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摘要：随着社会的发展与进步，重视钢结构梁柱节点连接设计方法对于现实生活具有重要的意义。本文主要介绍钢结构梁柱节点连接设计方法的有关内容。
关键词 ： 钢结构；节点连接；设计方法；梁柱节点；
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
引言
钢结构连接节点设计是钢结构整个设计工作中的一个重要的环节,连接节点的设计是否安全, 对保证钢结构的整体性和可靠度、对制造安装的质量和进度和对整个建设周期和成本都有着直接的影响。
一、钢结构梁柱节点的基本特征
在钢结构设计时，对于钢结构的连接形式在计算模型中的确定是钢结构计算、设计必须首先解决的问题，其次要明确传力途径，然后才能将整个结构受力模型简化出来用软件进行分析计算。按照传力特征不同，节点分刚接、铰接和半刚性连接。
( 1) 铰接连接节点，具有很大的柔性。钢梁仅在腹板处采用高强螺栓连接，上、下翼缘无需进行现场焊接。采用铰接时构造简单，使现场安装程序大为简化，现场作业量大大减小，现场安装可以不受天气及季节的影响，钢结构的安装速度大大提高。但是，铰接连接刚度和耗能性能差，对于结构抗风、抗震不利。
( 2) 刚性连接节点，具有较高的强度和刚度。其特点是受力性能好，但构造复杂，施工难度大。设计中梁柱节点一般是做刚接，这是由于梁柱节点承受的荷载一般较大而且还要抵御风荷载和水平地震引起的位移。
( 3) 半刚性连接节点，刚度和强度介于铰接和刚接之间。我国《钢结构设计规范》中没有给出半刚性连接的具体计算和设计方案，而且节点转动刚度很难确定。这样的节点形式在工程设计中一般很少采用。
结构设计中习惯的做法是把连接当成理想刚接或者铰接，这样做能够使计算大大简化，得到的计算结果必然与实际存在偏差。目前，主要通过采用调整系数来减少這种偏差。
二、梁柱节点的设计
钢框架中梁与柱的连接起着在两种构件之间传递弯矩和剪力的作用, 是钢框架的主要组成部分, 它的性能直接关系到结构的整体反应。梁柱连接的设计应满足足够的强度和适当的刚度, 满足“强节点、弱构件”以及“强梁弱柱”原则。钢框架结构的梁柱连接多按刚性连接设计, 主梁与柱的连接具有足够刚度, 目前抗侧力框架和梁柱的抗弯连接均采用刚性方案。梁柱刚性连接的主要构造形式有3 种: 全焊节点; 高强螺栓连接节点; 栓焊混合节点。
2.1 全焊节点连接形式
1）全焊节点连接的特点
全焊节点连接是目前高层钢结构工程中应用较为广泛的一种梁柱节点连接方式。梁柱焊接节点的构造形式有多种,梁一般为H形,而柱有H形或箱形两种。全焊节点连接具有施工方便、节省钢材、整体刚度大的特点,它在抗弯钢结构中扮演着举足轻重的角色。早期人们都以为梁柱焊接节点具有很好的韧性,能通过塑性变形来吸收地震能量来保持结构的稳定,因而具有良好的抗震性能。但后来的调查中发现,许多地震中钢结构的脆性破坏多发生在梁柱焊接节点处,经过强烈地震,虽然出现了明显的塑性变形,但在连接处也发生了焊缝开裂现象。为保证焊接钢结构不发生脆性破坏,就要确保母材及接头各部位具有足够的断裂韧度值,还要从设计上消除梁柱焊接节点处的应力集中。
2）全焊节点的设计
避免增加结构的刚度和接头部位的应力集中情况下, 根据“强节点弱杆件”的原则适当加强节点, 在不发生失稳情况下, 可适当削弱梁,在梁上出现“塑性铰”。尽量减少结构和焊接接头部位的应力集中, 腹板上的工艺孔应平滑过渡, 避免应力集中。在不减小腹板连接强度条件下,适当加大工艺孔, 便于施焊, 提高焊缝质量。
2.2高强螺栓连接的梁柱节点
钢结构高强度螺栓连接是一种新型螺栓连接形式,这种连接方式可简化制造和安装工艺,对于结构承受动载十分有利,这种连接方式的施工要求十分严格。因其连接的整体性和刚度较好,目前在国外已得到普遍应用,尤其是高层和超高层钢结构的连接节点均采用了高强度螺栓连接方式,以及承受动载的结构设计中应用也较多。我国的一些桥梁和民用建筑也逐渐开始使用高强度螺栓连接。
1） 高强螺栓连接的类型和受力特点
