对钢框架结构节点抗震设计思想的分析

代 江

(新疆哈密矿务局勘察设计院，新疆哈密 839003)

0 引言

钢结构具有强度高、延性好、重量轻等特点，因此抗震性能较好。但如果在加工和连接工艺方面有些问题，加之外部环境的影响，就可能出现地震作用下的局部破坏，甚至整体倒塌[1]。因此，钢结构的抗震问题也是需要认真研究的。本文针对最常见的钢框架结构，考虑到节点的重要性，将对节点的抗震设计思想进行深入分析，有助于加深对节点抗震设计思路和具体方法的理解，最后给出了实例说明。

1 钢框架结构的节点

和混凝土框架结构相同，钢框架结构一般采用刚性节点，由焊接或高强度螺栓连接。常用的连接构造如图1所示。

2 节点的震害

由于节点传力集中、构造复杂，施工难度大，容易造成应力集中、强度不均衡现象，再加上可能出现的焊缝缺陷、构造缺陷，所以节点破坏是地震中发生最多的一种破坏[2]。

梁柱节点域的破坏形式主要有:加劲板的屈曲和开裂、加劲板焊缝出现裂缝、腹板的屈曲和裂缝等。采用焊接形式的梁柱刚性节点出现连接裂缝或断裂破坏的原因主要有[3]:

1)焊缝缺陷;

2)三轴应力影响:梁柱连接的焊缝变形由于受到梁和柱约束，施焊后焊缝残存三轴拉应力，使材料变脆;

3)构造缺陷:梁翼缘与柱连接处的垫板一般在焊接后就留在结构上，与柱翼缘之间容易成为裂缝发展的起源。

3 刚性节点的抗震设计内容

刚性节点的抗震设计内容具体包括以下几点。

3.1 承载力验算

由于节点的破坏将带来相连的若干个构件的破坏，所以在抗震设计中，要求节点连接的承载力应高于构件的屈服承载力，所谓“强节点、弱构件”[4]。具体体现在以下两个公式的要求:

其中，1.2为实际屈服强度可能高于规定值的修正系数;1.3为在1.2基础上，再考虑跨中荷载影响;Mp为被连接构件(梁或柱)全塑性弯矩;l为梁的净跨度;Mu，Vu分别为连接的抗弯、抗剪最大承载力。

Mu，Mp按钢材抗拉强度和屈服强度下限计算:

其中，Wp'为连接的塑性抵抗矩;Wp为被连接构件的塑性抵抗矩(这两个相当于对形心轴的面积矩);fu为连接的抗拉强度下限;fy为钢材的屈服强度。

抵抗矩Wp按材料力学的方法计算，例如对矩形截面:

其中，Mu，Vu的计算方法如下:

1)当工字形梁翼缘用对接焊缝、腹板用角焊缝连接时:

其中，Af为梁一个翼缘的截面积;he为角焊缝的有效厚度;lw为角焊缝的有效长度;fu为焊缝抗拉强度下限。

2)当梁翼缘用对接焊缝、腹板用高强螺栓连接时:

当节点处的被连接构件尚有轴力作用时，要用Mpc代替Mp，计算如下:

1)绕强轴的工字形截面和箱形截面:

2)绕弱轴的工字形截面:

其中，Mpc为被连接构件的全塑性弯矩;Ny=Anfy;An为构件净截面面积;Awn为构件腹板净截面面积。

3.2 强柱弱梁条件

由于柱子的破坏效应比梁的破坏效应严重，有可能导致结构整体倒塌，所以对柱子的安全性要求要高于梁。塑性铰最好是先出现在梁端而不是柱端，这样可以通过梁的变形来耗能。为了达到这个目标，要求节点处的各柱端能承受的弯矩总和要大于各梁端能承受的弯矩总和，这一“大于”的程度通过一个大于1的系数来体现。具体表达式如下:

其中，Wpc，Wpb分别为节点处柱和梁的截面塑性模量;N为柱轴向压力设计值;Ac为柱截面面积;η为超强系数:6层以上钢框架，6 度Ⅳ类场地和7 度时可取1.0，8 度时取1.05，9 度时取1.15。

