钢框架结构梁柱刚性节点抗震设计
刚性连接节点的抗震性能的分析
刚性连接节点的抗震性能的分析刘朝科彭军（西安科技大学建筑与土木工程学院 710054）[摘要] 通常认为钢框架具有良好的抗震性能，但在最近的几次大地震中许多高层钢结构房屋的梁柱刚性连接节点受到严重破坏。
这说明传统的刚性连接框架在某些方面存在这不足之处。
本文对刚性连接框架的形式以及抗震性能进行了深入的分析和总结，最后对提高刚性连接框架的抗震性能，在设计、构造、及施工三方面提出一些意见和建议。
[关键词] 梁-柱刚性连接节点常用设计法栓焊连接强节点弱构件延性中图分类号：TU391ANALYSIS OF THE ASEISMATIC CAPABILITY OF THE BEAM-COLUMN CONNECT IN STEEL FRAMELiu Chao Ke PengJun(Xi’an university of science and technology 710054)Abstract Steel frame has nice aseismatic capability, but column-beam rigidity joints in hundreds of multi-story and high steel buildings had been damaged in the Northridge earthquake and the Hanshen earthquake. The traditional method has some deficiencies. The authors study in form and capability of the Frame. And suggestions on design and fabrication are presented.Keywords column-beam rigidity joints; bolt-weld connection; general design method; ductility一直被工程界认为具有良好抗震性能的钢结构建筑在多次大地震中发生各种不同的破坏形式。
建筑结构抗震设计2
世界上第一个多层钢结构建筑（1872年建于巴黎）
3. 框架—偏心支撑结构体系
可通过偏心梁段剪切屈服限制支撑受压屈曲，使结构 具有稳定的承载能力和良好的耗能性能，抗侧力刚度介于 纯框架和中心支撑框架之间 。
4. 框筒结构体系
（1）实际上是密柱框架结构
（2）框架结构的梁柱节点宜采用刚接
（3）由于梁跨小，刚度大，使周圈柱 近似构成一个整体受弯的薄壁筒体
支撑连接更易遭受地震破坏
§7.2 多高层钢结构的选型与结构布置 一、结构选型
在结构选型上，多层和高层钢结构无严格界限.
•为区分结构的重要性对结构抗震构造措施的要求不同。 我国建筑抗震设计规范（GB50011—2010）规定：
将超过12层的建筑归为 高层钢结构建筑
将不超过12层的建筑归为 多层钢结构建筑
有抗震要求的多高层建筑钢结构可采用以下结构体系：
1. 纯框架结构 延性好，但抗侧力刚度较差
•采用框架结构时， 甲、乙类建筑和高 层的丙类建筑不应 采用单跨框架，多 层的丙类建筑不宜 采用单跨框架。
2. 框架—中心支撑结构体系
通过支撑提高框架的刚度，但支撑受压会屈曲，支撑屈曲将 导致原结构承载力降低 。
1978年日本宫城县远海地震（里氏7.4级） 1978年日本宫城县远海地震钢结构建筑破坏类型统计
结构数量 破坏类型 Ⅴ 柱 过度弯曲 梁 梁、柱局部屈曲 支撑连接 梁柱连接 连接破坏 – – 2 6 – Ⅳ 2 – 1 13 – Ⅲ – – 1 25 2 Ⅱ 2 1 2 63 1 119 80.4 11 7.4 总数 百分比(%) 破 坏 等 级* 统 计
建筑结构抗震设计 Seismic design of buildings
第七章
钢结构 柱和支撑的设计
梁翼缘与柱翼缘对接焊缝的抗拉强度：
M ft w b f t f (h t f )
梁腹板角焊缝的抗剪强度：
V w ff 2lw he
23
2.栓焊混合连接
24
栓－焊混合连接刚性节点
梁翼缘与柱翼缘对接焊缝的抗拉强度：
M ft w b f t f (h t f )
45
竖向支撑的布置
可在建筑物纵向的一部分柱间布置，也可在
横向或纵横两向布置；
在平面上可沿外墙布置，也可沿内墙布置。
46
47
4.3.4.1 中心支撑
1.支撑形式
十字交叉斜 杆
单斜杆
人字形斜杆
K形斜杆
