建筑工程师职称论文钢结构梁柱节点抗震设计

　　【摘要】：钢结构梁柱节点受力复杂，是结构的薄弱环节，必须引起足够的重视，本文以下内容将对钢结构梁柱节点抗震设计进行分析和探讨，仅供参考。

　　【关键词】：钢结构,梁柱节点,抗震设计

　　1、前言

　　改革开放以来,随着经济和科技的发展，以及钢结构具有良好的抗震性能、便于安装、工期短、轻质高强等特点，其在我国的应用越来越广泛，如上海的金茂大厦、深圳地王大厦、深圳太平金融大厦等。在钢结构抗震设计中，梁柱节点是需要着重考虑的组成部分，由于其受力复杂、施工繁杂，而一旦破坏则甚至能引起整个建筑结构的倒塌，造成财产损失和人员伤亡，必须引起足够的重视。本文以下内容将对钢结构梁柱节点抗震设计进行分析和探讨，仅供参考。

　　2、钢结构梁柱节点破坏分析

　　根据作者多年的实践经验，认为钢结构梁柱节点破坏的形态主要有如下几种：

　　第一，梁翼缘的应力不均匀分布引起的脆性破坏。钢结构连接主要采用内隔板式、外隔板式和内外隔板式等3种方式，而在工程实际中普遍使用的是第3种连接，在大量的地震中，内外隔板式梁柱节点的脆性破坏都是从焊缝端部的焊趾开始。同时，试验表明梁体的翼缘在靠近节点焊缝处的应力分布极其不均匀，在距离柱边一个翼缘宽度以外，应力分布逐渐均匀。根据试验绘制的翼缘应力分布图，靠近焊缝处梁体中轴线处的应力小，边缘的应力大;距离节点焊缝距离越远应力分布越均匀。普通节点在梁端竖向荷载作用下的应力分布图也可以看出粱的翼缘的应力分布，既边缘应力大，中间应力小。梁翼缘处出现这种应力分布情况，主要是由于梁腹板对翼缘的嵌固作用导致梁边缘部位的应变小于中轴线的。在地震作用下，由于这种应力分布的不均匀性，梁将首先从边缘进入塑性状态。同时由于钢材的应变硬化效应，在中轴线处梁翼缘达到屈服应力并刚刚形成塑性铰或还没有形成塑性铰之前，边缘处的应力可能已经达到『钢材的极限强度或焊缝的破坏应力，产生裂纹。另外在梁腹板与柱连接处没有竖向加劲肋，由于柱翼缘平面外的弯曲变形使得梁腹板承受的弯矩减小，引起梁翼缘应力增加。因此在塑性变形很小的情况下，节点就发生了破坏。

　　第二，焊接质量引起的梁柱连接破坏。在美国Northridge地震中梁柱节点最多的断裂主要发生在焊透的对接焊缝连接的梁柱节点上，多为脆性断裂，破坏形式有下列几种：①裂缝从焊趾处向梁腹板扩展;②裂缝穿过柱翼缘向腹板扩展;③裂缝从下翼缘垫板与柱的连接处向柱翼缘中部扩展，甚至使翼缘劈裂;④下翼缘焊缝与柱子翼缘完全脱或下翼缘焊缝裂缝一直扩展到柱腹板或梁腹板，这是梁柱节点的主要震害形式。这些破坏形式是由于焊缝质量缺陷使焊接节点发生断裂破坏造成的。在破坏的节点断面上可以观察到熔渣及不完全熔化等现象，这些缺陷是节点脆性破坏的直接原因。而不恰当的焊接T艺容易在材料中产生大的焊接残余应力，使热影响区在收缩时产生裂纹，从而造成焊缝的不连续性，这也被认为是梁下翼缘首先出现裂缝的主要原因。

　　第三，塑性铰范围小引起的整个节点的脆性破坏。钢结构抗震设计的基本原则是“强柱弱梁，强点强锚固”。但是在强调节点强度的同时忽略了节点的延性。在地震作用下梁柱节点处的粱首先屈服，形成延性很好的塑性铰。这段塑性铰区也包括靠近节点处的一小段梁翼缘。尽管钢材具有很好的延性性能，但因为节点处延性较差，因此会在塑性铰形成前焊缝处的应力就达到了焊缝的破坏应力或是端部翼缘达到粱钢材的极限强度，造成节点的脆性破坏。因此在设计时，要保证节点塑性区的长度范围，以使钢材的延性充分发挥。

　　3、钢结构梁柱节点抗震设计应注意的问题

　　根据作者多年的实践经验，认为钢结构梁柱节点抗震设计应注意如下几个方面的问题：

　　第一，选择合理的钢结构梁柱节点形式。目前，在实际工程中常用的梁柱节点形式主要有：

　　①梁端加强或加腋式梁柱节点。这两种节点即为增大梁端及其与钢柱焊接的截面，使梁端及节点承载能力高于正常钢梁截面承载能力，在地震作用下，加强的梁端及梁柱节点尚未进入全截面塑性受力状态时，接近梁端的正常钢梁截面因截面较小，先形成塑性铰，从而起到保护梁柱刚性连接节点的作用。

