钢框架节点抗震设计浅谈讲解

钢框架节点抗震设计浅谈
张冰冰
西安建筑科技大学土木工程学院建筑与土木工程11级11班
摘要：钢结构抗震性能优越，但是传统栓焊的梁柱节点在实际地震中表现为严重的脆性破坏，如何对容易在地震过程中产生脆性破坏的节点进行改进一直是钢结构抗震设计的关键问题之一。

本文针对钢结构传统栓焊节点脆性破坏的机理进行总结，重点讨论各种改进节点的优缺点，最后对节点抗震设计原则给出建议。

关键词：钢结构；节点；破坏机理；设计原则；改进措施
1 引言
近年来,钢结构正慢慢成为高层或超高层建筑中主要的建筑类型。

在多高层钢框架中比较常用的柱节点连接型式是梁翼缘与柱焊接、梁腹板与柱用高强螺栓连接的栓焊混合节点,如图1所示。

工程界在20世纪90年代以前一直认为这种节点具有良好的塑性耗能能力和良好的抗震性能,然而,在1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震中许多节点出现了严重的脆性破坏。

这两次震害对节点的破坏使得人们开始去重新审识钢框架结构的抗震性能,并开始重视研究钢框架结构中梁柱栓焊连接节点的抗震设计。

图1普通栓焊接节点图2 梁腹板补焊
2 普通梁柱节点破坏机理
1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震中钢结构梁柱普通栓焊节点出现严重的脆性破坏，震后调查研究发现，梁下翼缘裂缝占 80％～95％；上翼缘裂缝占 15％～20％；裂缝起源于焊缝的占 90％～99％，而且主要起源于下翼缘焊缝中部；起源于母材的只占 1％～10％；不少裂缝向柱子扩展，严重的将柱裂穿；有的向梁扩展；有的沿连接螺栓线扩展。

其中较多的破坏表现为梁下翼缘焊缝与柱翼缘完全脱开,另外一些破坏为始于梁下翼缘垫板与柱交界处的裂缝扩展到柱翼缘中。

总结各方的研究成果现总结出造成梁柱节点发生严重脆性破坏的原因如下：
1、在地震力的作用下,梁柱的节点处应力值较大且状态复杂,焊接部位的钢材往往处于三向应力状态,从而使节点焊缝截面成为框架的薄弱环节。

2、焊缝金属的冲击韧性低，焊缝存在的缺陷, 如裂缝、欠焊、熔化不足或不良、加渣及气孔，特别是下翼缘梁端现场焊缝中部，因腹板妨碍焊接和检查、梁端腹板下翼缘处工艺孔偏小，致使下翼缘焊缝在施焊时实际上中断出现不连续，最后导致导致焊缝处应力集中。

作者简介：张冰冰，学号：1101841143，研究方向：混凝土，导师：周铁钢
3、钢材的韧性,仅在在较细的杆件处于单轴应力状态下才得以充分发挥,当其处于三向应力状态下, 无法形成侧向收缩或剪切滑移，很难充分发挥材料的优势性能，从而就会在没有明显屈服现象的情况下发生脆性破坏。

4、出于焊接工艺的要求,为了确保焊缝质量,常在梁翼缘坡口焊接时加垫板,实际工程中垫板在焊接后就保留在结构上,由于翼缘焊根部常存在未焊透,这样垫板与柱翼缘之间就形成一条“人工”裂纹，其在竖向力作用下会扩大，也会使裂缝尖端的应力集度系数超过临界值,从而引发不稳定断裂。

5、为了有利于施焊和保证焊缝跨越腹板且保持连续，通常在腹板上设置焊接孔。

一般将焊接孔做成扇形。

位于腹板和翼缘交界处的梁腹板上，经机械切割后造成该处几何形状不连续，受力时容易出现应力集中而使得该区域产生初始裂纹；
6、梁柱连接处的钢材因受到约束不能转动,尤其是当柱翼缘板材较厚时,这种约束使梁柱节点处钢材不能屈服,从而加剧了该处焊缝的局部高应力,也增大了在焊缝缺陷中引发裂缝的机率。

7、节点设计时，通常假设弯矩全都由梁翼缘承担，而剪力全由梁腹板承担，但在实际工程中，受力时由于柱产生变形，导致梁翼缘承受弯矩和剪力的复合作用，使得焊缝有很大的次应力产生，加上焊缝本身存在的缺陷，更易引发脆断；
8、梁的屈服强度常常远高于标准值，使节点相对较弱；组合楼板使截面中和轴上移，对梁下翼缘产生不利影响；梁发展到塑性弯矩时，梁下翼缘坡口焊缝处出现的超高应力加速了节点破坏。

