钢结构节点设计浅析

钢结构节点设计浅析
摘要：钢结构节点的设计与工程的质量有着密切的关系，本文介绍了钢结构接点设计的一般措施并提出了优化改进的途径。

关键词：钢结构；节点设计；梁柱
引言
钢结构生产具备成批大件生产和高度准确性的特点，可以采用工厂制作、工地安装的施工方法，使其生产作业面多，可缩短施工周期，进而为降低造价、提高效益创造了条件，再加上钢结构在大跨度上优势明显且轻质高强，因此，现代建筑中，钢结构的应用越来越广泛。

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这种偏差。

二、钢结构梁柱节点的一般设计
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。

1、全焊节点
1.1全焊节点连接形式
全焊节点连接：梁的上下翼缘用全熔透坡口对接焊缝，腹板用角焊缝与柱翼缘连接。

翼缘对应处应加水平加劲肋，箱形柱内应设加劲肋隔板。

加劲肋应按与梁翼缘等强设计，其连接焊缝亦应满足等强传力的要求。

梁柱刚性连接中，梁端内力向柱传递时，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。

1.2全焊节点的设计
在避免增加结构刚度和接头部位应力集中的情况下，根据“强节点弱杆件”的原则适当加强节点，在不发生失稳的情况下，可适当削弱梁。

在梁上出现“塑性铰”时，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。

在不减小腹板连接强度条件下，适当加大工艺孔，以便于施焊，提高焊缝质量。

2、高强螺栓连接节点
2.1高强螺栓连接形式
高强螺栓连接节点：梁腹板与柱以高强螺栓现场连接，以传递轴力、弯矩与剪力。

该种连接形式施工要求十分严格，但是对于结构承受动载十分有利，可简化制造和安装，特别是在高层和超高层钢结构以及承受动载的结构设计中，所有连接节点均采用高强度螺栓连接方式。

2.2高强螺栓连接的类型和受力特点
高强度螺栓受剪力时按照设计和受力要求的不同，可分为摩擦型和承压型两种。

摩擦型高强度螺栓连接在受剪设计时，是以外剪力达到板件接触面间由螺栓预压力使板件压紧所提供的最大摩擦力为极限的。

在设计摩擦型高强螺栓时，应保证连接点在整个使用期间外剪力不超过最大摩擦力，即能由摩擦力完全承受，使板件间不会发生相对滑移变形，即螺栓杆和孔壁间始终保持原有空隙。

连接件按弹性整体受力考虑。

承压型高强度螺栓连接在抗剪设计时只保证在正常荷载作用下，剪力一般不会超过最大摩擦力，其受力性能和摩擦型相同。

若剪力超过最大摩擦力时，连接板件间将发生相对滑移变形直到螺栓杆与孔壁一侧接触，之后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间摩擦力共同传力。

2.3承压型高强螺栓连接的设计承压型高强度螺栓连接的计算：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1.3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。

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。

3、栓焊混合连接节点
栓焊混合连接节点：梁翼缘与柱翼缘完全采用坡口焊接，而梁腹板采用普通或高强螺栓与柱翼缘连接的形式。

这种连接形式是业内专家和学者们均认可的一种形式。

纯螺栓或栓焊连接只是考虑现场施工方便，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。

经试验，这种形式的连接在经过多次非常剧烈的反复加载后会突然断裂，表明与柱子腹板的这种连接具有的延性较全焊接连接节点具有的延性稍差，但栓焊混合节点也能满足工程抗震所要求的延性。

另外连接处梁、柱的强度由于打孔的原因均被削弱，施工过程复杂。

三、钢结构节点设计的改进
1、将塑性铰的位置外移
塑性铰出现在柱面附近的梁上，可能在柱翼缘的材料中引起很大的厚度方向应变，并对焊缝金属及其周围的热影响区提出较高的塑性变形要求，这些情况也可能导致脆性破坏。

因此，为了取得可靠的性能，最好还是将梁柱连接在构造上使塑性铰外移。

将塑性位置从柱面外移有两种方法，一种是将节点部位局部加强，一种是在离开柱面一定距离处将梁截面局部削弱。

钢梁中的塑性铰典型长度约为梁高的一半，当对节点局部加强时，可取塑性铰位置为距加强部分的边缘处梁高的1／3。

节点局部加强固然也可使塑性铰外移，但应十分注意不要因此出现弱柱，有背强柱弱梁的原则。

2、梁冀缘焊缝衬板缺口效应的处理
由于上翼缘焊缝处衬板的缺口效应不严重，而且它对焊接和超探也没有妨碍，出于费用考虑，割除上翼缘衬板可能不合算，如果将上翼缘衬板边缘用焊缝封闭，试验表明并无不利影响，因此美国现时做法是上翼缘衬板仍然保留并用焊缝封口。