按照设计和受力要求的不同,可将高强度螺栓分为承压型和摩擦型两种。在对摩擦型高强度螺栓连接进行抗剪设计时,是以外剪力达到由螺栓预压力所能提供的最大摩擦力为极限的。所以设计过程中要保证摩擦力完全能承受整个使用期间外剪力,螺栓杆和孔壁间始终保持原有空隙,使板件间不会发生相对滑移变形。承压型高强度螺栓连接设计只考虑在正常使用荷载作用下剪力不超过最大摩擦力,若剪力超过最大摩擦力时,就靠螺栓杆身剪切和板件接触面间摩擦力共同传力。采用高强度螺栓连接,螺栓受拉力主要靠板件间夹紧力的减少来承受,在接触面之间的正压力产生很大摩擦力,它能提供正常载荷下的拉力,一旦外荷载超过此摩擦力,连接板接触面就会产生滑移,则认为连接失效。
2）承压型高强螺栓连接的设计
因国内使用承压型高强度螺栓连接较摩擦型高强度螺栓连接少, 故设计参考资料较少, 多数教科书对摩擦型高强度螺栓连接介绍较详细,而承压型高强度螺栓连接介绍较简单, 我们在设计中以我国现行结构设计规范( 以下简称规范) 为主。
承压型高强度螺栓连接的计算: 其抗剪连接沿杆轴方向的受拉连接同时承受剪力和杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓连接计算需按规范进行。原规范中规定的在抗剪连接中以及同时承受剪力和杆轴方向拉力的连接中, 作了承压型高强度螺栓的受剪承载力设计值不得大于按摩擦型连接的规定, 主要是当时对承压型高强度螺栓的研究还不够深入,尤其是缺乏使用经验, 慎重计算。我们采用承压型高强度螺栓的承载力不超过按摩擦型计算的1.3 倍确保结构安全可靠。此外按规范规定结构的平均荷载分项系数约为1.3, 满足此项要求的承压型高强度螺栓在荷载标准值情况不致产生滑移, 则对保证结构的变形是有利的, 但不能充分发挥承压型高强度螺栓的效能, 而采用承压型高强度螺栓的前提是结构中允许发生一定滑移变形的连接, 这相当于对承载力进行了控制。
2.3栓焊混合连接的梁柱节点
栓焊混合连接的梁柱节点连接形式,是指梁腹板用普通或高强螺栓与柱翼缘连接,而梁翼缘与柱翼缘完全采用坡口焊接的形式,这种连接形式得到业内的专家和学者们一致认可,目前在国内外应用较多。这种连接方式不但可保证节点属于刚性连接,还能承受动力荷载,节点承载能力在反复加载的情况下仍没有降低,而且还能满足工程抗震所要求的延性。但最近有研究人员通过钢框架梁柱刚性节点破坏机理的试验研究表明,由于用螺栓连接需要打孔,这会削弱连接处梁、柱的强度,而且这种连接方式的施工比较复杂。
三、钢结构梁柱节点设计应注意的问题
( 1) 连接的设计应与内力分析的假定相一致。在结构分析前，就应该对连接节点的形式进行充分的思考和分析，以保证最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式完全一致。
( 2) 节点构造不应太复杂。节点设计要尽可能使工人能方便的进行现场定位和安装。此外，节点设计还应考虑加工厂的工艺水平。
( 3) 节点设计尽可能避免偏心连接，不能完全避免时应考虑偏心连接对结构的影响。
( 4) 传力要直接、连续。各构件之间受力要明确，尽可能避免应力集中。
( 5) 注意破坏顺序控制。设计时应加强主要构件的连接节点，避免在结构重要受力构件还处于弹性变形阶段时，由于节点破坏而导致整个结构的倒塌。
( 6) 注意构造细节。使节点具有足够的延性和韧性;节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。
结束语
至今，钢结构建筑已经历了多次强烈地震的考验，正如人们所预料的，钢结构的抗震性能远比混凝土结构优越。但是由于设计特别是构造上的不当，也发生了一些破坏，连接节点的破坏更是比较普遍。因此，节点设计是整个钢结构设计工作中的重要环节。
参考文献
[1]徐珂.钢结构梁柱刚性节点抗震设计探讨[J].建筑结构,2006.
[2]李星荣.钢结构连接节点设计手册[M].北京: 中国建筑工业出版社，2005．
[3]许建勋.钢框架节点受力性能及其对框架受力性能影响研究[D].宁波: 浙江工业大学, 2002.
[4]吴芸, 吴华英, 张溶等.狗骨式刚性连接钢框架结构抗震性能试验研究[J].武汉理工大学学报, 2003.