综上，可知普通的栓焊节点连接性能非常差，在地震作用下，钢梁在破坏前并没出现明显的延性变形(塑性铰)，导致地震能量直接作用于梁柱的焊接节点，由焊缝根部萌生的脆性破坏裂纹经焊根进入母材或热影响区，使其产生很大的变形。

一旦翼缘破坏，由螺栓或焊缝连接的剪力连接板往往被拉开，沿连接线由下向上扩展，造成严重的破坏后果。

3 梁柱节点改进措施
3.1改善节点构造措施
为了充分发挥钢材的塑性性能,保证钢框架梁柱节点在地震作用下少发生甚至不发生脆性破坏。

据此提出的节点设计方法,概括起来为如下几点:
1、对梁翼缘焊缝衬板缺口效应进行处理
2、改进扇形切角构造
3、将梁腹板与柱子焊接，如图2所示。

4、梁与柱刚性连接时,按抗震设防的要求,柱在梁翼缘上下各500mm的节点范围内,柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的组合焊缝,应采用全焊透剖口焊缝。

5、当梁翼缘的塑性截面模量小于全截面塑性截面模量的70%时梁腹板与柱的连接螺栓不得少于两列。

当仅需要一列时,仍应布置两列,且螺栓总数不得少于计算值的1.5倍，且螺栓孔等对梁全截面的削弱率不应大于25%。

3.2改变节点形式
1、半刚性节点
对于地震区的多层和单层钢框架结构,若梁柱连接采用刚度较大的全焊接连接,由于焊
接缺陷,容易引起节点脆性破坏；若采用刚度较小的连接,又会导致较大的水平位移和用钢量的上升。

当梁柱连接采用具有一定柔性的半刚性连接时,可以增加结构的阻尼,延长周期,减小振幅,从而大大降低震害。

端板螺栓连接即是一种具有良好延性和耗能能力的半刚性连接形式。

端板连接的全部焊接工作在工厂完成,焊接质量有保证,现场施工速度快,在发达国家和地区广为采用,我国门式刚架普遍采用该种连接形式，如图3所示。

（A）（B）（C）（D）
图3 （A）端板连接节点；（B）、（C）、（D）梁—梁拼接连接
2、梁—梁的拼接连接
梁柱节点的脆性破坏大多是从节点焊缝开始的，因此改善节点性能需首先从焊缝处入手。

为此，可采用现行抗震设计规范推荐的节点，即将框架梁采用悬臂短梁与柱刚性连接，悬臂梁段与柱预先在工厂采用全焊连接，在现场采用翼缘焊接腹板螺栓连接（如图 2a）或全部螺栓连接（如图 3）进行拼接。

但根据节点设计的正确方法，是不满足规范的验算要求的。

因此此类节点不宜用于主要抗侧力结构的构件中。

3.3 塑性铰外移
在抗震设计中,直接的满焊连接可能无法满足要求,要通过抗震措施来加强。

目前,主要采用将塑性铰自梁端外移来避免强震下梁柱连接处焊缝破坏的做法,其常用的方法有梁端部加强型节点和梁端部削弱型节点两种。

1、梁端部加强型节点
该方法就是加大梁端截面的焊缝面积或加大梁端的有效面积,使梁端的极限承载力高于梁截面,在地震作用下,加强后的梁端还未进入全截面塑性剪力状态时,在梁端附近因梁的截面相对较小,先行形成塑性铰而发生塑性破坏,起到保护节点、防止发生脆性破坏的作用。

梁端部加强型节点包括板式扩翼型、梁端翼缘扩翼型、侧板加强型、肋板扩翼型、腋式扩翼型和盖板加侧板式等。

板式扩翼型节点主要有两种形式：盖板扩翼型与翼缘板扩翼型（如图4）。

板式扩翼型节点能够实现将塑性铰外移的目的，可以将梁端塑性转角增大，从而大大提高节点延性性能，以及钢框架的抗震耗能能力，梁破坏后加强板并不屈服，梁柱连接出焊缝也未见裂缝。

