高层建筑钢结构连接节点的抗震设计

高层建筑钢结构连接节点的抗震设计- 结构理论

摘要：本文介绍高层建筑钢结构抗震设计时，并对钢结构构件节点和杆件接头处的三种杆件连接方式，其性能及适用范围进行了分析比较，然后对梁、与柱、柱与柱、梁与梁的连接以及抗震剪力墙与框架的连接等方式进行了阐述，以供同行参考。

关键词：高层建筑；钢结构；连接节点；安装

1 前言

随着城市建设的发展，高层建筑在我国日益增多。高层钢结构具有承载力高、抗震性能好、施工周期短等特点，特别适用于高耸的高层建筑。在高层钢结构抗震设计中，节点连接良好的抗震设计是保证结构安全的重要一环。连接节点应满足强度、延性和耗能能力三方面的要求，其连接强度应高于相连构件端部的屈服承载力，并且必须有较大的变形能力，用以弥补强度方面的缺陷。钢材本身具有很好的延性，但这种延性在结构中不一定能体现出来，这主要是由于节点局部压曲和脆性破坏而造成的，因此在设计中应采用合理的细部构造，避免应变集中而形成较大的约束应力。在钢材的选用上应满足强度、塑性、韧性及可焊性的要求。钢材强度指的是抗拉强度和屈服强度，钢材应具有较高的强屈比，其屈服强度的上限值和下限值应适当。钢材的塑性表现在伸长率和冷弯性能两项指标上，反映钢材承受残余变形量的程度及塑性变形能力。对抗震结构还必须满足冲击韧性的要求。钢材另一重要的基本要求是对化学成分含量的限制，它将直接影响结构的可焊性，应控制钢材的碳当量。在高层钢结构中，厚钢板的应用

较为广泛，在梁一柱节点范围，当节点约束较强，板厚等于或大于40mm时，应附加要求板厚方向的断面收缩率，以防发生平行于钢材表面的层状撕裂。

2 杆件连接

2.1连接方式

2.1.1 连接类型

建筑钢结构的构件节点和杆件接头处的杆件连接可采用：（1）全焊连接；（2）高强度螺栓连接；（3）焊缝和高强度螺栓混合连接。

2.1.2 性能比较

2.1.2.1全焊连接，传力最充分，不会滑移。良好的焊接构造和焊接质量可以为结构提供足够的延性。缺点是焊接部位常留有一定的残余应力。

2.1.2.2高强度螺栓连接，施工较方便。但是，杆件的接头若全部采用高强度螺栓时，接头尺寸较大，钢板用量较多，费用较高；而且强烈地震时，接头可能产生滑移。

2.1.2.3栓焊混合连接，应用比较普遍。先用螺栓安装定位，然后施焊，操作方便。实验表明，此类连接的滞回曲线，与完全焊接情况相近；但翼缘焊接将使螺栓预拉力平均降低110%左右。因此，连接腹板的高强度螺栓实际预拉应力要留有一定富裕。

2.2焊缝连接

2.2.1 拼接形式

2.2.1.1选定构件节点和杆件接头的连接形式时，应尽可能避免采

用约束性强、容易产生板件层状撕裂的连接构造。

2.2.1.2构件实验和工程实践经验表明，层状撕裂主要发生在+型连接、十字型连接和角部连接等拼接形式处。这些部位的较强约束程度，使焊缝收缩时引起母材厚度方向产生较大拉应力，而且由于延性有限，无法得到调整，导致钢板件层状撕裂。

2.2.2 对接焊缝

2.2.2.1构件节点、杆件接头和板件拼装，依其受力条件，可采用全熔透焊缝或部分熔透焊缝。

2.2.2.2遇到下列情况之一时，应采用全熔透焊缝。a、要求与母材等强度的焊缝连接；b、框架节点梁端、柱端塑性区段内的焊缝连接。

2.2.3 螺栓连接

2.2.