作者信息
尹鹏：山东省冶金设计院股份有限公司 项目管理部 ，山东 济南 250101工程师
张峰：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室 ，山东 济南 250101工程师
余维江：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室 ，山东 济南 250101工程师
关键词 ： 钢结构；节点连接；设计方法；梁柱节点；
中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：
引言
钢结构连接节点设计是钢结构整个设计工作中的一个重要的环节,连接节点的设计是否安全, 对保证钢结构的整体性和可靠度、对制造安装的质量和进度和对整个建设周期和成本都有着直接的影响。
一、钢结构梁柱节点的基本特征
在钢结构设计时，对于钢结构的连接形式在计算模型中的确定是钢结构计算、设计必须首先解决的问题，其次要明确传力途径，然后才能将整个结构受力模型简化出来用软件进行分析计算。按照传力特征不同，节点分刚接、铰接和半刚性连接。
( 1) 铰接连接节点，具有很大的柔性。钢梁仅在腹板处采用高强螺栓连接，上、下翼缘无需进行现场焊接。采用铰接时构造简单，使现场安装程序大为简化，现场作业量大大减小，现场安装可以不受天气及季节的影响，钢结构的安装速度大大提高。但是，铰接连接刚度和耗能性能差，对于结构抗风、抗震不利。
( 2) 刚性连接节点，具有较高的强度和刚度。其特点是受力性能好，但构造复杂，施工难度大。设计中梁柱节点一般是做刚接，这是由于梁柱节点承受的荷载一般较大而且还要抵御风荷载和水平地震引起的位移。
( 3) 半刚性连接节点，刚度和强度介于铰接和刚接之间。我国《钢结构设计规范》中没有给出半刚性连接的具体计算和设计方案，而且节点转动刚度很难确定。这样的节点形式在工程设计中一般很少采用。
结构设计中习惯的做法是把连接当成理想刚接或者铰接，这样做能够使计算大大简化，得到的计算结果必然与实际存在偏差。目前，主要通过采用调整系数来减少這种偏差。
二、梁柱节点的设计
钢框架中梁与柱的连接起着在两种构件之间传递弯矩和剪力的作用, 是钢框架的主要组成部分, 它的性能直接关系到结构的整体反应。梁柱连接的设计应满足足够的强度和适当的刚度, 满足“强节点、弱构件”以及“强梁弱柱”原则。钢框架结构的梁柱连接多按刚性连接设计, 主梁与柱的连接具有足够刚度, 目前抗侧力框架和梁柱的抗弯连接均采用刚性方案。梁柱刚性连接的主要构造形式有3 种: 全焊节点; 高强螺栓连接节点; 栓焊混合节点。
2.1 全焊节点连接形式
1）全焊节点连接的特点
全焊节点连接是目前高层钢结构工程中应用较为广泛的一种梁柱节点连接方式。梁柱焊接节点的构造形式有多种,梁一般为H形,而柱有H形或箱形两种。全焊节点连接具有施工方便、节省钢材、整体刚度大的特点,它在抗弯钢结构中扮演着举足轻重的角色。早期人们都以为梁柱焊接节点具有很好的韧性,能通过塑性变形来吸收地震能量来保持结构的稳定,因而具有良好的抗震性能。但后来的调查中发现,许多地震中钢结构的脆性破坏多发生在梁柱焊接节点处,经过强烈地震,虽然出现了明显的塑性变形,但在连接处也发生了焊缝开裂现象。为保证焊接钢结构不发生脆性破坏,就要确保母材及接头各部位具有足够的断裂韧度值,还要从设计上消除梁柱焊接节点处的应力集中。
2）全焊节点的设计
避免增加结构的刚度和接头部位的应力集中情况下, 根据“强节点弱杆件”的原则适当加强节点, 在不发生失稳情况下, 可适当削弱梁,在梁上出现“塑性铰”。尽量减少结构和焊接接头部位的应力集中, 腹板上的工艺孔应平滑过渡, 避免应力集中。在不减小腹板连接强度条件下,适当加大工艺孔, 便于施焊, 提高焊缝质量。
2.2高强螺栓连接的梁柱节点
钢结构高强度螺栓连接是一种新型螺栓连接形式,这种连接方式可简化制造和安装工艺,对于结构承受动载十分有利,这种连接方式的施工要求十分严格。因其连接的整体性和刚度较好,目前在国外已得到普遍应用,尤其是高层和超高层钢结构的连接节点均采用了高强度螺栓连接方式,以及承受动载的结构设计中应用也较多。我国的一些桥梁和民用建筑也逐渐开始使用高强度螺栓连接。
1） 高强螺栓连接的类型和受力特点