跨层跨柱 设置
抗震设防的结构不得采用K形斜杆体系；
所有形式的支撑体系都可以跨层跨柱设置。
斜杆体系
M lp W p f y
Vl，M lp——耗能梁段的塑性（屈服）受剪承载力、塑性（屈服）
受弯承载力。
弯曲屈服型
4. 耗能梁段板件宽厚比
偏心支撑框架梁的板件宽厚比限值
板件名称 翼缘外伸部分 腹板 宽厚比限值 8
N Af 0.14 N Af 0.14
90[1 1.65 N ( A f )]
3. 整体稳定 强轴平面内
my M y tx M x N f 弱轴平面内 y A W (1 0.8 N ) bW1x y 1y N Ey
注意 t 40mm 稳定系数
4.局部稳定 满足宽厚比限值
取值
框架梁、柱板件宽厚比限值
板件名称 工字形截面翼缘外伸 部分 工字形截面腹板 箱形截面壁板 工字形截面和箱形截 面翼缘外伸部分 梁 箱形截面翼缘在两腹 板之间部分 工字形截面和箱形截 面腹板 一级 10 43 33 9 30
钢框架结构设计
2、建筑高宽比限值
1.2.2、“抗震规范”（GB 50011－ 2023）旳要求
1、合用高度
高层民用建筑钢构造多种类型旳最大合用高度 应符合规范要求。对平面和竖向不规则或建造 于Ⅳ类场地旳钢构造，其高度应合适降低。
2、建筑高宽比限制
第二篇 钢框架旳构造布置 2.1、按照承重方案旳不同划分为三种:
N Mx My f
An xWnx yWny
➢ 强轴平面内稳定：
N
mx M x
ty M y f
x A
xW1 x
(1
0.8
N N 'Ex
)
byW1 y
➢ 弱轴平面内稳定：
N
my M y
tx M x f
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yW1 y
(1
0.8
N N ' Ey
)
bxW1 x
截面抗震验算
S R RE
在水平荷载作用下，框架节点因腹板较薄，节点域将产生 较大旳剪切变形（图1-17），从而使框架侧移增大10%至20% （“高钢规程”要求，应计入其影响）；对内力旳影响在10% 以内（可不计其影响）。
4.2.2、钢框架构造侧移要求
➢ 框架构造在水平荷载作用下旳变形由总体 剪切变形和总体弯曲变形两部分构成。
➢ 基本假定：
(1)在剪力分配时, 以为梁旳线刚度与柱旳线 刚度之比为无限大,两端无转角;
(2) 拟定各柱旳反弯点位置时,以为除底层外 其他各层柱上下两端旳转角相同;
(3) 不考虑柱旳轴向变形,同一层各节点旳水 平位移相等。
同层柱旳剪力分配
柱旳侧移刚度: 第i层旳总剪力:
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大型公共钢结构建筑设计流程及抗震设计要点论文
大型公共钢结构建筑设计流程及抗震设计要点探析摘要：随着高强度钢材技术的发展，以及人们对钢筋混凝土结构在建筑中的缺点的逐步认识，钢结构在城市建筑特别是大型公共建筑中得到大量应用，由于关系到人民的生命财产安全，其结构抗震设计受到很大重视。
关键词：大型公共建筑钢结构设计流程抗震中图分类号： tu391 文献标识码： a 文章编号：一、大型公共钢结构建筑的设计原则在钢结构建筑的设计过程中，要严格遵守一定的设计原则，才能够保证其结构的稳定性与可靠性，归纳为以下几点：第一要本着节约的原则，尽量节省材料的运用，降低钢结构自身的重量，缩短钢结构安装的时间，并且能够缩短运输时间，降低成本；第二要保证其符合建筑物施工和使用的要求，使其具有足够的稳定性，在刚度和强度方面应当具有很好的耐久性；第三要注重外形与整体的美观程度，符合建筑美学的要求。
二、设计过程1、前期准备工作。
工业建筑中钢结构设计的前期准备主要是指在前期建设时，建筑设计人员为土木设计人员提供相应的设计分布图纸以及相关建筑的荷载资料。
其中设计工艺分布图必须明确阐述具体的工艺设计流程以及各程序之间的相互联系和相互关系，确定平面位置与空间位置是否相一致根据结构的分布形式，设计各构件的计算长度，并在实际中检验运算结构，保证各项数据都能达到准确无误。
另外，专业的设计人员要充分调查施工当地的地理条件、水文特征以及气象资料，通过衡量钢材料的雪荷载、地震荷载以及风荷载等方面，确定材料的强度选择，以保证设计的安全性和整体钢结构的稳定性。
2、确定钢结构体系。
应当着重考虑的有两方面的问题，第一，纵向结构系统和横向结构系统。
纵向系统，基本由相关的材料构件，如：吊车梁、桁架或制动梁、支撑、墙梁、压架等组成。
