钢结构梁柱节点连接的优化设计

谭芬香（湖南中规设计院有限公司，湖南　长沙　410000）



钢结构梁柱节点连接的优化设计

谭芬香（湖南中规设计院有限公司，湖南长沙410000）

近年来，随着社会的进一步发展，钢结构获得了较为广泛的应用，这使得钢结构梁柱节点连接设计的重要性日益显著，节点连接设计的科学性直接关联着钢结构自身的稳固性。此背景下，本文首先分析了钢结构梁柱节点的基本特征，其次对钢结构梁柱节点连接设计优化措施进行了详细的阐述，以供参考。

钢结构；梁柱节点；连接设计；优化措施

1　引言

在钢结构整体设计过程中，梁柱连接节点的设计具有十分重要的意义，连接节点设计的安全性能够为钢结构的整体性、可靠性提供一定的保障，并且直接关联着制造安装作业质量与作业进度，以及整体建设周期与成本，针对此，必须对钢结构梁柱节点连接设计进行不断深入的分析与研究，以促进我国钢结构项目的良好发展。

2　钢结构梁柱节点的基本特征

在进行钢结构设计时：①需要解决的问题为在相应的计算模型中确定钢结构连接形式；②还要确定具体的传力途径，之后才可将整体结构受力模型简化；③再采用相关软件进行分析计算。依据传力特征的差异性，节点连接主要包括刚接、铰接与半刚性连接，具体情况如下：

（1）铰接连接节点的柔性较大，钢梁仅在腹板部位采用高强螺栓连接形式，上、下翼缘处不需要进行现场焊接操作。铰接构造较为简便，能够在很大程度上简化现场的安装程序与流程，并且还可大大减少现场整体作业量，同时，现场安装操作也不会受到天气与季节变化的影响，大幅提升了钢结构安装速度。但铰接连接刚度与耗能性能较差，不利于结构的抗风与抗震。

（2）刚性连接节点的强度与刚度相对较高，并且具备良好的受力性能，但构造较为复杂，施工难度较大。在钢结构梁柱节点设计过程中，通常采用刚接形式进行，主要原因在于梁柱节点所承受的荷载往往较大，并且还需要有低于风荷载与水平地震所引发的位移现象。

（3）半刚性连接节点的刚度与强度处于铰接与刚接之间。《钢结构设计规范》没有对半钢性连接计算与设计方案进行明确的规定，节点的转动刚度也大多无法确定，在工程设计中一般不采用此种节点连接形式。

通过诸多实践经验与结果可以发现，将连接作为理想刚接或铰接，可大大简化计算路程，所获得的计算结构与实际情况之间必定存在较大的偏差，当前主要采用调整系数的方式尽可能减少此类偏差。

3　钢结构梁柱节点连接设计优化措施

3.1高强螺栓连接的梁柱节点

3.1.1高强螺栓连接的类型与受力特点

依据设计与受力要求的差异性，可将高强度螺栓大致分为承压型与摩擦型两种，其中，在进行摩擦型高强度螺栓连接的抗剪设计时，主要依据外剪力所能够达到的由螺栓预压力提供的最大摩擦力为基础的，因此，在进行具体设计时，需要确保摩擦力能够较好的承受整体使用期间的外剪力，并且还需保证螺栓杆与孔壁间始终保持原有空隙，以避免板件间相对滑移变形问题的发生。一般情况下，螺栓受力形式如图1所示。

图1　螺栓受力形式

在进行承压型高强度螺栓连接设计时，仅需要对正常使用荷载作用环境下剪力低于最大摩擦力进行充分的考虑，如果剪力超过最大摩擦力，就需要通过螺栓杆身剪切与板件接触面间摩擦力同时传力。当采用高强度螺栓连接形式进行节点连接设计时，螺栓受拉力主要通过减少板件间夹紧力的方式承受，在接触面间形成的正压力会产生一种较大的摩擦力，其能够提供正常荷载作用下的拉力，如果外荷载超过此类摩擦力，则连接板的接触面部位就会发生滑移现象，就认为是连接失效。

3.1.2承压型高强螺栓连接设计

就当前情况来看，相比于摩擦型高强度螺栓连接形式，国内采用承压型高强度螺栓连接的情况相对较少，有效的参考资料较少，大部分教科书仅对摩擦型高强度螺栓连接进行了较为详细的介绍，对于承压型高强度螺栓连接的介绍相对简单，所以我国当前的设计大多以现行结构设计规范（以下简称规范）为主。在计算承压型高强度螺栓时，对于剪连接沿着杆轴方向的受拉连接，以及承受剪力与杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓连接计算，应当严格按照规范进行。

