鋼結構梁柱節點優化設計的探討

【摘要】近年國內多高層鋼結構發展迅猛，結構類型多樣。本文針對鋼結構體系中的不同連接節點的性能及適應范圍進行了比較分析，結合地震作用下提出了優化節點設計的方法，并提出了節點設計工作中要注意的問題。

【關鍵詞】節點設計 抗震 鋼結構

連接節點是鋼結構能否安全可靠的關鍵，關系到結構在荷載作用下的整體性能以及單個構件的受力狀態。目前鋼結構一般被認為有較好的抗震性能，但如果結構布置和構造上存在缺陷，尤其是連接的不合理亦會造成震害，帶來巨大的經濟損失，甚至危及到生命。因此鋼結構梁柱節點的設計以及施工質量問題就值得我們關注和探討。

一、梁柱節點類型

鋼結構梁柱結合的部分稱為梁柱節點或梁柱連接，它在結構中起到重要作用。在正常使用狀態下，鋼結構梁柱節點將梁與柱連成整體，使結構能夠有效地承受重力、風載等外部荷載。在強烈地震作用下，梁端和節點域產生塑性變形，形成塑性鉸，有效地吸收和耗散能量，使結構能夠做到大震不倒、小震可修。連接節點的力學性能還會影響到結構的整體行為，如結構變形、自振周期、地震反應和結構內力。根據受力變形特征，鋼結構梁與柱的連接可以劃分為以下三類。

（1）剛性連接。梁柱間無相對轉動，連接可以承受彎矩和剪力。這種連接節點的彈性剛度大于或等于構件的彈性剛度。習慣上，若連接轉動約束達到理想剛接的90%以上就認為是剛性連接。

（2）鉸支連接。梁柱間有相對轉動，連接不能承受彎矩和剪力。該節點的剛度遠遠小于構件的剛度，在計算時可以認為等于零。通常當梁柱軸線夾角的改變量達到理想鉸接的80%時就認為是鉸接。

（3）半剛性連接。梁柱間有相對轉動，能承受剪力和一定的彎矩，具有一定的剛度。剛度和強度介于鉸接和剛接之間。

結構設計中習慣的做法是把連接當成理想剛接或者鉸接，這樣做能夠使計算大大簡化，得到的計算結果必然與實際存在偏差。目前，主要通過采用調整系數來減少這種偏差。

二、節點構造做法及特點

1.高強度螺栓連接：多層及高層鋼結構要承受風荷載的反復作用和地震的往復作用，梁柱節點應采用摩擦型高強度螺栓，不得采用承壓型螺栓連接。螺栓連接由于安裝簡單迅速，便于維護和加固，廣泛用于橋梁結構、工業與民用建筑鋼結構的連接中。

2.全焊型連接：焊接連接時疲勞敏感，焊接結構的低溫冷脆問題比較突出，產生焊接殘余應力和變形，對結構工作產生不利影響，除因受力復雜，接頭剛度大或施焊不便的安裝接頭不宜采用焊接外，可廣泛用于工業與民用建筑鋼結構中。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，設計時應注意選擇合適厚度的節點板。節點域的塑性轉動過大會增加框架的水平位移，對框架的整體受力不利。在施工時應保證對接焊縫的質量，對接焊縫必須焊透，梁上、蓋板與柱對接焊縫的質量對梁柱剛性連接的滯回性能有很大的影響。下翼緣的焊接引弧板如果留在構件上應將其與柱焊接，最好跟梁翼緣也焊在一起，以減小對接焊縫未焊透對梁柱連接受力的不利影響。

3.摩擦型高強度螺栓與焊縫形成的混合連接：（1）焊縫的破壞強度高于高強螺栓的強度，抗滑極限強度，其比值宜控制在1～3之間；（2）不能用于需要驗算疲勞的連接中；（3）施工順序應根據板件的厚度，施焊時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，此時高強度螺栓的強度應計算焊接影響，作一定的折減；（4）在靜力荷載作用下，摩擦型高強度螺栓可以和側角焊縫共同作用。施工時一般采用先栓后焊的程序，并在設計中考慮溫度影響將高強度螺栓的預拉力予以適當拆減；（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。