柱网，需要根据建筑的使用要求、建筑美观的要求来设计。
第二，横向系统，要考虑建筑使用的综合要求、结构受力要求、刚度要求、选用材料等具体的情况来确定。
3、结构选型与结构布置。
钢结构的结构形式首先要满足基本的工艺要求和施工规范，在明确荷载作用的情况下，设计钢结构的主梁以及立柱的设计分布图，保证在传力的过程中达到受力均匀，维持整体结构的稳定。
钢结构半刚性节点极限承载力与抗震性能研究
0 引言钢结构是近年来发展迅速的一种建筑结构类型，其具有较高的强度和刚度，能够满足大跨度、超高层等特殊需求。
然而，在实际应用中，由于受到多种因素的影响，如地震、风、温度等自然力及人为误操作等，导致钢结构建筑的节点出现失稳与破坏的情况，研究钢结构梁柱节点的抗震性意义重大[1]。
针对此种情况，国内外研究学者纷纷投入其研究中，在国外，Agata G V 等[2]在研究半刚性和刚性梁柱节点连接静力性与动力性能的研究中指出，在一般情况下，半刚性节点的延性、耗能性相对较强，抗震性能更加优越。
Ruby F 等[3]在其研究中对钢结构梁柱节点梁翼缘削弱的“狗骨式”连接进行了往复加载试验，结果表明在不同荷载的作用下，节点的滞回曲线趋近于稳定丰满的状态，说明钢结构半刚性节点具有较强的延性。
在国内，丁克伟等[4]采用有限元模型，对隔板节点与垂直加劲肋节点的各抗震性能指标进行比较，并分析垂直加劲肋节点的长度与高度对其抗震性能的影响。
研究结果表明，加劲肋长度与高度对节点刚度的影响相对较大，并且在加劲肋长度不同的情况下，还会影响节点的承载力。
综上所述，国内外在钢结构半刚性节点极限承载力与抗震性能研究方面取得了相应的成效，并提出了不同节点的基本计算理论，为钢结构半刚性节点极限承载力与抗震性能的研究提供了指导。
本文旨在分析国内外关于钢结构建筑节点极限承载力与抗震性能研究的现状，通过节点有限元模型对半刚性节点受力情况与抗震性能进行分析，以期为钢结构建筑设计提供参考。
1 项目概况本工程183.8m 塔楼的结构体系主要包括钢管混凝土框架和核心筒。
其中，钢管混凝土框架主要由芯管和钢管组成，起到支撑作用，使整个结构更加坚固稳定；芯管的主要功能是将结构分成几个小隔间，并将它们与芯管连接；钢管混凝土框架主要由两部分组成，一部分是水平支撑部分，另一部分是垂直支撑部分。
水平支撑段钢管混凝土框架主要由柱和梁组成，而垂直支撑段的钢管混凝土框架则主要由芯管组成，通过连接柱和芯管可以形成一个整体。
PEC柱—型钢梁顶底角钢连接框架抗震性能研究
about 7.0%, the ductility coefficient improves by 21.1%, the node rigidity and the degradation of bearing capacity has been improved. Therefore, this frame should be restrict the column axial compression ratio appropriately and be minimized the angle bolts margins within the required range in order to increase the joint stiffness, and improve the frame ductility.Another, three frame models were built by using ABAQUS finite element software in the test, The results of the simulation and the test were compared based on the analysis. the gap between the two results is range from 2.8% to 16.2%. On this basis, a composite frame of three-layer one-span was designed, forcing loads in the situation of frequently occurred earthquake and rarely occurred earthquake with quivalent base shear method. Ultimately the storey drifts of this frame meet the requirement