　　②梁端削弱式(犬骨式)梁柱节点。其是对靠近梁柱节点的钢梁翼缘进行圆弧削弱，在地震作用下，翼缘削弱处先于梁柱节点出现塑性铰，实现塑性铰外移，起到保护梁柱刚性连接节点的作用，这种处理对节点处结构特性没有改变，当梁翼缘被削弱50%时，结构刚度降低6%～7%左右;被削弱40%时，降低4%～5%，设计时需考虑刚度变化对整体分析的影响。该节点形式因处理点在钢梁上，符合“强连接弱杆件”设计思路，对梁柱连接处节点设计、安装无影响。在构件加工时，处理圆弧削弱要求加工尺寸准确，切割面光滑无尖角，避免应力集中，磨平时应顺翼缘长度方向加工，对加工工艺有较高要求。

　　③腹板开槽型节点：实验和理论研究表明, 腹板上开槽对腹板的削弱和梁的弹性阶段的荷载—位移曲线影响不十分明显, 在此原理下产生此种节点。其设计特点为: 能有效地使梁柱节点在地震作用下的塑性铰外移, 起到保护焊接节点、防止发生脆性破坏的目的; 能够减小梁与柱翼缘焊接焊缝处的应力集中。从而有利于节点抗震性能的发挥, 使节点的破坏模式从原来的焊缝的塑性屈曲破坏转变为梁翼缘板的局部屈曲破坏。这种结构的不足之处也是明显的, 类似狗骨式节点, 也有工艺复杂, 要求精度较高, 在槽型孔底部容易形成应力集中点的问题, 削弱后的腹板在安装过程中易受到外力冲击而发生变形。

　　第二，在整体设计阶段，要重视抗震概念设计的思想应用，在整体设计时就要预先考虑到节点的构造做法，看其是否能满足整体设计的假定;在节点设计时，要紧扣规范，规范规定的承载力要求、构造要求必须满足，如梁柱节点的极限受弯、受剪承载力要求。这都是实现“强节点弱杆件” 抗震概念设计思想的保证。现在，新的抗震规范已经开始实施，极限承载力的放大系数比以前有所提高，不再局限于1.2。

　　第三，采用合理的连接形式。多层及高层钢结构连接节点的连接，可采用焊接、高强度螺栓连接或将焊接和高强度螺栓连接混合应用，即在一个连接节点中各自的连接面上，分别采用焊接连接和高强度螺栓连接。具体的设计中应注意以下几个方面：①栓接，高强螺栓,使用日益广泛。常用8.8和10.9两个强度等级。根据受力特点分承压型和摩擦型。两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12。常用M16~M30。超大规格的螺栓性能不稳定,应慎重使用。②焊接，对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应严格遵守。焊条的选用应和被连接金属材质适应，E43对应Q235,E50对应Q345。Q235与Q345连接时,应该选择低强度的E43,而不是E50。焊接设计中不得任意加大焊缝，焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近。其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。③梁腹板,应验算栓孔处腹板的净截面抗剪。承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。另外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。构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。④连接板,需验算栓孔削弱处的净截面抗剪等。连接板厚度可简单取为梁腹板厚度加4mm，则除短梁或有较大集中荷载的梁外，常不需验算抗剪。接节点的设计不但要遵循简洁、可靠、便于施工的原则，而且要考虑当前的施工水平，应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。另外，要注意在多层及高层钢结构中，构件的内力较大，板件较厚，因此在设计中应注意连接节点的合理构造，避免采用易于产生过大约束应力和层状撕裂的连接形式和连接方法，使结构具有良好的延性，而且便于加工制造和安装。

　　第四，应满足规范规定的抗震构造要求。①梁翼缘与柱翼缘应采用全熔透坡口焊缝;②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小于二列，当计算仅需一列时，仍应布置二列，且此时螺栓总数不得小于计算值的1.5倍;④柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时，宜采用箱形截面，当仅在一方向刚接时，宜采用工字型截面，并将柱腹板置于刚接框架平面内;③梁与柱的连宜采用柱贯通型; ⑤柱在梁翼缘对应位置应设置横向加劲肋，且加劲肋厚度不应小于梁翼缘厚度。

　　4、结尾

　　以上内容首先对钢结构梁柱节点破坏形态进行了分析，随后对钢结构梁柱节点抗震设计应注意的问题进行了研究和探讨，表达了自己的观点，提出了自己的见解。但是作者深知，作为一名设计人员，应在实践中不断总结和学习，只有这样才能为提高钢结构梁柱节点抗震设计水平做出更大的贡献。

　　【参考文献】

　　[1]《钢结构设计》张耀春等，高等教育出版社

　　[2] 《钢结构抗震设计》李爱群等，中国建筑工业出版社

　　[3] 《钢结构设计原理》苏彦江等，中国铁道出版社