高层钢结构连接节点设计
【摘要】连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。
节点设计应符合“二强”抗震设计准则，即“强节点弱构件、强焊缝弱钢材”。
在结构分析前,必须对节点的形式有充分思考与确定,避免出现最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式完全不一致。
连接节点按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接。
连接节点的不同对结构产生很大的影响。
【关键词】钢结构；节点设计；连接方法
1 节点设计应遵循原则
1．1 节点受力明确，减少应力集中，避免材料三向受拉；
1．2 节点连接设计应采用强连接弱构件的原则，不致因连接较弱而使结构破坏；
1．3 节点连接应按地震组合内力进行弹性设计，并对连接的极限承载力进行验算；
1．4 构件的连接一搬应采用与构件等强度或比等强度更高的设计原则；
1．5 简化节点构造，以便于加工及安装时容易就位和调整。
2 “二强”抗震设计准则
2．1 强节点、弱构件
对于框架、支撑等杆件，使节点的承载能力高于构件的承载能力，防止节点的破坏先于构件的破坏，是确保构件整体性的必要条件。
但节点又不可过强，应允许地震时梁-柱节点区域的板件能产生一定量的剪切变形，以提高整个框架的延性。
2．2 强焊缝、弱钢材
构件焊缝的延性，一般均低于被连接板件的钢材延性，“强焊缝、弱钢材”，即要求焊缝的承载力应高于被连接钢材板件的承载力，可以使构件的屈服截面避开焊缝而位于钢板之中，从而提高构件以至整个结构的延性。
3 梁与柱的刚性连接
3．1 梁与柱的刚性连接系指节点具有足够的刚性，能使所连接构件间的夹角在达到承载力之前，实际夹角不变的接头，连接的极限承载力不低于被连接构件的屈服承载力。
3．2 梁与柱刚性连接的构造形式分为：
3．2．1 全焊接节点，梁的上、下翼缘用坡口全熔透焊缝，腹板用角焊缝与柱翼缘连接；
3．2．2 栓焊混合连接节点，即仅梁的上下翼缘用坡口全熔透焊缝与柱翼缘连接，腹板用高强度螺栓与柱翼缘上的剪力板连接，是目前多层和高层钢结构梁与柱连接最常用的构造形式；
3．2．3 全栓接节点，梁翼缘和腹板借助T 型连接件用高强度螺栓与柱翼缘连接，虽然安装比较方便，但节点刚性不如前两种连接形式好，应用并不多。
3．3 梁与柱刚性连接的承载力计算
梁与柱连接验算时，可采用由翼缘承受弯矩和腹板承受剪力的近似计算方法。
3．3.1 梁与柱的连接强度
1）梁与柱全焊接连接
当采用全焊接节点连接时（图1）梁翼缘与柱翼缘对接焊缝的抗拉强度为
（1.1）
梁腹板角焊缝的抗剪强度为（1.2）
2）梁与柱栓焊混合连接
梁柱的栓焊连接（图2）中梁翼缘与柱腹板的连接强度仍采用公式（1.1），梁腹板高强度螺栓的抗剪承载力为（1.3）
图1梁—柱全焊接刚性节点图2 梁—柱栓焊混合连接刚性节点
3.3.2 梁与柱连接的极限承载力
1）梁翼缘受弯MU=Af（h-tf）fu（1.4）
2）梁腹板受剪
（1）梁腹板用角焊缝与柱翼缘连接
VU=0.58Awffu （1.5）
（2）梁腹板采用高强度螺栓与柱翼缘连接板连接的极限承载力取下列公式中的较小值：
Vu=nNbvu （1.6）
Vu=nNbcu （1.7）
其中Nbvu =0.58nfAbefbu （1.8）
Nbcu =d∑tfbcu （1.9）
以上计算的极限受弯承载力和受剪承载力均应满足下列公式（2.0）和（2.1）的要求。
Mu≥1．2MP（2.0）
Vu≥1．3（2MP／ln），且Vu≥0.58hw tw fy（2.1）
3．4 梁与柱刚性连接的构造
3．4.1 框架梁与工字形截面柱（翼缘）和箱形截面柱刚性连接的构造
图3 框架梁与柱刚性连接
1）梁翼缘与柱翼缘间采用全熔透坡口焊缝，梁腹板采用摩擦型高强度螺栓与柱翼缘连接板连接；
2）梁腹板上下端均作扇形切角，下端的切角高度稍大一些，允许施焊时焊条通过。
与梁翼缘相连处作成半径10～15mm 的圆弧，其端部与梁翼缘的全熔透焊缝应离开10mm 以上。
3）梁与柱翼缘间的全熔透坡口焊缝，当抗震设防为8 度乙类建筑和抗震设防为9 度时，应检验V 型切口的冲击韧性，其冲击韧性在-20OC 时不低于27J；
4）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两列；当计算仅需一列时，仍应布置两列，且螺栓总数不得少于计算值的 1.5 倍。