但是当盖板扩翼型节点当盖板厚度过大、长度过长时，会增大梁端连接焊缝的应力，增大造成脆性破坏的可能。

与盖板扩翼型节点相比，翼缘板扩翼型节点梁翼缘板并不与柱翼缘直接相连，
图4 板式扩翼型节点
而是通过加强板的过度与其相连，这样的构造措施可以减小梁端与柱翼缘连接处焊缝高度，利于焊缝质量控制与后期质量检查，同时焊缝高度的降低也有利于减少焊接热应力的影响板式加强构造简单，施工迅速，承载力刚度都有所提高，也便于后期维护，但缺点是用钢量较大。

梁端翼缘扩翼型和侧板加强型节点见图 5。

这两种节点是通过增大梁翼缘宽度的方法达到减低焊缝中应力的目的，两种形式都能很好的起到将塑性铰外移的目的，扩翼型节点通过短牛腿与梁相连，牛腿在工厂与钢柱全焊连接，到现场将等翼缘宽度的钢梁与短牛腿栓焊连接，这样可以保证短牛腿与柱连接处焊缝质量。

侧板加强型节点是由日本清水建设开发的新型连接方式，只需在梁端部用几块与梁翼缘厚度相同或相近的平板与梁翼缘对接焊接即可，
图5 梁端翼缘扩翼型节点和侧板加强型节点
与和普通的钢结构梁柱节点相比，可将梁端塑性变形能力提高1倍以上，从而使钢框架抗震能力有很大的提高。

梁端翼缘扩翼型和侧板加强型节点连接中，扩翼宽度及扩翼长度是影响节点耗能及延性性能的主要因素，这种连接方式的缺点是制造工艺复杂，浪费材料。

（A）（B）（C）（D）（E）
图6 （A）腋式扩翼型节点；（B）、（C）、（D）、（E）、（F）肋板扩翼型节点肋板式扩翼型节点与加腋式扩翼型节点构造相似，见图 6。

肋板式扩翼型节点依靠在钢梁上下翼缘焊接一块或者两块垂直肋板增加钢梁翼缘截面的抗弯承载力，使塑性铰移至肋板加强区之外，起到保护节点焊缝的作用。

但此种节点同样存在降低建筑净空的缺点，且不方便组合楼板的安装。

对于加腋节点一般有梁柱连接翼缘单侧加腋和梁翼缘两侧加腋两种形式。

单侧加腋节点对于加腋侧能缓解焊缝处应力集中现象，由于加腋后梁中性轴向加腋区偏移而使加腋侧另一
端在受拉时应力增加，造成焊接处的应力集中，增加梁上翼缘发生脆性破坏的可能；双侧加腋节点能实现塑性铰转移到梁上的目的，较好地缓解节点对接焊缝处应力集中现象，且抗震性能优越，但在实际工程中，部分钢框架结构房屋在使用上要求较高，梁上侧加腋后造成楼面不平整，而且也影响美观，而盖板-腋梁型节点能很好的解决此类问题，研究表明盖板-腋梁节点能有效改善对接焊缝处应力集中现象，实现了塑性铰转移至梁上的目的，降低其发生脆性破坏的可能性。

该节点形式具有理论上的合理性和实用上的可行性，且具有良好的耗能能力，抗震性能优越。

最后，盖板＋侧板式节点是在盖板式节点的基础上，在连接处增设两块高度为梁高的加强侧板，此时梁翼缘可不与柱连接，从而消除了焊缝中的三轴拉应力集中。

两块侧板加上加劲肋可使节点具有很好的刚度和塑性转动能力，并使节点板域变形变得容易控制。

但该节点耗材较多，施工复杂，虽然适用于高烈度设防的地区，应用却不大广泛。

2、梁端部削弱型节点
削弱型节点是通过对梁翼缘或腹板的削弱，使削弱处破坏先于节点破坏，从而起到控制梁塑性铰位置的目的，但是这种削弱会降低梁的承载力，同时也增加了腹板局部屈曲以及梁发生侧向扭转失稳的可能性。

