钢框架梁与圆管截面柱连接节点设计方法实践

付瑞军

摘要：在钢框架结构中，通常遵循“强节点、弱构件”的基本设计原则，节点连接同时应该满足传力可靠，构造合理，抗震性能良好以及施工方便等要求，对于常见的H型钢框架梁与矩形截面框架柱的节点连接方法，在图集《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》[01(04)SG519][1]中都有详细的规定。但是对于钢框架梁与圆管截面柱的连接节点，无论在上述的图集还是国内外的理论研究中，都对其介绍较少，本文通过查阅资料并结合实际工程对该种类型的节点进行了仔细研究，旨在通过本文的介绍，为其它类似项目提供借鉴。

关键词：钢框架梁，圆管柱，节点设计，工程实践

中图分类号：TU111.2+3 文献标识码： A

1 引言

作为最重要的设计原则之一的“强节点、弱构件”理论，当它从被着重强调的那一天起，结构设计人员就应该在大脑里面深深地打上烙印，这些经典的理论是从无数具体工程遭遇破坏或者众多试验数据中总结出来的，时至今日，结构设计业界的专家都在不厌其烦地重复这一个观点。

钢结构建筑具有轻质高强、力学性能良好、抗震性能优越、工业化程度高、施工速度快、外形美观、投资回收快、可再次利用及符合可持续发展政策等一系列的优点，上述这些众所周知的优良特点正引领钢结构在体育馆、会展中心、展览馆、车站及候机楼等大空间公共建筑及工业厂房中广泛使用，在钢结构得到大量应用的过程中也伴随着人们对其知识体系的认知逐步深入。1994年Northridge和1995年阪神地震中，梁柱连接节点区域发生了大量的脆断现象，经过专业人士对这次事件的剖析，人们发现其诸多缺陷在设计、施工和使用中都是可以补救或避免的，更为保守的说法就是不至于产生这么严重的破坏，这也显示出人们在当时的那种情况下对于钢框架节点连接的受力性能和破坏机理认识不足及设计规范的不尽合理。

型钢框架梁与圆管截面柱刚性连接节点是在多、高层钢结构房屋和异型钢结构建筑物中采用的一种新型节点连接形式，国内外对该类型连接节点的研究较少，目前可供参考的设计资料不多，日本《钢管构造设计施工指针同解说》对节点的外环板宽度提出了计算公式，而国内的钢结构节点设计图集《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》[01(04)SG519][1]仅对节点外环板形状为菱形的情况有所规定，这种节点一般采用栓焊连接或者全焊接连接。钢框架结构需要传递多个方向框架梁的弯矩和剪力甚至扭矩的作用，其节点区域受力状态非常复杂，而且圆管钢柱不能像箱型钢柱那样在钢梁翼缘处直接增加横隔板，圆管钢柱局部稳定就得依靠其它的构造措施予以保证，再考虑到焊接残余应力的不确定性，在试验数据较为匮乏的情况下，其节点构造上的细节就得依据设计人员的经验来决定。

2 工程概况

乌鲁木齐某4S店工程，位于新疆维吾尔族自治区，结构类型为带地下室的钢框架结构，采用圆钢管钢柱和H型焊接截面钢梁，材料采用Q345()，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g。轴线长82.00m，宽75.60m，主屋面顶标高为13.000m，建筑面积19903m2，建筑主要功能：地下室为停车区，一、二层为汽车维修区、新车展厅、客户休息区、接待室、办公室，三层为客户休息室、办公室；局部四层（夹层）为培训教室。

3 设计依据与思路

前面已经提到，型钢框架梁与圆管柱连接节点是一种缺少系统理论研究的新型刚性连接节点形式。工程设计人员目前普遍采用的一种分析方法即为材料力学中的截面法——以受力最大截面上的最大应力达到设计强度作为极限状态，而材料力学推导出的应力计算公式是在假定一些条件成立的情况下得出的，但对一般钢框架而言，梁柱节点处受力情况非常复杂，节点区域应力分布无法呈理想状态分布，这就导致实际应力分布情况与按截面法分析得出的结果之间存在较大差异，无法保证计算结果的准确性，为此一些研究人员提出了有限元分析法，如李刚、陈以一共同撰写的《钢框架圆管柱梁节点域的抗剪承载力》[2]以及金飞撰写的《H型钢梁与圆管柱连接节点的受力性能研究》[3]都采用有限元法对型钢框架梁与圆管柱连接节点做了较为深刻的理论研究，这些采用有限元法分析所得出的研究成果对我们工程设计具有较好的借鉴作用。