of the seismic code.Key Words：Partially encased concrete composite column；Top-seat angles；Composite frame；Seismic behavior；Finite element analysis* This study is supported by the National Natural Science Foundation（51268042）目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 PEC柱的形式及优点 (1)1.2 梁柱节点的种类 (1)1.3 梁柱连接节点的典型构造 (2)1.3.1 刚性连接节点 (3)1.3.2 铰接连接 (3)1.3.3 半刚性连接 (3)1.4 半刚性连接钢框架的优越性 (4)1.5 研究与应用现状 (4)1.5.1 H型钢部分包裹混凝土组合结构 (4)1.5.2半刚性连接钢框架的试验研究现状 (5)1.5.3半刚性连接钢框架理论研究现状 (7)1.6PEC柱—钢梁角钢连接框架应用的主要问题 (8)1.7 课题提出背景及本文研究内容 (8)2 部分包裹混凝土柱半刚性框架的试验研究 (10)2.1 概述 (10)2.2 试件设计与制作 (10)2.3 材料性能 (11)2.4 试验加载及制度 (12)2.5 试验数据采集 (13)2.5.1 应变片及应变花位置 (13)2.5.2 位移计位置 (15)2.6 试验过程与特征分析 (15)2.6.1 KJ-1试验现象 (15)2.6.2 KJ-2试验现象 (16)2.6.3 KJ-3试验现象 (17)2.6.4破坏特征与破坏机理分析 (18)3 抗震性能与应变分析 (19)3.1 滞回性能 (19)3.1.1 滞回曲线 (19)3.1.2 骨架曲线 (20)3.2 承载力退化 (21)3.3 刚度退化 (23)3.4 延性分析 (26)3.5 节点初始转动刚度 (27)3.6 应变分析 (30)3.6.1 节点核心区剪应变 (30)3.6.2 角钢应变 (32)3.6.3 角钢、梁端、柱脚应变分析 (33)3.6.4 角钢、梁端、柱脚屈服先后顺序分析 (33)3.6.4 内力分析 (39)3.7 小结 (41)4 有限元分析 (43)4.1 概述 (43)4.2 建模过程 (43)4.2.1 材料属性及本构关系 (43)4.2.2 网格划分 (45)4.2.3 接触与约束 (45)4.2.4 螺栓预紧力及边界条件 (45)4.3 模拟结果与试验对比分析 (46)4.3.1 破坏形态 (46)4.3.2 数据对比 (49)4.4 PEC柱—型钢梁角钢连接三层框架抗震性能分析 (50)4.4.1 拟静力加载条件下抗震性能分析 (50)4.4.2 地震作用下抗震性能分析 (52)4.5 小结 (55)结论 (56)参考文献 (58)在学研究成果 (62)致谢 (63)1 绪论1.1 PEC柱的形式及优点PEC柱为英文Partially Encased Concrete Composite Column的缩写，即部分包裹混凝土组合柱，为近年来出现的新型构件。
梁柱节点的常用设计法
1，“常用设计法”和“精确设计法”的区别根据《钢结构连接节点设计手册》（李和华，中国建工，1992）pp170-174, 所谓“常用设计法”原则上梁端弯矩M(设计弯矩)全部由梁翼缘承担，梁端剪力V（设计剪力）全部由梁腹板承担；所谓“精确设计法”中，是以梁翼缘和腹板按各自截面惯性矩分担作用于梁端的弯矩M（设计弯矩），以梁翼缘承担弯矩Mf，并以腹板承担弯矩Mw和梁端全部剪力V（设计剪力）。
从以上设计概念出发，对梁翼缘与柱的连接，“常用设计法”比“精确设计法”偏于安全，对梁腹板与柱的连接，“常用设计法”偏于不安全。
《高层建筑钢结构设计》（陈富生等，中国建工，2000）pp341认为，“常用设计法”对高跨比（指梁？我认为，原文未指明）适中或较大的大多数情况，是偏于安全的。
我推论，对高跨比小的梁，剪力可能会控制设计，所以“常用设计法”可能会偏于不安全。
2，“常用设计法”和“精确设计法”与抗震设计中的“强节点弱构件”设计原则的关系无论是“常用设计法”还是“精确设计法”，连接计算都是从梁端的设计内力出发，也就是说，这两种方法都不是“等强连接”（与梁的全截面抗弯和抗剪承载力比）。
