多高层房屋钢结构的节点连接设计

接节点设计，在整个设计工作中应将其视为一个非常
重要的组成部分。节点设计是否恰当，将直接影响到
结构承载力的可靠性和安全性。因此节点设计至关重
要，应予以足够的重视。但是，在多、高层房屋钢结
构中，连接节点很多 ( 如国家标准图 01SG5所1编9 制 的诸多节点也只是高层钢结构房屋中一般性的常用节
点 )，今天只能检其最主要的、如与梁柱刚性连接的
多高层房屋钢结构的节点连接 设计
多高层房屋钢结构的节点连接设计
主要内容
1 讲述多、高层房屋钢结构梁柱刚性连接节
点 设 计及 其 相关 的 国家 标 准图 01SG519
的构造详图(上午)。
2 介绍国家标准图03SG519-1与04SG519-2 节
点连接设计的技术条件、图集的内容及其
使用方法(下午)。
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1 第一种设计方法
（即按组合内力来设计的方法）
采用该法的理论根据是，认为在多遇地震作用下，
结构处于弹性阶段，连接设计只要根据组合内力，并
根据梁的应力强度比 R1（即梁的地震组合弯矩设计值
乘以梁的承载力抗震调整系数 0.75 后，在梁截面中产
生的弯曲应力与梁的钢材强度设计值之比）来进行设
比）只用到了 0.7S 5(0.9S)0.8 。3
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3）如果在梁端仍不采用加强的作法，而是在梁端采
用栓焊连接的另一种常规作法（即梁腹板与柱之间采
用只传递剪力的螺栓连接，梁翼缘与柱之间采用只传
递弯矩的全熔透坡口对接焊）由于焊缝的抗弯承载力
最多只能作到梁截面抗弯承载力设计值的 85% ，此 时就必须要改用一个能承受 900.8 0 510k6N m 0的 梁截面，但此时由于梁截面只需用 75k0N m的弯矩 值来设计，梁的承载力更加富裕而不能充分利用,其
坏 ”。 现再利用下图来加以说明。
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全焊缝连接的常规作法。由于焊缝的抗弯承载力最多
只能作到与梁截面的抗弯承载等强，此时就必须要改
用一个能承受 90k0N m 的梁截面，但此时由于梁截
面只需用 75k0N m 的弯矩值来设计，梁的承载力
有富裕不能充分利用，其应力强度比（即梁的地震组
合弯矩设计值乘以梁的承载力抗震调整系数后，在梁
截面中产生的弯曲应力与梁的钢材抗拉强度设计值之
应力强度比只用到了 0 .7 0 5 .8 /0 。.5 9 0 .7
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总结：连接设计的第一种方法，从 上面的具体算例可以看出，如果在抗 震的节点连接设计中，按地震组合内 力来进行设计，就必然出现下面归纳 的三种情况：
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使连接焊缝的抗弯承载力设计值达到不小于框架梁抗
弯承载力设计值的 1.2 倍，才能确保框架梁在大震时
进入塑性，使延性得到充分发挥。否则，只加大截面
而不加强连接，则连接焊缝的弯曲应力必然高于梁端
截面的弯曲应力。当地震作用不断加大时，就很容易
发生当梁端截面还未进入塑性之前,处于梁端薄弱的
连接焊缝，就会因弯曲应力过高而发生 “ 脆性破
一是，当按 S R RE 计算时，完全按组合内力来 设计连接节点。
二是，组合内力只是作为设计构件截面的依据。但 在塑性区的节点连接设计时，是取高于构件的最大承 载力设计值作为节点的作用力来对节点连接进行设计 与验算。
三是，完全抛开以上两种设计方法，而是完全按照
公式 Mu1.2Mp 5/3/2021
地震在我国造成的经济损失十分巨大，据建国以来
十几次 7 级以上地震的不完全统计房屋倒塌 1 亿多平
方米，直接经济损失达数百亿之多。
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就以最近几年为例，在我国新疆、西藏、云
南、内蒙古自治区、江西等地先后就发生了多起
6 级左右的地震。这就说明了地震活动在我国还
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按照以上的思维方法来设计抗震连接节点是不
是就可以了呢？如果单从多遇地震作用效应来进
行以上的设计，好像是可行的，但从抗震设计的
原理和当地震烈度高于多遇地震时来看，却又是
不可行的。因为，我们的设计目标不仅仅是只满
足小震不坏的强度要求，而更重要的是要实现大
是相当频繁的，因此正确地认识我国地震活动的