这类连接形式常见的有梁腹板削弱型连接、腹板切缝型连接以及梁翼缘削弱型。

腹板开洞式节点。

类似于混凝土空心板开洞以减轻自重的原理，梁腹板也可在离开节点一定距离开洞以减轻自重并降低梁截面的抗弯能力，相应地“提高”节点的抗弯能力（如图
7）。

开洞的大小和多少在保证结构可靠的前提下视节点与梁的强弱关系而定。

这种节点可让工艺管道等设备从梁中穿过，使结构层和设备层合二为一，在管道布置错综复杂的电厂建筑中优点较为明显，但缺点是加工成型复杂。

该节点在实际工程中已经得到了广泛应用。

图7 腹板开洞式节点 图8 切缝式节点 图9 焊接孔扩大型节点
切缝式节点。

切缝式节点是将梁腹板在靠近连接处沿梁翼缘轴线方向切上下两条缝（如图 8）。

切缝可使梁的弯矩和剪力分段，使梁腹板承受全部剪力和部分弯矩，而梁翼缘则承受另一部分弯矩。

同时使梁翼缘在连接处的弯曲应力均匀分布，消除了梁翼缘焊接的垂直剪力，防止梁侧向扭转屈曲，并使塑性铰出现在切缝末端。

由于切缝的存在，也产生了梁的失稳问题，试验研究表明该节点形式只能用于 762mm 及以下的梁。

但总的来说，该节点形式简单，具有广泛的应用前景。

狗骨式连接节点属于近几年研究的热点的一种连接形式（图10），其转移塑性铰的方式通过削弱梁的上下翼缘实现。

根据切割方式的不同，又可以分为直线削弱式、锥形和圆弧削弱式三种形式，它针对普通连接塑性区小的缺陷，对梁进行合理的削弱，使得较长一段梁几乎同步进入塑性，真正做到了延性设计、充分发挥了钢材的塑性。

此种连接节点的优点是构
造简单，受力明确，同时能产生很大的塑性转角，有良好的延性；缺点是由于梁翼缘的削弱，梁的刚度有所降低，而且对加工精度要求比较高。

图10 狗骨式节点连接
此外，研究发现狗骨式节点连接最终的破坏都是由于梁翼缘处焊缝撕裂所致，破坏时的弯矩承载力远没有达到梁全截而塑性弯矩承载力，因此梁翼缘处焊缝强度和质量是决定狗骨式节点的主要因素，只有具有良好的焊接质量才能发挥狗骨式节点的作用。

国内还有一些试验由于侧向约束不足和焊接质量较差，节点发生了过早破坏。

说明单纯地采用圆弧型狗骨式节点对梁截面进行局部削弱，可使节点处的最大应力外移，使得焊缝处应力水平降低，但对节点处的三向应力水平、梁端部截面的应力集中程度的缓解贡献较少。

除以上外焊接孔扩大型节点也属于削弱型节点中的一种。

焊接孔扩大型节点即通过采用较长的焊接孔如图9所示，使节点破坏模式转变为梁翼缘的局部屈曲，降低对接焊缝发生脆性破坏的可能，对节点延性有较大的改善作用，而且对节点的承载力影响也较小，制作工艺也与传统的节点基本相同，是一种比较理想的节点。

实验结果表明，焊接孔扩大型节点可以有效地降低梁柱连接面处的对接焊缝和焊接孔切角端的塑性应变和三轴应力水平，从而减小了这两个薄弱环节开裂以及导致梁翼缘脆性破坏的可能性。

不但缓解应力集中,而且使节点破坏模式转变为梁翼缘的局部屈曲，降低了对接焊缝发生脆性破坏的可能，对节点延性有较大的改善。

但焊接孔长度过长将导致节点延性降低和梁侧向稳定的丧失，在设计上是应考虑对焊接孔区段内梁段的平面外稳定进行验算
4 梁柱节点设计原则
各种改进形式都带来施工上的不便和材料上的浪费，因而其经济性显然不如传统形式高。

从经济适用的原则看，不应因噎废食，对所有梁柱连接都采取改进形式，造成不必要的浪费。

不同的结构体系可以选用不同大小的结构体系承载力调整系数值，从而对梁柱节点的塑性转动能力有不同的要求，因而栓焊混合连接仍可以按照的一定的方式得到应用。

另外,现行抗震规范中采用的承载力抗震调整系数γRE对不同钢构件和连接取值不一致，使得“强节点弱杆件”的抗震设计原则很难满足，给设计带来困难，因此在工程界和学术界引起广泛的关注和热烈的讨论。

所以这里建议取统一值或取消。

在提出梁柱刚性连接抗震设计建议之前，首先讨论一下抗震设计原则。

对于结构，我国采用“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计原则,具体落实到设计规范上采用按小震设计、按大震验算的方法。

