钢框架梁柱栓焊混合连接计算方法的探讨

黄永强， 朱 晶

(1 华东建筑设计研究总院， 上海 200002； 2 上海超高层建筑设计工程技术研究中心， 上海 200002)

0 引言

20世纪80年代以来，美国在高层建筑钢结构中推广翼缘焊接腹板栓接的梁端混合连接[1]，多用于钢框架梁柱节点的现场连接。梁端栓焊混合连接形式在我国的钢结构项目中也广泛应用，《高层民用建筑钢结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》中均给出了该类节点的设计依据。但我国规范对于梁柱连接的计算原则经历了几次比较重大的调整，如表1所示，表中各参数含义参见各规范。

表1中除《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—2015)[2](简称15高钢规)外，《高层民用建筑结构技术规程》(JGJ 99—98)(简称98高钢规)、《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)(简称01抗规)、《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(简称10抗规)均认为弯矩可仅由翼缘承受，钢梁腹板仅承受剪力。当不满足“强连接弱构件”时，需采取梁端加强措施或狗骨式连接。

我国规范对于梁柱连接的计算原则调整 表1

15高钢规借鉴日本规范，认为钢框架梁柱连接中，弯矩除由翼缘承受外，还可由腹板承受，并给出了钢梁腹板承担梁端弯矩及腹板配置抗弯螺栓的计算方法。

本文选用工程中常用的梁柱截面形式，钢梁采用热轧H型钢，对15高钢规中的梁柱刚接计算方法及98高钢规方法进行了试算比较，最后通过实例提出了腹板螺栓配置的建议。

1 梁柱节点的极限承载力设计

1.1 15高钢规的规定

(1)

式中：Mp为梁的全塑性受弯承载力，加强型连接按未扩大的原截面计算；α为与母材牌号有关的连接系数。

(2)

梁翼缘连接的极限受弯承载力：

(3)

梁腹板连接的极限受弯承载力：

(4)

(5)

图1 梁柱刚性节点

式中hs为剪力板高度。

15高钢规中第8.2.3条条文说明中又补充说明01抗规给出的方法仍可用。01抗规指出当梁翼缘的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70%时，梁腹板与柱的连接螺栓不得少于2列，当计算仅需1列时，仍应布置2列，且此时螺栓总数不得少于计算值的1.5倍。

1.2 考虑腹板抗弯的贡献(15高钢规)

1.2.1 “强连接弱构件”的计算

图2 梁翼缘局部加宽式连接

梁柱节点极限抗弯承载力(Q345B， fu=470MPa，α=1.35) 表2

梁柱节点极限抗弯承载力(Q345GJB， fu=490MPa，α=1.25) 表3

1.2.2 “强剪弱弯”的计算

(6)

式中：ln为梁净跨；VGb为梁在重力荷载代表值下，按简支梁分析的梁端剪力设计值。

考虑了梁腹板的抗弯作用后，腹板承受弯矩区和承受剪力区的螺栓数应按弯矩在受弯区引起的水平力和剪力作用在受剪区分别进行计算，计算时应考虑连接的不同破坏模式取较小值，如图3所示。

图3 考虑梁腹板抗弯的螺栓配置

(1)腹板抗剪螺栓

计算时钢梁跨度ln取15倍钢梁高度。假定钢框架在两个方向的跨度相同，板厚取120mm(自重3.0kN/m2)、附加恒荷载SD=2.0kN/m2，活荷载L=4.0kN/m2，则VGb可近似按下式进行计算：

VGb=0.6lngb+7ln

(7)

式中gb为钢梁自重，kN/m。

(8)

(2)腹板抗弯螺栓

受弯区螺栓应满足：

(9)

(10)

图4 连接板破坏模式

为提高腹板螺栓的抗弯效率，加大抗弯中心距，仅采用顶底各一排螺栓抗弯。通过式(8)～(10)可以分别求出腹板受弯区螺栓数n1和受剪区螺栓数n2。典型H型钢梁的腹板螺栓配置如表4所示，其中Vwy为框架梁腹板抗剪屈服强度。从表4可以看出，采用15高钢规中新的梁柱节点计算方法，腹板受弯区需配置的螺栓数是抗剪螺栓的2倍以上，同时会造成连接板宽度过大。表4中α1和α2分别为：