按照设计和受力要求的不同,可将高强度螺栓分为承压型和摩擦型两种。在对摩擦型高强度螺栓连接进行抗剪设计时,是以外剪力达到由螺栓预压力所能提供的最大摩擦力为极限的。所以设计过程中要保证摩擦力完全能承受整个使用期间外剪力,螺栓杆和孔壁间始终保持原有空隙,使板件间不会发生相对滑移变形。承压型高强度螺栓连接设计只考虑在正常使用荷载作用下剪力不超过最大摩擦力,若剪力超过最大摩擦力时,就靠螺栓杆身剪切和板件接触面间摩擦力共同传力。采用高强度螺栓连接,螺栓受拉力主要靠板件间夹紧力的减少来承受,在接触面之间的正压力产生很大摩擦力,它能提供正常载荷下的拉力,一旦外荷载超过此摩擦力,连接板接触面就会产生滑移,则认为连接失效。
2）承压型高强螺栓连接的设计
因国内使用承压型高强度螺栓连接较摩擦型高强度螺栓连接少, 故设计参考资料较少, 多数教科书对摩擦型高强度螺栓连接介绍较详细,而承压型高强度螺栓连接介绍较简单, 我们在设计中以我国现行结构设计规范( 以下简称规范) 为主。
承压型高强度螺栓连接的计算: 其抗剪连接沿杆轴方向的受拉连接同时承受剪力和杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓连接计算需按规范进行。原规范中规定的在抗剪连接中以及同时承受剪力和杆轴方向拉力的连接中, 作了承压型高强度螺栓的受剪承载力设计值不得大于按摩擦型连接的规定, 主要是当时对承压型高强度螺栓的研究还不够深入,尤其是缺乏使用经验, 慎重计算。我们采用承压型高强度螺栓的承载力不超过按摩擦型计算的1.3 倍确保结构安全可靠。此外按规范规定结构的平均荷载分项系数约为1.3, 满足此项要求的承压型高强度螺栓在荷载标准值情况不致产生滑移, 则对保证结构的变形是有利的, 但不能充分发挥承压型高强度螺栓的效能, 而采用承压型高强度螺栓的前提是结构中允许发生一定滑移变形的连接, 这相当于对承载力进行了控制。
2.3栓焊混合连接的梁柱节点
栓焊混合连接的梁柱节点连接形式,是指梁腹板用普通或高强螺栓与柱翼缘连接,而梁翼缘与柱翼缘完全采用坡口焊接的形式,这种连接形式得到业内的专家和学者们一致认可,目前在国内外应用较多。这种连接方式不但可保证节点属于刚性连接,还能承受动力荷载,节点承载能力在反复加载的情况下仍没有降低,而且还能满足工程抗震所要求的延性。但最近有研究人员通过钢框架梁柱刚性节点破坏机理的试验研究表明,由于用螺栓连接需要打孔,这会削弱连接处梁、柱的强度,而且这种连接方式的施工比较复杂。
三、钢结构梁柱节点设计应注意的问题
( 1) 连接的设计应与内力分析的假定相一致。在结构分析前，就应该对连接节点的形式进行充分的思考和分析，以保证最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式完全一致。
( 2) 节点构造不应太复杂。节点设计要尽可能使工人能方便的进行现场定位和安装。此外，节点设计还应考虑加工厂的工艺水平。
( 3) 节点设计尽可能避免偏心连接，不能完全避免时应考虑偏心连接对结构的影响。
( 4) 传力要直接、连续。各构件之间受力要明确，尽可能避免应力集中。
( 5) 注意破坏顺序控制。设计时应加强主要构件的连接节点，避免在结构重要受力构件还处于弹性变形阶段时，由于节点破坏而导致整个结构的倒塌。
( 6) 注意构造细节。使节点具有足够的延性和韧性;节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。
结束语
至今，钢结构建筑已经历了多次强烈地震的考验，正如人们所预料的，钢结构的抗震性能远比混凝土结构优越。但是由于设计特别是构造上的不当，也发生了一些破坏，连接节点的破坏更是比较普遍。因此，节点设计是整个钢结构设计工作中的重要环节。
参考文献
[1]徐珂.钢结构梁柱刚性节点抗震设计探讨[J].建筑结构,2006.
[2]李星荣.钢结构连接节点设计手册[M].北京: 中国建筑工业出版社，2005．
[3]许建勋.钢框架节点受力性能及其对框架受力性能影响研究[D].宁波: 浙江工业大学, 2002.
[4]吴芸, 吴华英, 张溶等.狗骨式刚性连接钢框架结构抗震性能试验研究[J].武汉理工大学学报, 2003.
作者信息
尹鹏：山东省冶金设计院股份有限公司 项目管理部 ，山东 济南 250101工程师
张峰：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室 ，山东 济南 250101工程师
余维江：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室 ，山东 济南 250101工程师