鋼框架梁柱栓焊混合連接計算方法的探討

黃永強， 朱 晶

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

0 引言

20世紀80年代以來，美國在高層建筑鋼結構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點的現場連接。梁端栓焊混合連接形式在我國的鋼結構項目中也廣泛應用，《高層民用建筑鋼結構技術規程》和《建筑抗震設計規范》中均給出了該類節點的設計依據。但我國規范對于梁柱連接的計算原則經歷了幾次比較重大的調整，如表1所示，表中各參數含義參見各規范。

表1中除《高層民用建筑鋼結構技術規程》(JGJ 99—2015)[2](簡稱15高鋼規)外，《高層民用建筑結構技術規程》(JGJ 99—98)(簡稱98高鋼規)、《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2001)(簡稱01抗規)、《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)(簡稱10抗規)均認為彎矩可僅由翼緣承受，鋼梁腹板僅承受剪力。當不滿足“強連接弱構件”時，需采取梁端加強措施或狗骨式連接。

我國規范對于梁柱連接的計算原則調整 表1

15高鋼規借鑒日本規范，認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高鋼規中的梁柱剛接計算方法及98高鋼規方法進行了試算比較，最后通過實例提出了腹板螺栓配置的建議。

1 梁柱節點的極限承載力設計

1.1 15高鋼規的規定

(1)

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

(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 梁柱剛性節點

式中hs為剪力板高度。

15高鋼規中第8.2.3條條文說明中又補充說明01抗規給出的方法仍可用。01抗規指出當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，當計算僅需1列時，仍應布置2列，且此時螺栓總數不得少于計算值的1.5倍。

1.2 考慮腹板抗彎的貢獻(15高鋼規)

1.2.1 “強連接弱構件”的計算

圖2 梁翼緣局部加寬式連接

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

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

1.2.2 “強剪弱彎”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計值。

考慮了梁腹板的抗彎作用后，腹板承受彎矩區和承受剪力區的螺栓數應按彎矩在受彎區引起的水平力和剪力作用在受剪區分別進行計算，計算時應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可近似按下式進行計算：

VGb=0.6lngb+7ln

(7)

式中gb為鋼梁自重，kN/m。

(8)

(2)腹板抗彎螺栓

受彎區螺栓應滿足：

(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，僅采用頂底各一排螺栓抗彎。通過式(8)～(10)可以分別求出腹板受彎區螺栓數n1和受剪區螺栓數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度。從表4可以看出，采用15高鋼規中新的梁柱節點計算方法，腹板受彎區需配置的螺栓數是抗剪螺栓的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，受彎區螺栓數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生。表4中帶*的抗彎螺栓數為參考日本《鋼構造接合部設計指針》(2012版)[4]第156頁的算例，不考慮15高鋼規中式(9)中的連接系數α的計算結果。相比15高鋼規，日本《鋼構造接合部設計指針》(2012版)計算方法能使得受彎區螺栓減少一列。

典型H型鋼梁腹板螺栓配置(Q345B，10.9s高強螺栓，M24) 表4

15高鋼規在驗算抗彎螺栓時重復考慮了連接系數α，使得螺栓數量增加較多，這也是表中的α1遠大于1.0的原因。

1.3 不考慮腹板抗彎的貢獻(98高鋼規)

1.3.1 加強翼緣式連接

(13)

1.3.2 狗骨式連接節點

按照15高鋼規相關規定，一、二級抗震設計時，梁柱剛接節點宜采用加強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，其構造如圖5所示。

圖5 狗骨式連接

加強翼緣式節點設計(fu=470MPa，α=1.35，10.9s高強螺栓，M24) 表5

狗骨式連接節點設計(fu=470MPa，α=1.35，10.9s高強螺栓，M22) 表6

2 梁柱節點腹板螺栓的彈性設計

無論是梁翼緣局部加強式連接或狗骨式連接，不考慮腹板抗彎作用的情況下，按照極限承載力設計配置的腹板螺栓均較少。框架梁腹板螺栓除應滿足“強節點弱構件”的極限承載力設計要求外，還應同時滿足持久設計狀況(重力荷載組合)、短暫設計狀況(風荷載組合)及多遇地震設計狀況下的抗剪承載力驗算。