(11)

(12)

由表4可以看出，受弯区螺栓数由螺栓受剪和板件承压破坏控制，连接板的撕裂和挤穿破坏一般不会发生。表4中带*的抗弯螺栓数为参考日本《钢构造接合部设计指针》(2012版)[4]第156页的算例，不考虑15高钢规中式(9)中的连接系数α的计算结果。相比15高钢规，日本《钢构造接合部设计指针》(2012版)计算方法能使得受弯区螺栓减少一列。

典型H型钢梁腹板螺栓配置(Q345B，10.9s高强螺栓，M24) 表4

15高钢规在验算抗弯螺栓时重复考虑了连接系数α，使得螺栓数量增加较多，这也是表中的α1远大于1.0的原因。

1.3 不考虑腹板抗弯的贡献(98高钢规)

1.3.1 加强翼缘式连接

(13)

1.3.2 狗骨式连接节点

按照15高钢规相关规定，一、二级抗震设计时，梁柱刚接节点宜采用加强型连接或狗骨式连接。狗骨式连接通过削弱梁截面使梁端塑性铰外移，其构造如图5所示。

图5 狗骨式连接

加强翼缘式节点设计(fu=470MPa，α=1.35，10.9s高强螺栓，M24) 表5

狗骨式连接节点设计(fu=470MPa，α=1.35，10.9s高强螺栓，M22) 表6

2 梁柱节点腹板螺栓的弹性设计

无论是梁翼缘局部加强式连接或狗骨式连接，不考虑腹板抗弯作用的情况下，按照极限承载力设计配置的腹板螺栓均较少。框架梁腹板螺栓除应满足“强节点弱构件”的极限承载力设计要求外，还应同时满足持久设计状况(重力荷载组合)、短暂设计状况(风荷载组合)及多遇地震设计状况下的抗剪承载力验算。

(14)

式中：k为孔型系数；nf为摩擦面数目；μ为摩擦面的抗滑移系数；P为一个高强螺栓的预拉力设计值。

本节采用翼缘抗弯、腹板抗剪的框架梁柱节点算法对两个实际工程中的框架梁进行腹板螺栓的配置。工程1，2的典型结构平面布置图及截面信息如图6，7所示。

图6 工程1典型结构平面布置图

图7 工程2典型结构平面布置图

从计算模型中可以提取出每一根框架梁在重力荷载组合、风荷载组合、多遇地震荷载组合下的内力、梁的计算跨度、梁在重力荷载代表值作用下的梁端剪力设计值VGb，根据第1.3.1节相关内容，可以得到每一根框架梁在不同工况下所需配置的腹板螺栓数，如表7所示，表中Ne和Np分别表示腹板螺栓由弹性设计和极限承载力设计控制的框架梁根数。

框架梁截面信息 表7

3 弹性阶段与极限承载力设计方法小结

(2)Q345GJB的连接系数α小于Q345B，而极限抗拉强度fu大于Q345B的抗拉强度，故框架梁采用Q345GJB能减小翼缘补强板的宽度，节约钢材用量。

(3)采用15高钢规中新的梁柱节点计算方法，节点设计过程略复杂，且腹板受弯区需配置的螺栓数是抗剪螺栓的2倍以上，同时会造成连接板宽度过大，建议谨慎使用。

(4)15高钢规中的式(8.2.5-1)在验算抗弯螺栓时重复考虑了连接系数α，使得螺栓数目增加较多，建议取消。

(7)不考虑梁腹板抗弯作用的情况下，按照极限承载力设计配置的框架梁腹板螺栓较少，尚需复核结构在弹性状态下梁腹板螺栓的抗剪承载力。对于跨高比较小(L/hb<15)的框架梁，其腹板螺栓通常由极限承载力控制，跨高比较大(L/hb>15)的框架梁，其腹板螺栓通常由弹性设计控制。

