浅谈钢结构梁柱连接节点优化措施

浅谈钢结构梁柱连接节点优化措施
钢结构梁柱节点的连接按其受力性能可以分为：刚性连接、铰支连接和介于两者之间的半刚性连接。

钢框架结构的梁柱连接多按刚性连接设计，主梁与柱的连接具有足够刚度。

钢结构梁柱节点按照连接方法可以分为：焊接节点、螺栓连接节点和栓焊混合连接节点。

一、钢结构概述
钢结构与其他材料相比，具有强度高、自重轻、塑性和韧性好、装配化程度高、施工方便、周期短、施工不受季节限制、承受动荷载的性能较好、移动灵活、密闭性好、建筑垃圾少、环境污染小、气候干燥时钢结构养护工作量少等优点[1]。

钢结构较之于使用其他材料的结构具有优越的抗震性能，举例来说，相对于钢材，混凝土的抗拉和抗剪强度均较低，延性也较差，且混凝土构件开裂之后的承载力和变形能力将迅速降低；而钢材基本上属于各向同性材料，抗拉抗压和抗剪强度均很高，重要的是，钢结构具有良好的延性，能减弱地震反应，属于较理想的弹塑性结构，具有抵抗强烈地震的变形能力。

二、多、高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点设计
1、刚性设计
这种设计是要大大增大结构的刚度，使其与基础成为一个刚性整体，在这种设计概念指导下，结构的高度、跨度和复杂性都受到了严重的限制，在历史上曾束缚了在地震多发区结构设计的进步。

2、柔性设计
与刚性结构体系设计相反，柔性结构体系设计是减少结构的刚度，这样虽然可以有效地减少作用于结构的地震荷载强度，但是在大地震作用下会由于结构变形过大而导致结构破坏、倒塌，在小震及常规荷载作用下，又会由于刚度过低而很难满足结构的正常使用要求。

3、延性设计
这是目前采用较为普遍的设计概念，即适当的控制结构的刚度分布，使结构构件（如梁、柱、墙、节点等）在地震时进入非弹性变形状态，以消耗地震能量，
保证结构不倒塌。

这种设计中，所有结构构件在某种程度集上两种功能于一身，既要保证结构的使用功能，又能在地震发生时具有抗震功能。

三、节点连接计算与优化设计
1、狗骨节点优点
狗骨式节点是近几年专家学者开始研究的一种新形式节点。

这种节点最主要的特点就是在梁的翼缘靠近节点处进行了截面削弱.它的设计思想是梁的削弱部分截面能够改变塑性铰出现的位置，迫使在极限荷载作用下塑性铰偏离脆弱的节点连接处，首先出现在梁上，因为经过截面削弱的梁具有很大延性，即通过削弱梁来保护梁柱节点。

采用狗骨式节点经过对梁进行了合理的截面削弱，使得较长的一段梁几乎同步进入了塑性，真正做到了增加梁柱节点的延性。

2、节点承载力的变化情况
在实际实施过程中就是要求框架梁柱节点要保证核心区有足够的强度和刚度，做到"强节点弱杆件"、焊接节点附近柱的强度要大于梁的强度，希望塑性铰发生在节点附近的梁上，不发生在柱中，使节点不发生脆性破坏。

为实现塑性铰首先在梁端出现，避免和减少在柱端出现，钢结构设计应满足强柱弱梁的要求，使同一节点处，上下柱端截面弯矩设计值之和大于左右梁端截面抗弯承载力。

对梁柱节点进行狗骨式设计，削弱焊缝附近梁段的抗弯能力，迫使地震作用下的塑性铰偏离脆弱的节点焊缝，使较长的一段梁段内同时进入塑性区，使其能够同步进行塑性耗能，从而保护焊缝，充分发挥钢材的塑性。

3、节点形式
我国台湾和美国采用的狗骨式梁柱刚性连接节点具有共同的形式，是在靠近梁柱节点边的等截面钢梁上，将上、下翼缘板沿梁的纵向方向，对称于腹板进行圆弧切割，其翼缘的切除宽度为20%左右，梁腹板与柱翼缘之间采用角焊缝焊接，代替通常借以角钢的螺栓连接。

