钢结构框架梁柱节点性能分析

钢结构框架梁柱节点性能分析

摘要：钢结构框架梁柱节点施工是提升建筑抗震性的主要工序，因此应优化

梁柱节点的质量。本文通过概述钢结构框架梁柱节点内容，围绕有限元模型、载

荷等方面研究钢结构框架梁柱节点性能，分析多种要素对于节点性能的影响，为

优化节点质量提供参考意见，提升建筑工程整体质量，突出项目结构的抗震性能。

关键词：建筑工程；钢结构框架；梁柱节点

前言：钢结构具有韧性塑性强、重量轻、制造简便的优势，该模式在建筑工

程中的应用可以缩短施工周期、提升抗震性能。其中梁、柱节点是框架关键连接

位置，其性能会决定框架结构在载荷基础下的整体性。因此，有必要深入分析钢

结构框架梁柱节点的实际性能，实现构件和节点的标准化设计，优化节点性能。

1钢结构框架梁柱节点概述

1.1刚性连接模式

其一，全焊连接。借助融透的方式焊接梁上下翼，通过双面胶焊接腹板。上

述连接模式对于焊接技术要求较高，若操作失误会导致应力集中，对施工结构受

到影响。其二，全栓焊接。借助T型钢，使用高强螺栓连接梁翼和柱翼，不会产

生三向应力和残余应力。其三，混合连接。该模式包含两方面内容：一方面是利

用融透焊接梁上下翼，并通过大刚度角钢连接高强螺栓，借助剪力板连接柱翼和

高强螺栓。多层钢结构中主要利用刚性连接梁柱，通过柱贯通方式连接框架柱和梁。针对抗震部分，应确保梁翼缘厚度和加劲肋相同。若属于非抗震区域，加劲

肋的厚度应≥梁翼缘厚度的1/2，满足板件的实际宽厚比值，防止连接节点受到

破坏。

1.2柔性连接模式

柔性连接又称为铰接连接，在梁侧无线位移，不过可以进行自由的转动。该

模式包含承托、端板以及角钢三方面。其中，角钢主要连接柱和梁腹板，可以借

助连接板替代角钢。端板连接模式和角钢相同，但不可替代。利用承托连接模式

连接柱的腹板时，主要将厚板当作承托构件，防止柱腹板弯矩较大，确保偏心力

矩传输至柱翼位置。

2钢结构框架梁柱节点性能研究

2.1构建有限元模型

本课题主要借助有限元软件，依据相关学者关于连接节点的研究内容，构建

建筑工程中钢框架梁的非线性节点有限元模型，分析其中力学性能的差异性，为

后续工程梁柱节点连接模式提供新思路[1]。课题主要利用有限元分析程序构建实

验模型，其中模型划分结构为：板单元（柱腹板、梁腹板、梁翼缘），块体单元（螺母、螺帽、翼源）。在模型建设阶段，螺母、螺帽和周边板件密切结合，因

此端板、柱翼缘等节点相互连续，实现端板和块体单元的融合。在分析外伸端板

位置的连接节点时，最关键的问题是端板和柱翼缘的接触情况。该要素是指非线

性状态，当载荷达到某一数值后，可以分开柱翼缘与端板，但梁的翼缘区域紧密

接触。因此，构建有限元模型时，需借助界面单元代替端板与柱翼缘的接触面。

2.2支承边界和载荷条件分析

2.2.1载荷分析

端板相互连接的非线性特性主要由柱翼缘、非线性材料、端板接触面变化形成，载荷会通过多次迭代进行收敛。在分析梁柱节点性能时，若柱翼缘与端板接

触情况未知，应借助迭代的方式确定载荷。若柱翼缘和端板相互接触，则在计算

阶段需查看端板节点位移与反力。若该数值是负数，则说明此节点的柱翼缘和端

板分离，需要在下一阶段释放节点。

2.2.2性能结果分析

本课题选择两个试件完成有限元计算，将其设置为ST-3与ST-4，经过有限

元分析可以得出其应力分布情况和变形模式：1）端板连接位置和梁的受拉翼缘

位置应力较高，原因是端板出现变形弯曲情况。2）当对ST-3试件安装加劲肋后，会降低柱翼缘的变形情况，导致其和端板相互分离。而ST-4未设置加劲肋，端

板和柱翼缘一同外凸，变形情况严重。3）ST-4相较于ST-3在端板的外伸区域柱

翼缘、边缘应力分布高，说明端板变形后会提升节点的杠杆力[2]。4）柱中翼缘和

节点的加劲肋连接位置应力较高，因此在设计过程中需保证其强度的科学性。5）连接节点位置梁的内侧螺栓和外侧螺栓相比拉力较大，当对ST-3安装加劲肋后，问题得到解决。

2.3节点性能分析

2.3.1外伸端板螺栓

外伸端板螺栓模式刚度较大，可以有效传递相邻构件弯矩，不过该节点受力

性能会受到螺栓杠杆力、端板变形情况的影响。其中，节点抗弯状态如下：梁所

需的非弹性转动模式、梁塑性发展水平、端板破坏（受剪破坏、受弯破坏）、连

接螺栓破坏等。上述状态容易影响节点刚度和耗能水平，导致节点出现脆性破坏，影响建筑工程建设质量。当发生地震时，会使钢结构梁柱板无法参与非弹性形变，其中参与转动值为0.02rads。

因此，在设计外伸端板连接过程中，需重点分析端板受剪情况、杠杆效应等

因素，防止端板受剪和螺栓出现断裂等脆性破坏问题。端板最大容许剪力设计公

式为：Vmax=0.55

y bt

s

。在式子中，b=bs-nd

b

（b是端板的净宽度）， y是屈服

应力、b

s

是端板宽度，n为螺栓数量。因此，在工程设计阶段，对于未安装加劲

肋的相关外伸端板，应结合以下要求进行设计：第一，明确螺栓大小和连接尺寸。

第二，求出端板的厚度和抗弯承载力。第三，利用公式Q

max

=计算螺栓最大杠

杆力，进而确定螺栓大小和尺寸。其中Q

max 是最大杠杆力，M

pp

为抗弯的承载力，x

是合力作用位置。注意必要时需科学调节螺栓的具体位置，得到端板最大剪力。因此，经过分析可以得出外伸端板螺栓具有良好的延性、承载力与耗能水平，适用于建筑工程钢结构框架施工中，同时增加板的厚度能够缓解弯曲变形问题，减少螺栓拉力[3]。

2.3.2节点板域