钢框架结构节点设计探讨

黎锦楚

摘要:钢框架梁柱连接节点起到传递弯距和剪力的作用, 其连接节点设计是钢结构设计的重要内容之一，它直接影响结构在荷载作用下的整体性能以及单个构件的受力分析。本文针对钢框架梁柱连接节点的形式及其设计进行了探讨。

关键词: 钢框架；连接节点； 设计

钢框架梁柱是钢结构建筑中常用的结构体系,其中梁柱节点连接是保证钢结构安全的重要部位,节点设计是否恰当,不仅影响到结构承载力的可靠性和安全性,还会对结构构件的加工制作与工地安装的质量造成影响,并直接影响结构造价,因此节点设计是整个结构设计的关键环节。钢框架梁柱连接节点通常采用刚性连接方式, 而刚性连接方式按其构造形式主要有全焊接连接节点、栓焊混合连接节点和全螺栓连接节点三种类型, 三种连接方式。

1 梁柱连接节点的形式及设计

1.1 全焊接连接节点的形式及设计

（1）全焊接连接节点的形式全焊接连接节点是工程中较为常见的梁柱连接节点形式, 即梁的上、下翼缘采用全熔透坡口对接焊缝, 腹板用角焊缝与柱连接, 且工字型柱在梁翼缘对应处应加水平加劲肋, 箱形柱内应设加劲肋隔板, 加劲肋应按与梁翼缘等强设计, 其连接焊缝亦应满足等强传力的要求。梁柱刚性连接中, 梁端内力向柱传递时, 梁端弯矩主要由梁翼缘承担, 梁端剪力则主要由梁腹板承担, 见图1 (a)。

（2）全焊接连接节点的设计为避免增加结构刚度和接头部位应力集中, 根据“强

节点、弱构件”的原则, 适当加强节点, 以不发生失稳为条件, 设计时可适当削弱梁, 使梁上出现 “塑性铰”。另外, 要尽量减小结构焊接接头部位的应力集中, 如腹板上有工艺孔应平滑过渡。

1.2 栓焊混合连接节点的形式及设计

（1）栓焊混合连接节点的形式

栓焊混合连接节点是目前多、高层钢框架结构工程中最为常见的梁柱连接节点形式, 即梁的上、下翼缘采用全熔透坡口对接焊缝, 而梁腹板采用普通螺栓或高强螺栓与柱连接的形式, 见图1 ( b)。这样既可以保证节点属刚性连接, 同时结构可承受一定的动力荷载。栓焊混合连接节点能满足工程抗震所要求的延性, 设计时要充分考虑节点处梁的强度因打孔而被削弱的情况, 也要注意梁上的孔应平滑过渡。

（2）栓焊混合连接节点的设计

栓焊混合连接节点的梁腹板与柱通常采用摩擦型或承压型高强螺栓连接, 实际工程中前者应用居多。摩擦型高强螺栓连接在受剪设计时, 以剪力达到板件接触面间由螺栓预压力使板件压紧所提供的最大摩擦力为极限。在设计摩擦型高强螺栓时, 应保证连接点在整个使用期间的剪力不超过最大摩擦力, 使板件间不会发生相对滑移变形, 连接件按弹性整体受力考虑。

1.3 全螺栓连接节点

全螺栓连接节点为梁腹板及翼缘与柱以普通螺栓或高强螺栓现场连接, 以传递轴力、弯矩与剪力的连接形式,见图1-c。因连接节点的刚性不如前两种连接形式好, 故实际工程中应用较少。

2 骨形连接节点

上述三种连接方式都可以设计成骨形连接节点, 骨形连接节点主要用于设防烈度为8 度及以上的框架, 即在距梁端一定距离处, 将梁翼缘两侧做月牙形切削, 形成薄弱截面, 这种削弱部分截面能够改变塑性铰出现的位置, 使节点处因梁端最大弯矩作用下形成的塑性铰偏离脆弱的节点连接部位, 向跨中转移, 通过削弱梁来保护梁柱连接节点。采用这种节点经过对梁进行合理的截面削弱, 使得较长的一段梁几乎同步进入塑性, 真正做到了增加梁柱节点的延性, 充分发挥了钢材的塑性, 但在设计时要保证对梁的削弱所造成的结构刚度和强度在正常结构设计荷载作用下完全能满足要求。

骨形连接即在梁翼缘两侧做月牙形切削, 月牙形切削面应刨光, 且宜对上、下翼缘均进行切削, 切削后的梁翼缘截面面积不宜大于原截面面积的90%, 并能承受按弹性设计时多遇地震下的组合内力。

某工程支架平面尺寸为17．9×20．0m、高度为30m, 共五层, 在二层梁上集中荷载最大为130 t、水平荷载最大为15t, 本工程钢框架具有跨度大、梁上集中荷载和水平荷载都较大的特点。考虑上述特点设计采用箱形钢柱、H 型钢梁, 在大荷载处采用箱形钢梁, 梁柱采用栓焊混合连接方式。因水平荷载大, 框架弹性层间位移角不满足《建筑抗震设计规范》的要求, 设计中采用增加柱间支撑的方法, 以减小框架弹性层间位移角, 但部分柱间因有原烟气和净烟气烟道通过而无法在全范围加柱间支撑, 在受影响部分设计考虑设局部柱间支撑, 以上支撑均采用全焊接连接, 如图3所示。通过上述工程设计, 认为在钢框架结构节点设计中应在如下方面引起足够的重视:①注意节点受力, 减少应力集中, 避免钢材三向受拉;②节点连接应设计成强节点、弱构件, 不使结构因连接较弱而破坏;③节点连接应按地震组合内力进行弹性设计, 并对连接的极限承载力进行验算;④构件的拼接应按等强度或比等强度更高的原则设计;(尽量简化节点构造, 以便于制作和安装。

4 结束语

综上所述，梁柱连接节点设计是钢框架结构设计的重点,也是难点,因此,常常引起设计人员的足够重视就不足为奇了。设计中要在借鉴以往成功经验的同时,通过不断优化、完善梁柱连接节点设计,使节点设计与整体结构相协调。

参考文献

[1] 严佩祥，浅谈钢框架结构节点设计[J]科技与生活，2011.08

[2] 高重一，钢结构框架设计中节点域问题的探讨[J]石油化工设计，2009.03

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。