特点以及我国经济力量的现狀，充分运用国内、
国外现代地震科学技术的成就，采用合理的，既
安全又经济的抗震设计方法，来改善建筑物的抗
震性能，减轻城乡地震灾害，是我们每个结构设
计人员义不容辞的使命。
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因此在多层和高层钢结构房屋抗震设计工作中，连
地震，有好几十幢房屋钢结构倒塌，好几百幢多、
高层房屋钢结构的梁柱刚性连接节点受到严重破
坏，引起了世人的极大关注，促使一些国家的学
者、科技人员加强了这方面的研究，其重要性显
得尤为突出。
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我国是世界上遭受地震最严重的国家之一，不论 是历史上还是现代，地震在中国的死亡人数和经济损失 在世界上都是居于首位。世界地震史上死亡人数最多的 一次地震是1156年我国的陕西华县 8 级地震，死83万 人（摘自魏琏编著的《建筑结构抗震设计》万国学术出 版社，1991）。在世界近代地震史中，死亡人数最多的 一次.地震也发生在我国，即1976年河北唐山7.8级地震， 死 24 万余人。
接与设计梁截面时，分别采用不同的内力设计值来进
行设计。即在设计连接焊缝时所取的内力设计值，就
应是梁截面内力设计值的 907 0501.2倍。
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1）如果所设计的梁截面刚好等于 75k0N m （即
应力强度比 R1 刚好等于 1.0 时），由于梁端连 接焊缝的抗弯承载力设计值需要 90k0N m此时
用效应在结构构件中的组合设计值，包括
组合的弯矩、轴向和剪力设计值。
R — 结构构件及其连接的承载力设计值。
RE—结构构件及其连接的承载力抗震调整系数 （对于框架梁、柱取0.75；连接焊缝取 0.9；连
接螺栓、节点板件取 0.85 ；支撑取 0.8 等）
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栓连接，梁翼缘与柱之间采用只传递弯矩
的全熔透坡口对接焊）同样也能使栓焊连
接的承载力大于组合内力设计值 1.2 倍的
要求。 如下图所示：
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即当应力强度比
0.7M 5x (W xf)< 0.83 0.85 = 0.70 设计
这些杆件用各种不同的连接方式和连接件将它们连
接成为一个非机动构架。这种杆件系统的构件，在
外荷载作用下，一旦节点发生破坏，整个结构就会
成为机动构架而失去承载能力。
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在以往国外多次地震中，常常发生钢框架节
点和竖向支撑节点破坏的事例，特别是1994年发
生在美国的北岭地震和1995年发生在日本的阪神
度要比基本烈度低 1.55 度。其地面加速度和地
震影响系数最大值 max 只是设防烈度地面加速
度和地震影响系数最大值的 0.35 倍）,梁的弯
曲应力比必然也将随之增大到 1.0。
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同样，也需要把前面的第二、第三两种节点连接
形式（或下页的第二、第三图）的梁端截面局部加大，
将表达式 SRRE 变换为 RESR 。在验算梁截面 时，要求梁截面抗弯承载力设计值必须 0.7 5100 0
75k0N m，但在确定梁端的焊缝连接时，其焊缝
截面的抗弯承载力设计值就必须要 0.9100 0
90k0N m。即在相同组合弯矩作用下, 经过规范
采用不同的调整系数调整后，就变成了在设计焊缝连
来进行连接的极限承载力计算。
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以上三种截然不同的设计方法，将直接影响 到设计的节点是否满足 “强节点弱杆杆” 的抗 震要求。是否能实现 “小震不坏,大震不倒” 设计目标的根本问题，所以下面将着重讨论证明 前面所提到的第一种是错误的，第三种设计理念 虽然可取，但式中的有关系数和强度取值有问题， 很不安全。唯第二种设计计算方法才是比较稳妥、 正确的，但也存在着不够完善的问题。
梁端整个截面即使采用全熔透的对接焊缝，也只 能承受 75k0N m的弯矩。怎么办？
可采用加强式连接来解决（如加盖板；或局 部加宽梁端翼缘板，或在梁端下翼缘加腋板等办 法来增大焊缝的截面积以增大焊缝的抗弯能力）。
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2) 如果在梁端不采用加强的作法，而是在工厂采用
