探讨钢结构装配式梁柱的连接节点性能

探讨钢结构装配式梁柱的连接节点性能

彭文蔚

摘要：随着建筑结构的不断发展，装配式钢结构建筑逐渐朝着多样化、标准化、机械化和工厂化的方向发展。本文主要结合笔者多年工作经验，阐述了钢结构装配式梁柱的连接节点性能。

关键词：装配式；钢结构；梁柱；连接；节点；性能

引言

随着建筑行业的不断发展，装配式钢结构越来越广泛的应用在建筑结构设计中。在装配式钢结构设计中，梁柱连接节点是设计的重点内容，节点构造形式对节点的强度、刚度和整体结构的受力和变形都会产生直接的影响，同时梁柱连接节点是钢结构现场施工的重点环节。因而做好装配式钢结构梁柱连接节点设计对于钢结构建筑设计和施工都具有十分重要的意义。

1 钢结构住宅的主要优势

自重轻，可减轻建筑物的重量约30%，可以建设在地质承载力低的地方和地震烈度较高的地区；

布置灵活、开间大，使房型丰富，一般的结构使用面积只是建筑面积的70%左右，而钢结构建筑可达到80～85%，有效地增加了使用面积与可利用空间；

可工厂化生产、提高劳动生产率，变“现场建造”为“工厂制造”；施工周期大大缩短，减少湿作业量，且其节能指标可达50%。

2 钢结构构件梁柱节点设计

2.1 钢结构构件节点强度的重要意义

在地震作用下，对装配式钢结构体系影响最大的就是梁柱节点的破坏。装配式钢结构梁柱连接节点必须要满足钢结构连接弱构件的强度，梁柱节点的承载能力不应该低于构件的承载力，否则的话节点就会先于构件发生破坏，塑性铰也就不会形成，从而给人们的生命和财产安全造成严重的威胁和影响。

2.2 梁柱节点的脆性破坏机理

梁柱节点出现脆性破坏的主要原因在于梁柱焊接会产生集中应力。梁柱节点产生的典型脆性破坏形式主要是：梁自下翼缘与柱翼缘相交处焊缝出现脆性裂纹，裂缝随着受力的不断增加而不断的伸长和扩展，最终导致不同的断裂形式的出现。发生梁柱节点脆性破坏的主要位置是在梁端。要想避免脆性破坏的发生，必须要减小或者避免梁端产生裂纹。加强节点强度的措施主要有：①塑性铰位置外移法；②改进扇形切角构造；③对梁翼缘焊缝衬板进行缺口效应处理；④将梁腹板焊接在柱上；⑤用高冲击韧性的焊缝来替代。

2.3 梁柱节点的基本类型和设计

2.3.1 梁柱节点的基本类型

梁柱节点的基本类型主要包括：①刚性连接节点；②半刚性连接节点；③铰接连接节点。

2.3.2 梁柱节点设计

（1）全焊节点

梁端弯矩主要由梁翼缘承担，梁端剪力则主要由梁腹板承担。

（2）高强螺栓连接节点

①摩擦型高强度螺栓。②承压型高强度螺栓。

（3）栓焊混合连接节点

国外近期关于的地震破坏的资料表明，定位螺栓联合焊接的方式将是高层、超高层钢结构工程的首选。这种连接的优势在于不但可以保证节点属于刚性连接，同时结构可以承受动力荷载，经过反复加载后节点承载能力基本没有降低。

3 梁柱刚性连接节点抗震设计建议

为了避免装配式钢结构梁柱连接节点在发生强烈地震的作用下出现脆性破坏，避免房屋出现损坏甚至是倒塌的现象，不但需要严格要求梁柱节点的承载力，还要要求梁柱连接节点具备较好的塑性转动能力。

