基于多高层房屋钢结构梁柱刚性节点的设计

曾振云

摘 要：多高层钢结构房屋在遭受地震灾害影响后，梁柱刚性连接节点会出现严重破坏问题。因此在钢结构梁柱节点抗震设计中，必须遵循基本设计原则。此次研究主要是基于多高层房屋钢结构，提出梁柱刚性节点的优化设计措施，希望能够对相关人员起到参考性价值。

关键词：多高层房屋;钢结构;梁柱刚性节点;设计

在多高层房屋钢结构抗震设计中，梁柱刚性节点属于重要设计内容。当前所设计的节点图纸中，梁端翼缘属于全熔透的坡口对接焊，腹板包含单见受力的摩擦螺栓，连接位置翼缘板没有进行加强处理。因此梁柱连接仅考虑到受剪力问题，没有考虑到受弯问题。通过计算常用截面可知，在非抗震结构中，抗侧移动框架梁体为工字型截面，强度等级为Q355。计算腹板时，应用螺栓单剪连接方式，将梁端作用的弯矩设计值假设为梁截面可承受的最大弯矩设计值0.95倍，在分配腹板连接作用弯矩作用时。则按照腹板扣除螺栓孔的净截面惯性矩和梁净截面惯性之比;在计算腹板连接作用剪力时，按照腹板可承受最大剪力的50%，同时按照3倍螺栓孔间距进行排列，此时需要应用摩擦型螺栓，梁腹板与连接板在连接位置的摩擦系数达到0.55，表面应用喷砂处理才可以满足要求，在抗震连接中，连接抗力应当大于梁截面的最高抗力，腹板连接布设单剪受力螺栓，此时将无法满足结构要求。

当前所应用的工字型截面梁中，如果处于弹性状态，翼缘一般要承受80%的全截面抗弯承载力，腹板承受20%全截面抗弯承载力。上述方式对于采用摩擦型螺栓连接的梁柱节点而言，翼缘对接焊缝只可以承受与自身强度等级相同的弯矩。当腹板连接没有考虑弯矩问题，则抗弯承载力仅为80%框架横梁抗弯承载力。在具体施工期间，当高空施焊环境差，且焊缝存在缺陷，则连接抗弯承载力只可以达到70%框架横梁抗弯承载力，不满足建筑抗震设计要求。

1、强节点设计原则

在设计梁柱连接节点期间，为了满足“强节点、弱杆件”目标，必须准确计算地震灾害的节点承载力极限值，同时计算弹性节点承载力。在具体设计期间，需要满足以下原则：

第一，在弹性状态下，梁柱连接位置抗弯能力应当高于框架梁抗震能力。为了避免地震灾害发生时，由于梁柱连接位置的缺陷问题，导致框架横梁没有出现塑性铰之前，节点连接出现脆性破坏问题。

第二，在满足上述原则后，在弹塑性状态下，塑性铰会逐渐移动到柱面外，因此在设计期间必须预测塑性铰的人为控制位置，确保高位置梁截面弯曲应力，大于梁柱连接位置焊缝的弯曲应力，便于在地震灾害来临时，框架梁可能存在的塑性铰部位受到高应力影响时，翼缘会最先屈服，从而出现塑性铰，有效耗散地震能量。

2、改进框架节点设计措施

在设计改进框架节点时，不仅可以应用狗骨式连接节点，也可以应用梁端局部增加梁截面方式，此种方式的原理与狗骨式连接节点比较类似，并且无需减小梁截面，可以有效提升连接位置的抗弯承载力，充分延展节点。梁端局部增加梁截面方式和狗骨式连接节点均可以达到标准要求，且应用优势高于狗骨式连接节点。由于狗骨式连接节点会减小梁翼缘截面，可以减小梁承载力，以此实现地震灾害条件下的梁体塑性发展，提升节点的延性。在具体应用中，梁端局部增加梁截面方式无需改变梁承载力，也可以实现地震灾害条件下的梁体塑性发展，提升节点的延性。

2.1梁端翼缘焊接楔形盖板

第一，按照标准原则，明确楔形盖板和柱连接位置的截面面积，并且应用准确的连接计算方法，按照不同情况，明确盖板界面剂：首先，翼缘和柱采用完全熔透对接焊方式，腹板与梁翼缘通过摩擦型螺栓相连接。将盖板增加到梁翼缘后，焊接位置截面面积应当大于未加盖板截面积;其次，腹板角焊缝可以承受最大弯矩设计值和地震效应。组合剪力设计值，确保在角焊缝中可形成合剪应力。