坡口焊缝的引弧板，在上下翼缘处通常都切除，因为引弧和灭弧处通常都有很多缺用气切切除后还需打磨，才能消除潜在的裂缝源。

在消除衬板的缺口效应方面，日本是非常重视的。

在阪神地震后发表的技术规定中，对采用H型钢梁、组合梁，以及采用组合梁时梁预先焊接或与衬板同时装配，不论是否切角，均采用衬板，对其构造包括引弧板，分别作了详细规定。

3、选用有较高冲击韧性的焊缝
如前所述，焊缝冲击韧性不足会引起节点破坏。

那么焊缝究竟要有多大的冲击韧性才能防止裂纹出现呢?美国提出，焊缝的恰帕冲击韧性(CVN)最小值取-29℃时27J(相当于-200F时20ft-1bs)是合适的，可以发展成为事实上的标准。

在最近美国的实际工程中，采用E71T-8型和E70TG-K2型焊条的普通手工焊电弧焊已表明焊缝最小冲击韧性可满足上述要求，而采用E7018型药芯焊条的’’贴紧焊’’焊缝冲击韧性值更高，但都必须按AWS规定的焊接和探伤方法操作。

4、扇形切角构造的改进
在日本阪神大地震中，由于扇形切角工艺孔的端部起点存在产生裂缝的危险，是否设置形切角以及如何设置，已成为关系到抗震安全的一项重要问题。

日本震后发表的技术规范中，对扇形切角的设置也提出一系列规定，包括不开扇形切角和开扇形切角两大类，并规定扇形切角可采用不同形状；对于柱贯通形和梁贯通形节点分别规定了不同的构造形式。

柱贯通型节点的扇形切角形式有两种，其特点是将扇形切角端部与梁翼缘连接处圆弧半径减小，以便减少应力集中。

日本早就研究不设扇形切角以提高梁变形能力的方案，在最近公布的技术规定中，根据目前的焊接技术水平已将此种方案付诸实施。

四、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。

五、钢结构的未来发展方向
钢结构的生产模式，布局简单，流程合理，自动化程度高，构件质量好，生
产效率高，制作周期短，材料利用率高。

特别是在H型钢制作过程中，没有过多的中间产品、半成品囤积，不需要大面积的拼接、划线、装配、制孔场地，真正实现了流水作业，自动化生产。

轻型钢结构的生产模式，布局简单，流程合理，机械化程度高，安全性好，真正实现了流水作业的自动化生产。

轻型钢结构的生产模式，还体现了计算机辅助生产特点，生产效率高，构件质量好，材料利用率高。

在钢结构中首次应用实现了翼板和腹板拼接的压力架焊剂铜衬垫(FCB)单面焊双面成型工艺，简化了拼接工序，提高了焊缝质量，改善了作业环境，降低了劳动强度。

单面焊的应用使流水线更为完整，节奏更为流畅。

经改进的薄板单面焊工艺，解决了薄板单面焊工艺的难点，成功地应用于l0mm以下的薄板平接单面焊，获得了满意的效果，取得了非常重要的进展。

改革开放以来我国住宅建设发展很快随着人口增长和城市化进程的加快人们生活水平的提高以及国民经济的发展引发并刺激了对住宅的巨大需求而我国传统的砖石住宅结构体系采用的是高投入高消耗高污染的落后增长方式与低工效低功能低质量的生产局面已不能满足市场消费者的要求和建筑“可持续发展”的时代主题钢结构住宅是今后发展的一个方向，随着科技的进步，审美观念改变必然使的钢结构住宅建筑不断的去扩展自身的表达语汇而寻求发展。

我们提倡的是抛弃风格，从结构的理性主义出发，从现代和传统的建筑结构中吸取精华，创造出技术和艺术有机融合的钢结构住宅的精品建筑。

钢结构住宅的设计首先要遵循住宅建筑设计的一般原则，然后才是发挥钢结构的优势。

六、节点处理
连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。

在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与界定。

常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这必须避免。

按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。

具体设计主要包括以下内容：
1、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。

2、栓接，铆接形式：在建筑工程中，铆接已很少采用。

普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用。

高强螺栓，使用日益广泛；常用8.8s和10.9s两个强度等级，根据受力特点又分承压型和摩擦型。

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，设计中应慎重使用。

自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。

国外在低层墙板式住宅中,也常用于主结构的连接。

3、连接板：可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm，然后验算净截面抗剪、抗拉等。

4、粱腹板：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。

同时兼顾施工时的安装就位的净空尺寸等等因素。

5、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应避免的错误。

此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。

6、节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。

如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。

结束语
总而言之，钢结构的设计要充分重视其概念设计与节点处理的内容，从而稳步的提高钢结构建筑的设计、建设水平，进而推动建筑行业的相关施工水平，提升民众的应用体验感受。

参考文献
[1]张煜，蔡焕琴.概念设计优化高层钢结构抗震[J].工业建筑，2012.
[2]丁志耀.多高层钢结构住宅抗震性能探究[J].华东科技（学术版），2012（4）.
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