以上是对整个节点区域的要求。这个区域是由两部分组成的:节点域和构件。对这两部分也分别有要求，下面进行介绍。

3.3 节点域的要求

包括两部分:

1)承载力验算:

其中，Mpb1，Mpb2均为节点两侧梁的全塑性受弯承载力;ψ为折减系数，6度Ⅳ类场地和7度时可取0.6，8度和9度时取0.7。

2)节点域还应满足不失去局部稳定的板厚要求。

3.4 构件的验算要求——主要考察塑性区的局部稳定

我们期望的是塑性铰只出现在梁端，但在实际中，由于梁和楼板的协同工作效应等原因，往往使梁得到了很大加强，使得塑性铰有可能出现在柱端。为了保证塑性铰能正常发挥作用，还应在梁柱可能出现塑性铰的区段，限制板件宽厚比，以防止局部屈曲，保证耗能作用的发挥。

受压板件宽厚比可分为三个等级:

1)全截面进入塑性，出现塑性铰，要求转动能力(相当于8度，9度抗震设防要求);

2)截面进入塑性，但不要求转动能力(相当于7度抗震设防要求);

3)边缘纤维屈服，传统的弹性设计(相当于6度或非抗震设防要求)。

各种构件的宽厚比要求，详见GB 50011-2010建筑抗震设计规范。

4 设计实例

某大厦钢框架结构的节点设计。柱截面:□700×700×50，fy=295 MPa;梁截面:H500×220×12×25，fy=325 MPa;梁柱:fu=490 MPa。梁翼缘完全焊透的坡口对焊，E50，二级=295 MPa，fu=490 MPa;梁腹板用10.9级高强螺栓摩擦型连接，喷砂μ=0.4，M22，预紧力 P=190 kN。弹性内力 M=655 kN·m，V=298 kN。抗震设防烈度为7度。节点采用H型梁与箱形柱栓焊混合刚性连接。

1)梁翼缘完全焊透的对接焊缝强度:

2)梁腹板与柱之间的高强螺栓连接计算:

其中，0.9为考虑焊接热影响对高强螺栓预拉力损失的影响系数。

腹板连接板厚度:

3)节点抗震极限承载力验算:

极限弯曲承载力满足要求。腹板净截面面积的极限抗剪承载力:

腹板连接板净截面面积的极限抗剪承载力:

腹板连接高强螺栓的极限抗剪承载力:

Vu=min{Vu1，Vu2，Vu3，Vu4}=913.8 kN ＞1.3(2Mp/ln)=1.3 ×(2 ×1 014/8.3)=317.6 kN，913.8 kN ＞0.58hwtwfy=848 kN，极限抗剪承载力满足要求。

4)节点域弹性阶段验算:(4/3)fv/γRE=(4/3) ×165/0.85=258.8 N/mm2，满足要求。

节点域局部稳定验算:

tw=50 ＞(hb+hc)/90=(450+600)/90=11.7，满足要求。

节点域屈服承载力验算:

φ(Mpb1+Mpb2)/Vp=0.6 × (1 014+1 014) ×106/(2.43 ×107)=50.5 N/mm2＜(4/3)fv=200 N/mm2，满足要求。

5 结语

可见，钢框架节点的抗震设计思想可归纳为四点:

1)在整体层面上，要求“强节点、弱构件”“强柱弱梁”，并落实在具体的设计公式上;

2)分节点域、构件两部分分别进行设计和验算;

3)考虑钢材的塑性工作性能，对应的是地震下耗能作用的发挥;

4)和其他钢构件一样，关注板件受压下的局部稳定问题。通过这四点可以更清楚地理解钢框架节点的抗震设计思想，对相关的科研也有一定的促进作用。

[1] 聂正春，李明全.钢结构节点抗震措施简述[J].四川建筑，2010(4):183-185.

[2] 张晓霞.钢结构框架梁柱节点连接设计方法探讨[J].山西建筑，2011，37(5):43-44.

[3] 饶中峰.浅谈钢结构梁柱节点连接设计方法[J].四川建材，2010(5):31-32.

[4] 吴兆旗，何田田，姜绍飞，等.钢结构梁柱连接节点抗震性能研究进展[J].福州大学学报(自然科学版)，2011，39(5):658-665.