3.1连接类型

多高层建筑钢结构要承受风荷载的反复作用和地震的往复作用，承重构件或承力构件（支撑）的杆件连接采用高强度螺栓时，应采取摩擦型连接，不得采用承压型（剪压型）连接。以免在设计荷载下连接部位产生滑移，加大节点变形。

2.2.

3.2螺栓受剪承载力

①强烈地震作用下，高强度螺栓摩擦型连接的板件之间的摩阻力有可能被克服，此时，高强度螺栓连接的最大受剪承载力将取决于螺栓的极限抗剪能力。

②实验研究成果指出，螺栓连接的最终受剪破坏时，不是全部

发生在螺纹净截面处，其中部分螺栓的破坏是发生在螺杆上，从而使螺栓连接的最大受剪承载力在总体上有所提高。

3 梁与柱的连接

梁与柱的连接节点构造应与连接类别的受力特征假定相符，通常采用柱贯通的形式。对于刚性连接，梁上下翼缘均应与柱相连；而铰接连接可仅梁腹板或一侧翼缘与柱相连。而由于半刚性连接结构的分析与设计，至今尚无很方便的工程实用方法，因此目前在实际工程中还很少采用。

3.1刚性连接

梁柱的刚性连接应具有足够的刚度，可以承受设计要求的弯矩，在达到承载能力之前所连接的梁柱之间不发生相对转动。凡是需要抵抗水平力的框架，主梁和柱的连接均应采用刚性连接形式。

常用的梁柱刚性连接构造形式有：（1）全焊接连接，梁的上下翼缘和腹板均与柱用焊接连接在一起，通常翼缘与柱用全熔透坡口焊，腹板用角焊缝与柱相连；（2）栓焊混合节点，梁的上下翼缘用全熔透坡口焊，腹板则用高强螺栓与柱相连；（3）全栓接节点，梁翼缘与腹板均用高强度螺栓与柱相连。全焊接节点一般在工厂加工时采用，而栓焊混合节点和全栓接节点通常在现场安装条件下采用。三种节点形式中，虽然连接的承载力相同，但在地震时吸收和耗散能量的能力差别较大。全焊连接的滞回曲线呈稳定纺锤形，节点的延性和刚度最好。栓焊混合节点，虽然由于腹板螺栓滑动而不完全刚性，但其性能与全焊连接相差不大。全栓接节点，由于翼缘和腹板均发生滑动，滞回曲

线呈滑动形。因而，在地震作用下，全栓连接难以满足刚性连接的要求，一般只适用于非地震区的多层框架。 3.2铰接连接梁与柱的铰接连接，又称为柔性连接。铰接连接构造简单、传力简捷、施工方便，在工程中也有广泛的应用。非地震区多层或高层钢框架如果用剪力墙一类构件承受水平荷载（框架仅承受重力荷载）和提供抗侧刚度的结构体系，梁与柱连接即可采用铰接方案。

铰接连接只能承受很小的弯矩，要求梁能够较自由地转动，但没有线位移，能传递剪力和轴力。实际上绝对的铰接是不存在的，节点板的刚度和螺栓对梁端的旋转仍有一定的约束度，估计节点对梁转动的约束度，约为全刚性抗弯节点的10%。这些连接能传递有限的弯矩，但在设计中可不予考虑，他们的延性足以容许被连接梁的充分转动。

4 柱与柱的连接

钢结构制作和安装过程中，由于运输条件的限制，或者柱截面发生变化，需要将柱和柱拼接起来。柱的拼接节点一般都是刚性节点，为便于现场安装操作，柱拼接接头一般设置在距楼板1.0m～1.3m的位置，同时避开水平荷载下的大弯矩区。考虑运输方便及吊装条件等因素，柱的安装单元一般采用三层一根，

长度10～12m左右。根据设计和施工的具体条件，柱的拼接可采用焊接或高强度螺栓连接。焊接接头没有拼接节点板，传力简洁，外形整齐，节省材料。但高空焊接作业，需要采取措施保证焊接质量。

5 梁与梁的连接

5.1主梁与主梁的拼接