在原规范中，抗剪连接与同时承受剪力与杆轴方向拉力连接中，需确保承压型高强度螺栓受剪承载力设计值低于按照摩擦型连接的规定，主要原因在于承压型高强度螺栓研究相对较浅，特别是使用经验的广泛缺乏，所以需对其进行详细的、严格的计算。在采用承压型高强度螺栓连接形式时，需确保其承载力低于摩擦型连接形式的1.3倍，以保证钢结构的安全性与可靠性。

按照规范规定的结构平均荷载分项系数大约为1.3，在荷载准值情况下，对于满足此项要求的承压型高强度螺栓，不会出现滑移问题，有利于结构变形，但无法充分发挥出承压型高强度螺栓自身效能。但要想采用承压型高强度螺栓模式，允许发生一定滑移变形的连接是运用的前提条件，即为对承载力进行了一定的控制。

3.2全焊节点连接

3.2.1全焊节点连接特点

全焊节点连接是一种在当前高层钢结构工程中获得较为广泛运用的一种梁柱节点连接形式。一般情况下，梁柱焊接节点构造形式有许多种，其中，梁通常为 H形，而柱则有H形、箱形两种形式。全焊节点连接较为便利，并且还可在一定程度上节省钢材，整体刚度也相对较大，其在抗弯钢结构中具有十分重要的作用。大多数人们均认为梁柱焊接节点具备良好的韧性，并且还能够采用塑性变形的方式吸收地震能力，以维持结构的稳定性，由此可知，其抗震性能较良好，但通过多数实践经验可知，在大部分地震灾害中，钢结构的脆性破坏部位几乎都处于梁柱焊接节点部位，经过强烈地震灾害的作用，虽然已经出现了较为显著的塑性变形现象，但在具体连接部位还出现了焊缝开裂问题。通常情况下，焊缝连接形式如图2所示。针对此类问题，为了避免焊接钢结构脆性破坏问题的发生，必须保证母材与接头各部位仅具有充足的断裂韧度值，对于其韧度值，还要、要从设计上全面消除梁柱焊接节点处的应力集中情况。

图2　焊缝连接形式

3.2.2全焊节点设计

为了避免结构刚度增加现象的出现，在接头部位应力较集中时，应当依据“强节点弱杆件”原则，适当加强节点。在不会出现失稳现象时，可适当削弱梁，在梁上形成“塑性铰”。同时，还应当尽可能的减少结构与焊接结构处的应力集中，对于腹板工艺孔，应确保其能够平滑过渡，避免应力集中现象的出现。此外，在不减小腹板连接强度环境下，还可适当增加工艺孔，为焊接操纵提供便利，提升焊缝质量。

3.3摩擦型高强度螺栓与焊缝形成的混合连接

①通常情况下，焊缝的破坏强度要远远超过高强螺栓强度，基于抗滑极限强度，应将其比值控制在1～3范围内。②对于需验算疲劳的连接设计，不可采用此类连接形式。③如果先进行焊接操作，并且板间不夹紧，此时应当采用大直径螺栓，但需要将螺栓自身抗剪承载力设计值与折减系数相乘。④在静力荷载环境下，摩擦型高强度螺栓与侧角焊缝共同作用。在直接承受动荷载作用的连接中，不可直接采用此种连接形式，应当采用先栓后焊工艺。此外，在进行设计时，应当对温度影响进行充分的考虑，并适当拆减高强度螺栓预拉力。⑤对于能够共同工作的混合连接，其总承载力应当按照不同连接方式承载力的总和考虑。

4　结语

综上所述，在进行钢结构梁柱节点连接设计时，需对钢结构结构受力特点、适用条件等方面因素进行全面的考虑，并且还要对相关问题进行深入的、细化研究，在结合项目实际情况的基础上合理设计，以确保整体钢结构受力的安全合理。这就要求结构设计人员必须熟练的掌握结构设计各方面内容，并且还要对结构建设事项进行不断深入的了解与掌握。

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谭芬香（1975-），女，工程师，本科，主要从事结构设计工作。

TU391

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2095-2066（2016）19-0192-02

2016-4-20