三、節點設計基本原則

要實現強節點弱桿件的目標，就必須在梁-柱連接節點設計中，不僅要對罕遇地震時節點的極限承載力進行計算，而且更應該對在常遇地震時彈性設計階段的節點承載力進行計算。

進行鋼結構設計時，在結構分析過程中應想好用哪種節點形式，根據結構構件的選用，按照傳力特征不同，選擇節點分剛接、鉸接還是半剛性連接。

1.在彈性階段，梁祝連接處的抗彎能力必須大于框架梁的抗彎能力，并使二者之比≥K（K為鏈接承載力抗震調整洗漱與框架梁承載力抗震調整系數之比）。防止受大震作用時因梁柱連接處可能存在的某些缺陷導致框架衡量在尚未出現塑性鉸之前，節點連接就過早地發生脆性破壞。

2.在滿足基本原則1后，在彈塑性階段，塑性鉸必然將離開柱面向外移，為此在彈性設計階段就應預測并人為控制塑性鉸的位置，使該位置梁截面最外纖維的最大彎曲應力高于梁柱連接處焊縫的最大彎曲應力，以便在大震時促使框架梁在可能出現塑性鉸的部位，其醫院在高應力下首先曲服，產生塑性變形，行程塑性鉸，已達到耗散地震能量的目的。

為了實現以上兩個基本原則，就必須派出在常規的等截面梁上未加任何加強或削弱就直接與柱連接的做法（不論是全焊接還是栓焊混合連接）。在構造上必須打破常規，才去一些改進措施來滿足以上要求。

四、優化的梁柱節點設計方法

鋼框架結構抗震設計要求“強節點、弱構件”，這種概念是保證節點破壞在構件端部塑性得到充分發展后發生。因此要求節點的鏈接強度（焊縫、螺栓）大于相連構件端部的承載能力，同事節點必須保證足夠的延性。梁柱連接的承載力不僅與鏈接的形式、焊縫的類型、焊縫的尺寸、螺栓的直徑、螺栓數量、螺栓的排列有關，而且與各連接件之間的變形有關。各連接件相對剛度的變化會引起鏈接的破壞形態發生根本性的改變，在分析和設計鏈接時必須嚴格按照設計者的意圖來確定各連接件之間的相對剛度。

狗骨式節點是近年來一種新形式節點，這種節點的最主要特點是梁的翼緣靠近節點處進行了節點削弱。它的設計思想是梁的削弱部分截面能夠改變塑性鉸出現的位置，迫使在極限荷載作用下塑性鉸脆弱的節點連接處，首先出現在梁上，因為經過截面削弱的梁具有很大的延性，即通過削弱梁來保護梁柱節點。狗骨式節點彌補了普通節點塑性區很小這一缺陷，經過對梁進行合理的截面削弱，使較長的梁幾乎同時進入塑性，真正做到增加兩主節點的延性。表面上降低了結構的強度和剛度，但實際上降低很小，在正常結構設計荷載作用下強度和剛度完全滿足要求。只是在地震等超強荷載作用下可能出現不滿足的情況，但恰恰是這個時候突出延性設計的必要性。

在鋼框架結構中，梁柱構件多采用H型截面，狗骨式節點的削弱部分均取在翼緣截面上，根據形狀的不同分為直線型、錐形、圓弧形三種。其中直線型和錐形狗骨式節點施工更加簡便易行、在性能上也較普通節點有很大的改善，但由于削弱部位的橫截面的突然變化造成應力集中，而應力集中是造成結構脆性破壞的重要因素。因此目前主要推薦使用圓弧形。影響狗骨式剛性連接的主要因素是焊縫的類型、尺寸、布置以及梁翼緣削弱的位置和程度。焊縫首先保證在承載過程中連接不會在削弱處行程塑性鉸之前發生脆性斷裂；同時梁翼緣削弱處應盡量光滑避免行程缺陷導致鏈接的失敗。若梁腹板采用摩擦型高強螺栓連接，則螺栓的直徑、排列、以及預拉力也是影響連接的因素，螺栓連接與焊接連接是兩種不同的連接方式，在變形的過程中，兩者相互協調，因此在設計時應綜合考慮二者影響，不孤立分析任何一方面。

五、結語

綜上所述，鋼結構建筑經歷多次強烈地震的考驗，鋼結構的抗震性能遠比混凝土結構優越。但是由于設計特別是構造上的不當，也發生了一些破壞，連接節點的破壞更是比較普遍。因此，節點設計是整個鋼結構設計工作中的重要環節。在傳統的做法上按照力學的原理進行技術上的改良，推陳出新的優化節點設計是非常重要的。