3.1 梁柱刚性连接节点焊缝质量控制

梁柱刚性连接节点不管是在工厂的制作中还是在现场的安装中，都可能会遇到焊接连接问题。不管是在哪种情况下，梁柱连接都和焊接问题息息相关。所以说，连接焊缝的质量控制对梁柱连接节点是非常重要的。但就目前行业国家标准对这方面尚无明确的规定。对此，笔者认为凡是高层钢结构、乙类及以上的多层钢结构、低层大型钢结构，以及在高烈度地震区的安全等级不低于二级的钢结构房屋，其梁柱现场安装连接的全熔透坡口对接焊缝的质量等级都应为一级，角焊缝的质量等级宜为二级，且必须要求外观缺陷检查符合二级标准或以上；对无垫板的全熔透坡口对接焊缝，其强度设计值应乘折减系数0.85；如果上述两种情况同一时间出现，那么应当将两个系数连乘。在进行高空梁柱现场安装时，焊接连接的极限受弯承载力在Mu≥1.2Mp的验算，如果不存在条件良好的高空焊接条件，可以采用计算式Mu=1.25MP进行验算，但是如果没有良好的高空焊接条件，那么计算式Mu=Afw（h-tfw）fu应计入折减系数0.90。

3.2 梁柱刚性连接节点的选用

框架梁采用热轧H型钢与柱直接连接时，可选用削弱型的RBS式节点，该节点也被称为狗骨式节点，主要特点就是削弱了梁的翼缘靠近节点的截面，梁的削弱部分截面能够对塑性铰出现的位置进行改变，从而使得塑性铰在极限荷载作用下偏离脆弱节点连接处，能够有效的对梁柱节点的延性进行增加，这种节点方法在国外高层钢框架结构中具有较多的应用，我国已经建成的大津国贸中心大厦也采用了这种节点，取得了较好的效果。如无弧线形切割的加工条件，则可选用加强型的盖板式节点或支托式节点。当框架梁采用焊接H型钢与柱直接连接时，不仅可以选择上述节点，可能够选择梁端梯形翼缘连接节点、梁端翼缘不等强连接节点和加强型悬臂梁段连接节点。梁端梯形翼缘连接节点，就是将梁端的翼缘板设计成为梯形的梁柱连接节点，如图1所示。梁端梯形翼缘连接节点作为一种加强型节点，与盖板式连接节点以及支托式连接节点相比，具有焊接应力集中程度低、焊缝构造简单的优势，但是这种节点方式对于翼缘板下料和制作过程相对来说比较复杂。

图1 梁端梯形翼缘梁柱刚性连接节点（加强型）

所谓梁端翼缘不等强连接节点，指的是梁端材料的强度等级高于梁中间部位翼缘材料等级的连接节点，见图2。如某梁中间部位翼缘选择的是Q235级钢材，两端部位翼缘和柱翼缘选择的是Q345级钢材，梁腹板全部选择Q235级钢材。在这种前提下，在焊接不同强度等级的钢材时，需要选择使用与钢材力学性能相互适应同时塑性、冲击韧性和抗裂性能优良的焊接材料。梁端翼缘不等连接节点也作为一种加强型连接节点，也具有梯形翼缘连接节点的优势，同时该节点下料和制作的过程也相对简单。

图2 梁端翼缘不等强梁柱刚接点（加强型）

湖北省黄冈市郊区某工程为钢结构建筑，层数为5层/钢柱，分1.6m、8.55m、8.7m三段，建筑高度为15.85m，建筑跨度25m，该建筑梁柱结构原本采用焊接H型钢，但由于常年受到雨雪和大风的影响，导致梁柱节点出现多处宽度不一的裂缝，经过研究决定采用了狗骨式节点对其进行补强处理，取得了较好的使用效果。

4 结语

装配式钢结构梁柱连接节点是保证梁和柱协同工作的关键部位，它的性能对钢结构的刚度、稳定性和承载能力产生直接的影响。梁柱加强型刚性连接节点主要有上面所述的盖板式、支托式及图1和图2所示四种类型，削弱型梁柱刚性连接节点主要有RBS式连接节点一种。带柱外悬臂梁段的梁柱刚性连接节点均为加强型连接节点，也有四种类型可供选用。

参考文献：

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[2]刘学春，徐阿新，倪真，张爱林.模块化装配式钢结构梁柱节点极限承载力分析与抗震性能研究[J].工业建筑，2014（08）：34～35.

[3]张茗玮，王燕，舒慧.装配式钢管内套筒-T型件梁柱节点力学性能分析[J].钢结构，2015（09）：145～146.

中图分类号：TU323.5

文献标识码：A

文章编号：1673-0038（2017）05-0070-02

收稿日期：2017-1-4

作者简介：彭文蔚，男，工程师，二级注册结构师，硕士，主要从事结构设计工作。