(14)

式中：k為孔型系數；nf為摩擦面數目；μ為摩擦面的抗滑移系數；P為一個高強螺栓的預拉力設計值。

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

圖6 工程1典型結構平面布置圖

圖7 工程2典型結構平面布置圖

從計算模型中可以提取出每一根框架梁在重力荷載組合、風荷載組合、多遇地震荷載組合下的內力、梁的計算跨度、梁在重力荷載代表值作用下的梁端剪力設計值VGb，根據第1.3.1節相關內容，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，如表7所示，表中Ne和Np分別表示腹板螺栓由彈性設計和極限承載力設計控制的框架梁根數。

框架梁截面信息 表7

3 彈性階段與極限承載力設計方法小結

(2)Q345GJB的連接系數α小于Q345B，而極限抗拉強度fu大于Q345B的抗拉強度，故框架梁采用Q345GJB能減小翼緣補強板的寬度，節約鋼材用量。

(3)采用15高鋼規中新的梁柱節點計算方法，節點設計過程略復雜，且腹板受彎區需配置的螺栓數是抗剪螺栓的2倍以上，同時會造成連接板寬度過大，建議謹慎使用。

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

(7)不考慮梁腹板抗彎作用的情況下，按照極限承載力設計配置的框架梁腹板螺栓較少，尚需復核結構在彈性狀態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計控制。

4 思考與討論

4.1 強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度fu，而構件的承載力是用鋼材的屈服強度fy；使得連接的極限承載力對應構件的塑性承載力，比較的依據不對等。

(2)未考慮塑性鉸處剪力至梁端的附加彎矩

上述兩點導致了我國規范中設計目標與設計結果的不明確，滿足強連接公式并不意味著梁端不出現塑性鉸。

日本規范[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并設置抗彎螺栓后，雖然節點區的截面與構件截面尺寸是一致的，沒有任何加強措施。但按照式(1)卻可滿足“強連接弱構件”的要求，這也間接說明了式(1)的設計目標不明確。

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

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為延性極限狀態的抗力系數；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為強度放大系數；Ry為預期屈服應力與鋼材屈服強度之比；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為鋼材屈服強度。

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

經試算，需要考慮腹板的抗彎貢獻才能滿足上述公式。與之相應的，美國規范AISC 358-16規定了鋼梁腹板與柱翼緣需要坡口全熔透焊，也從構造上保證了鋼梁腹板抗彎及抗剪承載力的發揮。

所以美國規范AISC 358-16的設計理念、公式及構造存在較強的邏輯性，而這正是中國規范的不足之處。

4.2 腹板螺栓數目合理性的判斷

文獻[1]中對腹板螺栓的數目提出了擔心：“我國《高層民用建筑鋼結構技術規程》是在1987年底開始編制的,當時雖然看到了美國標準加強腹板連接的措施,卻未看到日本有類似規定,對于日本用不同的方法處理腹板抗彎缺乏體會,對于加強腹板連接的必要性缺乏認識,因此未將加強措施列入。直到使用過程中,發現很高的梁腹板連接只有很少幾個螺栓時,才感到不對頭。”筆者認為有兩點與此對應：

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

5 結論

(1)基于現有的規范體系，腹板參與受彎的效率低，且需設置較多的螺栓，建議采用“翼緣僅受彎、腹板僅受剪”的設計原則簡化設計流程，優先采用加強式翼緣或狗骨式連接，以滿足“強連接弱構件”的設計原則。

(2)腹板螺栓的設置需進行兩階段設計的復核，螺栓數目取包絡。

(3)當按照兩階段設計法配置的框架梁腹板螺栓數較少時，建議適當增加腹板螺栓數，可按式(13)承壓型螺栓進行配置。

(4)建議《高層民用建筑鋼結構技術規程》和《建筑抗震設計規范》進一步明確節點的設計目標，并加強設計目標、規范公式及節點構造間的邏輯性。