这一原则和相应的方法同样适用于指导梁柱连接的设计，针对强震中发现的钢结构脆性断裂现象，本文认为钢结构连接的抗震设计原则应为“小震不坏，大震能确保被连接构件充分具有延性而不断裂”，设计方法上仍采取按小震弹性设计，按大震弹塑性验算。

但由于梁柱连接的受力和变形条件非常复杂，目前仍难以仅通过分析手段来保证
节点的延性。

美国联邦紧急管理署的报告FEMA350建议，对于几种已有较多试验结果的节点形式可以认为它有可靠的延性，而对于其他节点形式需要通过试验来验证其延性是否达到规范的要求。

考虑到我国国情，不宜按UBC1997那样强制要求进行节点试验,而宜采用FEMA350的规定方式。

按照抗震概念设计，地震烈度越高，对结构的延性要求也越高，因而在连接形式的选用应与地震烈度联系起来，基于上述考虑，提出如下梁柱刚性连接的抗震设计建议:
（1）连接形式
7度区：采用传统形式
8度区：采用传统形式或采用改进形式
9度区：采用改进形式
其中：
传统形式：栓焊连接；
传统改进形式：现场腹板补焊，工厂全焊外伸段；
改进形式：加强板或狗骨式。

（2）验算公式
小震S≤R /γR
大震R u≥α*R p
其中R u—连接断裂(抗弯、抗剪)承载力
R p—构件屈服承载力
α—安全系数
（3）材料要求
采用Q235和Q345
增加冲击韧性要求。

5 总结
钢框架梁端的焊接部位及其周围在地震中常因应力大、变形集中而破坏,为了防止节点的脆性破坏,设计人员要充分了解节点的破坏形式、受力原理，按“强柱弱梁”、“强连接弱构件”进行设计计算，使节点能够完全传递被连接板件的弯矩和剪力，充分发挥钢材的塑性性能，保证钢框架节点在地震作用下不发生脆性破坏。

这就要就设计人员从细节构造出发，必须排除在常规的等截面梁上未经任何加强或削弱就直接与柱连接的做法,合理确定构造,以有效改变应力大、变形集中的状况,同时应保证施工质量,确保框架结构在地震作用下的整体抗震安全性能。

参考文献：
References:
[1] 聂正春，李明全. 钢结构节点抗震措施简述. 四川建筑，2010
[2] 陈晓光. 钢结构抗震设计浅谈. 建筑与结构设计，2008
[3] 马辉. 钢框架梁端翼缘扩翼型和侧板加强型节点有限元分析. 青岛理工硕士论文，2010
[4] 王燕等.钢框架翼缘削弱型和扩翼型节点受力性能研究. 力学与实践，2010
[5] 孙作海. 高层钢结构抗震研究. 民营科技，2011
[6] 周群，王燕. 狗骨式节点翼缘削弱深度的取值研究. 钢结构，2007
[7] 李国强，孙飞飞. 关于钢结构抗震存在的问题及建议. 地震工程与工程振动，2006
[8] 陈晓峰等. 关于钢结构抗震设计的探讨. 建筑结构，2009
[9] 沈祖炎. 关于钢结构抗震设计方法的讨论与建议. 建筑结构，2009
[10] 彭观寿. 基于性能的钢结构抗震. 钢结构，2007
[11] 阳勇波. 两种钢框架节点抗震工法比较. 山西建筑，2005
[12] 郑玉峰. 浅析钢结构抗震设计. 建筑科学，2011
[13] 代江. 对钢框架结构节点抗震设计思想的分析. 山西建筑，2012
[14] 蒋定为. 钢框架盖板-腋加强型节点受力性能及抗震分析. 兰州理工大学硕士论文，2012
[15] 黄伟. 钢框架结构梁柱刚性节点抗震设计. 山西建筑，2007
[16] 郭兵. 钢框架梁柱端板连接节点的抗震设计方法. 土木工程学报，2004
[17] 何琼芳. 钢框架梁柱刚性节点的抗震. 广东建材，2009
[18] 黄艳. 钢框架梁柱新型抗震节点设计. 工程建设与管理，2008
[19] 王喜堂. 钢框架栓焊梁柱连接节点的抗震设计. 四川建筑科学研究，2008
[20] 姚国春. 抗震钢框架节点的设计和材料断裂韧度要求的讨论. 焊接，2001
[21] 杨庆山. 梁腹板开圆孔的钢框架抗震节点. 中国安全科学学报，2005。