)目；μ為摩擦面的抗滑移系數(shù)；P為一個高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力設(shè)計值。

本節(jié)采用翼緣抗彎、腹板抗剪的框架梁柱節(jié)點算法對兩個實際工程中的框架梁進(jìn)行腹板螺栓的配置。工程1，2的典型結(jié)構(gòu)平面布置圖及截面信息如圖6，7所示。

圖6 工程1典型結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖7 工程2典型結(jié)構(gòu)平面布置圖

從計算模型中可以提取出每一根框架梁在重力荷載組合、風(fēng)荷載組合、多遇地震荷載組合下的內(nèi)力、梁的計算跨度、梁在重力荷載代表值作用下的梁端剪力設(shè)計值VGb，根據(jù)第1.3.1節(jié)相關(guān)內(nèi)容，可以得到每一根框架梁在不同工況下所需配置的腹板螺栓數(shù)，如表7所示，表中Ne和Np分別表示腹板螺栓由彈性設(shè)計和極限承載力設(shè)計控制的框架梁根數(shù)。

框架梁截面信息 表7

3 彈性階段與極限承載力設(shè)計方法小結(jié)

(2)Q345GJB的連接系數(shù)α小于Q345B，而極限抗拉強(qiáng)度fu大于Q345B的抗拉強(qiáng)度，故框架梁采用Q345GJB能減小翼緣補(bǔ)強(qiáng)板的寬度，節(jié)約鋼材用量。

(3)采用15高鋼規(guī)中新的梁柱節(jié)點計算方法，節(jié)點設(shè)計過程略復(fù)雜，且腹板受彎區(qū)需配置的螺栓數(shù)是抗剪螺栓的2倍以上，同時會造成連接板寬度過大，建議謹(jǐn)慎使用。

(4)15高鋼規(guī)中的式(8.2.5-1)在驗算抗彎螺栓時重復(fù)考慮了連接系數(shù)α，使得螺栓數(shù)目增加較多，建議取消。

(7)不考慮梁腹板抗彎作用的情況下，按照極限承載力設(shè)計配置的框架梁腹板螺栓較少，尚需復(fù)核結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下梁腹板螺栓的抗剪承載力。對于跨高比較小(L/hb<15)的框架梁，其腹板螺栓通常由極限承載力控制，跨高比較大(L/hb>15)的框架梁，其腹板螺栓通常由彈性設(shè)計控制。

4 思考與討論

4.1 強(qiáng)連接中腹板抗彎的必要性

(1)連接承載力是用鋼材的抗拉強(qiáng)度fu，而構(gòu)件的承載力是用鋼材的屈服強(qiáng)度fy；使得連接的極限承載力對應(yīng)構(gòu)件的塑性承載力，比較的依據(jù)不對等。

(2)未考慮塑性鉸處剪力至梁端的附加彎矩

上述兩點導(dǎo)致了我國規(guī)范中設(shè)計目標(biāo)與設(shè)計結(jié)果的不明確，滿足強(qiáng)連接公式并不意味著梁端不出現(xiàn)塑性鉸。

日本規(guī)范[4]第156頁的算例中，梁的截面為H600×200×12×25，柱的截面為□450×19。在考慮腹板抗彎的貢獻(xiàn)并設(shè)置抗彎螺栓后，雖然節(jié)點區(qū)的截面與構(gòu)件截面尺寸是一致的，沒有任何加強(qiáng)措施。但按照式(1)卻可滿足“強(qiáng)連接弱構(gòu)件”的要求，這也間接說明了式(1)的設(shè)計目標(biāo)不明確。

相反美國規(guī)范AISC 358-16[6]第5章狗骨式連接節(jié)點的開篇就明確了設(shè)計目標(biāo)，即屈服及塑性變形主要發(fā)生在削弱段內(nèi)，也給出了與設(shè)計目標(biāo)相匹配的設(shè)計公式：

Mf=Mpr+VRBSSh≤φdMpe

(15)

Mpr=CprRyFyZRBS

(16)