针对乌鲁木齐某4S店工程，笔者作为设计单位代表对该项目的各种可行的结构方案进行了认真考虑，并结合建筑专业的意见经过几番方案比选和讨论，最终决定采用圆管钢柱和H型钢梁作为主骨架，在考虑框架梁柱连接节点时有些犯难。一般来说，钢结构框架梁、柱连接节点中，柱贯通形式为业界的普遍做法，但这一常规方法并不适用于钢管框架柱与框架梁的节点中，因为无法在钢管柱内设置水平加劲横隔板，要想保证钢管柱在受力过程中的局部稳定，《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》[1]中有设置外连式水平加劲肋（外环板，采用菱形结构）的设计方案可以作为一个选项，如果按照上述图集中关于框架梁与设有外连式水平加劲肋的管型截面柱的刚性连接的构造方法实施，由于本工程还受到层高限制，框架梁翼缘宽度较大，经计算，要满足外连式水平加劲肋最小外伸宽度的要求，加劲肋外伸宽度至少要到170mm，加劲肋厚度最薄为18mm，如此大的外伸宽度和板厚不但增加造价，也势必会给建筑物内设备布置带来诸多不便，也会给室内美观产生负面影响。

经过与钢结构设计专业方面的资深人士探讨，笔者提出了如图3-1所示的连接节点构造方案。该节点中圆管柱在框架梁翼缘对应位置断开，然后将圆管柱与水平加劲肋采用坡口焊缝连接，达到等强设计的效果，且梁上、下翼缘对应处的水平加劲肋贯穿圆管柱的内外，外伸宽度为，圆管柱内挑出宽度为，本工程中=80mm，=130mm，板的厚度取框架梁翼缘厚度，且应按照《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）中关于H型截面受压翼缘自由外伸宽厚比的规定验算水平加劲肋的宽厚比。相对于图集《多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》[1]中设置外连式水平加劲肋的构造方法，图3-1所示连接节点充分利用圆管柱内空间设置水平加劲肋以减小加劲肋外伸宽度。图3-1中的节点构造还将框架梁与水平加劲肋的栓焊连接节点从圆管柱外边缘外移不小于一个框架梁高度H的距离，此做法为减轻震害而专门设计以保证“强柱弱梁”设计思想的实现。

图3-1 框架梁柱连接节点

4 结语

王立维等人撰写的《圆钢管框架柱与H形钢梁连接的节点构造研究》[4]介绍了圆钢管柱与框架梁连接节点设置外环板的一些建议，他们认为外环板的形状最好采用平滑过渡的弧形环板，避免采用圆形和菱形环板，因为圆形和菱形环板在拐点处将产生较大的应力集中，乌鲁木齐某4S店水平加劲肋板还是采用了圆形板，将来是否应该在图3-1所示的连接节点上做适当改进还需要进一步研究。

钢框架结构常被认为具有良好的延性，但通过对一些地震灾害区的建筑物进行分析后发现，在强烈地震荷载作用下，传统栓焊连接或全焊连接节点的脆性破坏非常严重，由此人们也对钢结构的抗震性能提出了疑问，并投入巨大的人力和物力去探究其有良好抗震性能的梁柱刚性连接形式。本文通过从圆管柱边缘外移框架梁与水平加劲肋的栓焊连接节点的方法来提高节点核心区承载力和转移塑性铰的位置，节点的耗能能力得到增强可以最大限度避免强震作用下节点的脆性破坏。

参考文献

[1] 01(04)SG519，多、高层民用建筑钢结构节点构造详图[M]. 北京, 中国计划出版社,2009.

[2] 李刚，陈以一. 钢框架圆管柱梁节点域的抗剪承载力[J]. 青岛理工大学学报，2009，11(6)，33-39.

[3] 金飞. H型钢梁与圆管柱连接节点的受力性能研究.重庆大学硕士学位论文.

[4] 王立维，冯远，黄宗瑜. 圆钢管框架柱与H形钢梁连接的节点构造研究[J]. 建筑结构，2005，35(6)，32-34.