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第一部分 多、高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点设计
节点连接在结构设计中的重要性：常用的一般建
筑钢结构，都是由若干竖杆、水平杆或加上斜杆组
成抗侧力的框架、或框架支撑结构。这些杆件的组
合，之所以能成为一个承力构件，能承担一定的竖
向荷载和水平荷载，靠的就是各杆件之间的节点将
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二是，当遭遇超过多遇地震（小震）
作用至基本烈度（中震）设防，或遭遇罕
遇地震作用（大震）、按（大震烈度）设
防时，规范还要求用公式 Mu1.2Mp 即抗震规范公式 (8.2.8-1）进行连接的
极限承载力验算；
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但是，在执行上述规范时，不同的设计人员，很可 能在相同设计条件下设计出三种承载力相差非常悬殊 的连接作法，这三种不同的作法是:
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一是，当遭遇多遇地震作用（小震） 时，应采用表达式 S R RE 。即抗震 规范公式 ( 5.4.2 ）。
注意：该条在规范中为必须严格执 行的强制性条文。
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式中： S — 考虑多遇地震作用时，荷载效应和地震作
震不倒的设计目标。如按组合内力来设计连接节
点，只能说,其连接只能抗小震而不能抗大震。
这是因为：
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当地震烈度高于多遇地震进入设防烈度的过
程中，凡是应力比较低（即截面较大）的抗侧力
构件，由于仍处于弹性阶段，其构件内力仍将继
续随地震作用的加大而加大（因为多遇地震的烈
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即当应力强度比
0 .7M 5 x(W xf) f为 0.83～１ 时
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2）当梁的应力强度比小于 0.83 时， 在梁端就可以不必加强，而只需采用全 焊接连接（即截面的抗弯等强连接）就 可满足使焊缝的抗弯承载力设计值大于 组合内力设计值的 1.2 倍的要求。如 下图所示：
计即可。且认为可按以下三种不同情况分别进行处理。
为了方便说明问题，在此引用一个具体数字来说明这
一方法的思路。
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以下是电算结果的表示方法，摘自《高层建筑 结构空间有限元分析与设计软件 ＳＡＴＷＥ
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假定梁端有一个 10k0N 0 m的地震组合弯矩,并
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即当应力强度比
0 .7M 5 x(W xf) f为0.83～0.73时
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3）当梁的应力强度比小于 0 .8 3 0 .8 5 0 .7
时，在梁端还可以采用栓焊连接的作法
（即梁腹板与柱之间采用只传递剪力的螺
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1） 当梁的应力强度比大于 0.83 时，就应开
始在梁端采取加强措施来增大焊缝的抗弯承载力
当梁的应力强度比大到等于 1.0 时，其加强后
的焊缝抗弯承载力设计值就应不小于梁截面抗弯
承载力设计值的 1.2 倍。 ( 该1.2 即为焊缝的
抗震调整系数 RE0.9 ， 与梁的抗震调整系
数 RE0.75 之比）。如下图所示：
节点以及与之相关的一些节点来谈谈：
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首先谈谈目前多高层房屋钢结构 梁柱刚性连接节点设计中所存在的问题
及其正确的设计方法
按照现行的《建筑抗震设计规范》GB 50011 2001多层和高层房屋钢结构的连接节点的抗震设 计应分两个阶段进行，而各个阶段所采用的计算 公式分别如下：