施工时，上下翼缘采用预留坡口焊接，焊缝要求全熔透焊，而且要用引弧板，下翼缘焊接衬板要切割，割除后，要进行焊根补焊；上翼缘衬板焊后保留，用焊缝封闭，以减少焊缝的缺陷。

使焊缝在载荷作用下的应力集中降到最低值。

同时要求柱翼缘的加劲肋的厚度不低于梁翼缘的厚度。

这实质上是通过削弱了梁的翼缘板，从而将塑性铰人为外移。

四、削弱部位及削弱长度的变化对节点性能影响
1、有限元研究的关键部位
狗骨式节点是通过对梁翼缘的削弱使塑性鉸离开节点，因此梁翼缘削弱部位的应力、应变的分布以及发展情况也是本文的有限元研究重点。

有限元分析是在较为理想的假定前提条件下对实际问题的一种模拟，与实际情况多少存在差别，就本文的研究来说，由于结构总会有内在的微小缺陷，研究中所建立的有限元模型未考虑对全熔透对接焊缝以及焊接缺陷的模拟，特别是一些不利位置断裂的发生以及开展不能直接模拟，所以本文对于节点的有限元研究是建立在假设一些关键点或关键部位、薄弱环节存在微观缺陷或不连续的基础之上。

本文主要通过这些部位应力和应变的发展情况来比较局部构造不同的节点的发生延性、脆性开裂的潜在可能，评估削弱长度b及削弱部位距柱边距离c这两个局部参数的改变对节点性能的影响。

2、弹塑性阶段的有限元分析结果
对节点的弹塑性有限元分析主要考虑材料非线性的影响，仍假设钢材为理想弹塑性材料，分析时在节点的梁端施加节点发展到0.030r目的节点塑性转角位移。

有限元计算均使用完全牛顿一拉普森法迭代求解，迭代收敛以力和位移为收敛准则。

为全面分析梁一柱刚性节点在弹塑性阶段的受力性能，在有限元计算时，对节点梁端所施加的位移必须达到一个足够的数值，使在满足该位移的时刻输出的有限元计算结果能较好地反映刚性节点在塑性阶段的受力情况。

钢框架结构的梁一柱刚性节点在遭遇抗震规范中规定的罕遇地震（强烈地震）时，应具有良好的发展塑性变形的能力，通过节点的塑性变形耗散地震动输入的能量，在节点失效或破坏之前，刚性节点应能发展最小为O.030rad的节点塑性转角，方能满足设计要求。

五、翼缘增强狗骨节点分析
狗骨式节点固然是目前公认的一种较好的抗震做法。

它的最大优点是：塑性区长，有较好的转动能力。

比较容易满足国际上公认的转角不小于0.03 弧度的要求。

可以真正作到延性设计。

但是，如采用单纯的狗骨式节点，梁端截面不加强，由第二章分析可知：为了满足梁端的连接承载力不应小于梁载面承载力设计值1.2倍的要求，则梁端的应力强度比最大只能控制到0.83，梁截面的强度不能得到充分发挥。

如果采用梁端加强式与狗骨式相结合的作法，不但梁截面的强度可以得到充分发挥，还可使梁翼缘上的削弱深度a减小。

结束语
本文从设计方面分析地震中节点发生脆性断裂的原因，指出钢结构节点设计中常用的三种设计方法及其存在的问题。

建立了同削弱尺寸的梁柱狗骨连接的三维实体有限元模型，对削弱参数变化的节点进行弹性和弹塑性有限元分析，从关键部位应力和应变的发展、塑性区的开展以及节点承载能力等方面分析削弱参数的变化对节点性能的影响，进行了对比，得出了狗骨节点削弱的优化参数。

引入翼缘增强狗骨节点，分析其受力性能。

参考文献
[1]李明扬.支撑体系在厂房抗震中的作用[A]；第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ卷[C]；2000年
[2]陈孟率.钢结构节点高强度螺栓连接分析[J].科技创新与应用，2012（15）：178-183。