第二，按照梁組合弯矩图纸的反弯点，明确楔形盖板的截面尺寸，步骤如下：首先，在竖向荷载与水平地震组合影响下，明确框架梁塑性铰位置。负弯矩图近似直线，同时向跨内倾斜，此时梁端获得最大弯矩值，远离梁端的弯矩值比较小。其次，在明确塑性铰位置后，按照梁上组合弯矩图反弯点和柱边间距，明确不同楔形盖板在梁柱连接位置的截面积，以此确保弹性阶段下，塑性铰位置弯曲应力大于梁柱了解位置的弯曲应力。为了防止楔形盖板截面积过大，需要在塑性铰位置与梁端加设楔形盖板位置，仿照狗骨式连接节点，适当削弱梁翼缘。

2.2加宽梁端上下翼缘

通过局部加宽梁端上下翼缘，可以将加强板和翼缘板设置在同一平面内，应用悬臂式短梁连接方式，保证梁和柱应用工厂焊缝方式连接，确保焊接质量。

2.3梁端下翼缘加设腋梁

将腋梁加设在梁端下翼缘，可以明显提升根部连接位置的抗弯能力，加腋高度控制在150mm-250mm即可。其次，钢结构需要进行防火涂层施工，提升在梁下设置管线与管道，做好吊顶施工处理，在具体施工中，不会由于加腋梁而影响建筑美观性，施工人员也比较青睐于此种加腋高度和节点形式。

3、梁柱节点设计的注意事项

第一，在设计非抗震框架结构时，针对带有悬臂段框架梁节点，拼接位置的承载力必须按照梁中实际内力和平面假定进行设计，拼接位置抗弯承载力应当高于50%梁截面抗弯承载力。

第二，针对非抗震框架结构来说，梁柱刚性节点连接必须按照梁截面等强度设计，如果在构造内截面中，梁内力和梁截面承载力的差异比较大，则采用上述原则优化节点连接设计。

第三，针对带有悬臂段框架梁节点，在施工现场进行拼接，为了便于后期运输，拼接点必须与柱边距离比较短。在选择拼接点时，可以选择跨长1/10位置与梁高塑性铰区段周边。其次，拼接承载力可以按照梁截面等强度设计。然而对于狗骨式连接节点来说，则应当选择梁翼缘削弱后的截面抗弯设计值，优化设计节点拼接。

第四，在建筑抗震结构中，梁柱刚性连接需要应用加强式连接方式，或者可以应用削弱翼缘的狗骨式连接节点。

4、未来展望

在建筑抗震结构中，梁柱刚性连接位置抗弯承载力设计值，必须高于框架梁设计值，且二者之比应当高于连接承载力抗震调整系数—框架梁抗震调整系统比值。在房屋建筑设计规范中，钢结构不划分地震烈度，且建筑高度和结构类型不同，所以会出现设计值取值不合理问题。因此，在具体设计中，应当在设计规范中分离节点连接抗震调整系数，按照不同地震烈度、建筑高度与结构类型，采用对应额建筑抗震等级，按照钢结构建筑抗震等级，采用连接加强系数处理。

5、结束语

综上所述，对于多高层房屋钢结构来说，在设计梁柱刚性节点时，需要比对不同设计方案，合理应用强节点设计原则，优化改进框架节点设计措施，掌握梁柱节点设计的注意事项，这样才可以确保梁柱刚性节点设计的有效性。

参考文献：

[1]赵俊钊，赵斌，匙文成.不间断运营条件下装配式钢结构在商场装饰施工中的应用[J].建筑施工，2020，42（03）：383-386.

[2]张磊，史瑞英，刘历波.设计变截面交叉柔性力学的模型在装配式钢构建筑梁柱预应力中的分析[J].地震工程学报，2019，41（04）：873-879.

[3]吴水根，王玲玲，韩晓丹.BIM技术在多层装配式钢结构住宅建筑设计与施工中的应用[J].建筑施工，2019，41（04）：691-693.

[4]商文念，吴琼尧，刘小云，等.钢结构变电站配电装置楼钢结构梁柱节点力学性能研究[J].工业建筑，2018，48（06）：156-161.

[5]王海涛，张素清，霍静思.狗骨式钢结构梁柱节点的冲击荷载试验研究和有限元分析[J].振动与冲击，2018，37（11）：107-114.