4 思考与讨论

4.1 强连接中腹板抗弯的必要性

(1)连接承载力是用钢材的抗拉强度fu，而构件的承载力是用钢材的屈服强度fy；使得连接的极限承载力对应构件的塑性承载力，比较的依据不对等。

(2)未考虑塑性铰处剪力至梁端的附加弯矩

上述两点导致了我国规范中设计目标与设计结果的不明确，满足强连接公式并不意味着梁端不出现塑性铰。

日本规范[4]第156页的算例中，梁的截面为H600×200×12×25，柱的截面为□450×19。在考虑腹板抗弯的贡献并设置抗弯螺栓后，虽然节点区的截面与构件截面尺寸是一致的，没有任何加强措施。但按照式(1)却可满足“强连接弱构件”的要求，这也间接说明了式(1)的设计目标不明确。

相反美国规范AISC 358-16[6]第5章狗骨式连接节点的开篇就明确了设计目标，即屈服及塑性变形主要发生在削弱段内，也给出了与设计目标相匹配的设计公式：

Mf=Mpr+VRBSSh≤φdMpe

(15)

Mpr=CprRyFyZRBS

(16)

Mpe=RyFyZx

(17)

式中：Mf为可能的梁端最大弯矩；Mpe为梁端塑性弯矩；φd为延性极限状态的抗力系数；Mpr为狗骨式截面中心处最大弯矩；VRBS为两端RBS中心处剪力的较大值，由Mpr和重力荷载组合值确定；Sh为塑性铰到柱边的距离；Cpr为强度放大系数；Ry为预期屈服应力与钢材屈服强度之比；ZRBS为狗骨式截面中心处的梁截面塑性模量；Zx为梁截面塑性模量；Fy为钢材屈服强度。

美国规范AISC 358-16中连接承载力是用材料的屈服强度计算，考虑屈服强度的超强系数Ry及可能存在的节点超强效应(CPR)，考虑了塑性铰处的剪力至梁端的附加弯矩。

经试算，需要考虑腹板的抗弯贡献才能满足上述公式。与之相应的，美国规范AISC 358-16规定了钢梁腹板与柱翼缘需要坡口全熔透焊，也从构造上保证了钢梁腹板抗弯及抗剪承载力的发挥。

所以美国规范AISC 358-16的设计理念、公式及构造存在较强的逻辑性，而这正是中国规范的不足之处。

4.2 腹板螺栓数目合理性的判断

文献[1]中对腹板螺栓的数目提出了担心：“我国《高层民用建筑钢结构技术规程》是在1987年底开始编制的,当时虽然看到了美国标准加强腹板连接的措施,却未看到日本有类似规定,对于日本用不同的方法处理腹板抗弯缺乏体会,对于加强腹板连接的必要性缺乏认识,因此未将加强措施列入。直到使用过程中,发现很高的梁腹板连接只有很少几个螺栓时,才感到不对头。”笔者认为有两点与此对应：

(2)腹板螺栓的设置与腹板是否参与抗弯紧密相关。按照15高钢规的规定，不考虑腹板抗弯，只考虑加强翼缘或狗骨式连接就可满足“强连接弱构件”的规定，那腹板抗弯的必要性就不强，螺栓就可以很少。如果按照美国规范AISC 358-16的设计理念，必然要考虑腹板的抗弯，此时腹板螺栓的数目由抗弯和抗剪双控，甚至需改用全焊节点方可。

5 结论

(1)基于现有的规范体系，腹板参与受弯的效率低，且需设置较多的螺栓，建议采用“翼缘仅受弯、腹板仅受剪”的设计原则简化设计流程，优先采用加强式翼缘或狗骨式连接，以满足“强连接弱构件”的设计原则。

(2)腹板螺栓的设置需进行两阶段设计的复核，螺栓数目取包络。

(3)当按照两阶段设计法配置的框架梁腹板螺栓数较少时，建议适当增加腹板螺栓数，可按式(13)承压型螺栓进行配置。

(4)建议《高层民用建筑钢结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》进一步明确节点的设计目标，并加强设计目标、规范公式及节点构造间的逻辑性。