Mpe=RyFyZx

(17)

式中：Mf為可能的梁端最大彎矩；Mpe為梁端塑性彎矩；φd為延性極限狀態(tài)的抗力系數(shù)；Mpr為狗骨式截面中心處最大彎矩；VRBS為兩端RBS中心處剪力的較大值，由Mpr和重力荷載組合值確定；Sh為塑性鉸到柱邊的距離；Cpr為強(qiáng)度放大系數(shù)；Ry為預(yù)期屈服應(yīng)力與鋼材屈服強(qiáng)度之比；ZRBS為狗骨式截面中心處的梁截面塑性模量；Zx為梁截面塑性模量；Fy為鋼材屈服強(qiáng)度。

美國規(guī)范AISC 358-16中連接承載力是用材料的屈服強(qiáng)度計算，考慮屈服強(qiáng)度的超強(qiáng)系數(shù)Ry及可能存在的節(jié)點超強(qiáng)效應(yīng)(CPR)，考慮了塑性鉸處的剪力至梁端的附加彎矩。

經(jīng)試算，需要考慮腹板的抗彎貢獻(xiàn)才能滿足上述公式。與之相應(yīng)的，美國規(guī)范AISC 358-16規(guī)定了鋼梁腹板與柱翼緣需要坡口全熔透焊，也從構(gòu)造上保證了鋼梁腹板抗彎及抗剪承載力的發(fā)揮。

所以美國規(guī)范AISC 358-16的設(shè)計理念、公式及構(gòu)造存在較強(qiáng)的邏輯性，而這正是中國規(guī)范的不足之處。

4.2 腹板螺栓數(shù)目合理性的判斷

文獻(xiàn)[1]中對腹板螺栓的數(shù)目提出了擔(dān)心：“我國《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》是在1987年底開始編制的,當(dāng)時雖然看到了美國標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)腹板連接的措施,卻未看到日本有類似規(guī)定,對于日本用不同的方法處理腹板抗彎缺乏體會,對于加強(qiáng)腹板連接的必要性缺乏認(rèn)識,因此未將加強(qiáng)措施列入。直到使用過程中,發(fā)現(xiàn)很高的梁腹板連接只有很少幾個螺栓時,才感到不對頭。”筆者認(rèn)為有兩點與此對應(yīng)：

(2)腹板螺栓的設(shè)置與腹板是否參與抗彎緊密相關(guān)。按照15高鋼規(guī)的規(guī)定，不考慮腹板抗彎，只考慮加強(qiáng)翼緣或狗骨式連接就可滿足“強(qiáng)連接弱構(gòu)件”的規(guī)定，那腹板抗彎的必要性就不強(qiáng)，螺栓就可以很少。如果按照美國規(guī)范AISC 358-16的設(shè)計理念，必然要考慮腹板的抗彎，此時腹板螺栓的數(shù)目由抗彎和抗剪雙控，甚至需改用全焊節(jié)點方可。

5 結(jié)論

(1)基于現(xiàn)有的規(guī)范體系，腹板參與受彎的效率低，且需設(shè)置較多的螺栓，建議采用“翼緣僅受彎、腹板僅受剪”的設(shè)計原則簡化設(shè)計流程，優(yōu)先采用加強(qiáng)式翼緣或狗骨式連接，以滿足“強(qiáng)連接弱構(gòu)件”的設(shè)計原則。

(2)腹板螺栓的設(shè)置需進(jìn)行兩階段設(shè)計的復(fù)核，螺栓數(shù)目取包絡(luò)。

(3)當(dāng)按照兩階段設(shè)計法配置的框架梁腹板螺栓數(shù)較少時，建議適當(dāng)增加腹板螺栓數(shù)，可按式(13)承壓型螺栓進(jìn)行配置。

(4)建議《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》進(jìn)一步明確節(jié)點的設(shè)計目標(biāo)，并加強(qiáng)設(shè)計目標(biāo)、規(guī)范公式及節(jié)點構(gòu)造間的邏輯性。