5）梁与柱刚性连接时，按抗震设防的结构，柱在梁翼缘上下各500mm 的节点范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的组合焊缝，应采用全熔透坡口焊缝。
3.4.2 工字形截面柱（翼缘）和箱形截面柱通过带牛腿与框架梁连接时，采用如下图（图4）的构造措施。
图 4 柱带牛腿与框架梁连接
1）框架梁的现场拼接采用翼缘全熔透坡口焊接和腹板高强度螺栓连接（图4-a）；
2）框架梁的现场拼接全部采用高强度螺栓连接（图4-b）
3.5 工字形截面柱在弱轴与主梁刚性连接
当工字形柱在弱轴方向与主梁刚性连接时，应在主梁翼缘对应位置设置水平加劲肋，在梁高范围内设置柱的竖向连接板，其厚度应分别与梁翼缘和腹板厚度相同。
柱水平加劲肋与柱翼缘和腹板均为全熔透坡口焊缝，竖向连接板与柱腹板连接为角焊缝。
主梁与柱的现场连接如下图（图5）所示：
图 5 柱在弱轴与主梁刚性连接
3．5．1 梁翼缘采用全熔透坡口焊接与柱水平加劲肋连接，梁腹板用高强度
螺栓与柱竖向连接板连接（图5-a）。
其连接计算方法与在柱强轴方向连接相同，梁端弯矩通过柱水平加劲肋传递，梁端剪力由梁腹板高强度螺栓承担。
3．5．2 与柱在主轴方向连接相同，也可在垂直柱弱轴方向加焊牛腿，形成连接支座与主梁连接（图5-b），梁翼缘之间的连接可采用高强度螺栓（或全熔透坡口焊接），腹板之间采用高强度螺栓连接。
3．6 梁与柱柔性连接
柔性连接只能承受很小的弯矩，这种连接实际上是为了实现简支梁是支撑条件，即梁端没有线位移，但可以转动，即所谓铰接。
由柱翼缘连接角钢（或节点板）或由支座连接角钢传递剪力的节点是典型的梁与柱柔性连接节点（图6）。
图 6 梁-柱的柔性连接
4 柱与柱的连接
4．1 柱与柱工地接头的设计原则
4．1．1 柱的工地接头应位于框架节点塑性区以外，一般宜在框架梁上方1.3m 附近；
4．1．2 柱接头的设计应满足极限承载力Mu≥1.2Mpc 的设计原则；
4．1．3 柱接头上下各100mm 范围内，工字形截面柱翼缘与腹板及箱形截面柱角部壁板间的组合焊缝，应采用全熔透坡口焊缝；
4．1．4 柱的工地接头处应设置安装吊耳，厚度不得小于10mm。
耳板宜设置于柱的一个方向的两侧。
4．2 柱的承压接头
按非抗震设计的轴心受压柱或压弯柱，当柱的弯矩较小且不产生拉力的情况下，柱的25%的压力可通过铣平端传递，柱的上下端应铣平顶紧，并与柱轴线垂直。
柱的承压接头可采用部分熔透焊缝，坡口焊缝的有效深度te 不宜小于构件厚度的1/2。
图7 柱承压接头的部分熔透焊缝
4.3 工字形截面柱的工地接头
工字形截面柱的工地接头，翼缘一般为全熔透坡口焊接，腹板可为高强度螺栓连接（图8-a），当采用焊接时，上柱腹板开K 形坡口，要求焊透（图8-b）。
图8 工字形柱的工地接头
4.4 箱形截面柱的工地接头
箱形截面柱的工地接头应全部采用焊接，为便于全截面熔透，常用的接头形式如下图（图9）所示：
图9 箱形柱的工地焊接
箱形截面柱接头处的下柱应设置盖板，与柱口齐平，盖板厚度不小于16mm，用单边V 形坡口焊缝与柱壁板焊接，并与柱口一齐刨平，使上柱口的焊接垫板与下柱有一个良好的接触面。
上柱一般也应设置横隔板，厚度通常为10mm，以防止运输和焊接时变形。
5 梁与梁的连接
5．1 框架梁工地接头的设计原则
5．1．1 框架梁的工地拼接接头应位于框架节点塑性区以外，即离开从梁端起的1/10 跨长并应大于 1.6m；
5．1．2 按抗震设计时，梁的拼接接头应满足等强度要求；
5．1．3 当梁按接头处内力进行拼接时，可由翼缘承担弯矩，腹板承担剪力。
当拼接内力较小时，拼接处强度不应低于原截面承载力的的50%。
5．2 主梁与次梁的连接
主梁的工地拼接主要用于梁与柱全焊接节点的柱外悬臂梁段的连接，其拼接形式见图4。
5．3 次梁与主梁连接
次梁与主梁连接通常设计为简支铰接（图10）。
次梁与主梁的塑向加劲板用高强度螺栓连接（图10-a、b），当次梁内力和截面较小时，也可直接与主梁腹板连接（图10-c）。
（a）用拼接板分别连于次梁及主梁加劲肋上；（b）次梁腹板连于主梁；
（c）用角钢分别连于主次梁腹板
图10 次梁与主梁的螺栓简支连接
【参考文献】
［1］钢结构设计手册．3 版．中国建筑工业出版设．
［2］JGJ 99-98高层民用建筑钢结构技术规程．
［3］JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程．
［4］04SG519多、高层民用建筑钢结构节点构造详图．。