如果说“对于翼缘焊接连接，腹板高强螺栓连接的梁柱节点来说，其连接的抗弯承载力只有梁本身抗弯承载力的80~85%，这就违背了在抗震设计中的“强节点弱构件”的基本原则，所以这种用“常用设计法”设计的梁柱节点，在较大的地震作用下，就必然会出现节点破坏现象”是符合实际的话，那也不是“常用设计法”的错。
很简单，要使节点的承载力大于构件的承载力，你就要以大于构件承载力的内力去设计它。
如果“常用设计法”不符合“强节点弱构件”的要求，那是很自然的事情，“精确设计法”就更加不符合了，因为按“精确设计法”得到的梁翼缘连接比“常用设计法”得到的更弱。
3，如何符合“强节点弱构件”设计原则《多高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点的抗震设计》（刘其祥等，建筑结构，20018月，pp 9-12）对“常用设计法”设计的梁柱节点进行了精彩的评价，但是作者并没有认为“精确设计法”就可以实现“强节点弱构件”设计原则。
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钢框架结构梁柱刚性节点抗震设计
摘要：本文主要探讨了钢框架结构梁柱刚性节点抗震设计。
关键词：钢框架结构；梁柱；刚性连接节点；抗震设计
1引言
在钢框架结构的设计过程中，梁柱刚性节点的设计是其中一项重要的设计内容，梁柱刚性节点设计工作是否合理和可行，对钢框架结构稳定性产生着重要的影响，因此要做好梁柱刚性节点的设计工作，为钢框架结构的稳定性提供保障。
在社会生产力不断发展和进步的基础上，钢结构的使用范围和使用数量都呈现着逐渐上涨的趋势。
为了给建筑工程的经济效益和社会效益提供保障，要将钢结构梁柱刚性节点的设计工作落实到位。
2钢结构梁柱节点的基本特性
2.1刚性连接点
为了使构件原本的力学特征得到保留，对于连接节点位置的完全连接性，要使其不发生任何变化，避免连接节点的完全连接形受到影响。
使用这种构造，可以保证构件之间的夹角保持稳定的夹角度数，保证构件具有一定的承载能力，也为构建的连接强度提供保障。
2.2半刚性连接节点
对于半刚性连接节点而言，一般情况下，要使其承载能力不小于构件的承载能力，但是由于受到一些因素的影响，例如：半刚性节点的连接方法不恰当、细部构造设计不合理等等，导致半刚性连接节点的弹性刚度不理性，即其弹性刚度没有构件的弹性刚度好，因此在实际的情况中，一般不会使用半刚性连接节点的设计方式。
2.3铰接连接节点
对于铰接连接节点而言，从理论的角度考虑，铰接连接节点对于弯矩的情况，则完全不能够承担，所以在构件拼接连接的过程中，通常都不会使用铰接连接节点的设计方式。
一般情况下，在构件端部连接的过程中会使用铰接连接，例如：柱脚之间的连接和梁之间的连接等等。
2.4螺栓连接计算
在刚性连接的过程中，要将螺栓连接工作落实到位。
在螺栓连接工作之前，要合理的计算螺栓连接的强度。
如果螺栓；连接只是承受预紧力的作用,则螺栓
的拉伸应力为：，扭转剪应力为：τ=，近似处理：τ=0.5
σ，应力合成：σca==，强度条件：σ
ca=
，设计公式为：d1≥。
根据计算可知，在拧紧时受拉伸、扭
转的联合作用，在计算时，只按拉伸强度计算，并将计算结果重大30%来考虑扭转的影响。
3钢结构梁柱刚性节点抗震设计
3.1钢梁腹板上下端设计
为了使翼缘焊缝正常的施工不受到影响，要使其呈现扇形口的形状，上切口半径以35mm为标准，下切口的高度以50mm为标准，当腹板现场焊接连接时，则要相应的降低腹板的高度，一般降低的高度是以85mm为标准，当用连接的过程中使用的是连接板时，则连接板的上部位置和下部位置要和梁翼保持着一定的距离，一般距离是以50mm为准。
3.2塑性较截面位置的处理
在钢结构梁柱刚性节点设计的过程中，梁端削弱式方案和加强式方案使用的目标是一样的，即在地震中维持钢结构的稳定性。
合理的运用梁端削弱式方案或者是加强式方案，在地震中，钢梁耳朵表面位置会出现塑性铰。
按照
（GB50017—2003）《钢结构设计规范》的标准，如果钢梁位置出现塑性铰，则需要在此位置安装支撑杆，而按照（GB50011-2003）《建筑抗震设计规范》的标准，在翼缘的上部位置和下部位置，要安装侧向支撑杆。
3.3梁端削弱式方案
如果在钢结构梁柱节点抗震设计时使用梁端削弱式方案，要尽可能的减少梁的钢材使用量，在对削弱截面的设计过程中，要尽可能的不在钢梁截面上进行削弱，以此保证地震中钢结构的稳定性。
3.4钢梁上下翼缘的施工
在钢梁下翼缘焊缝的过程中，受腹板作用的影响，焊缝工作存在一定的困难，因而会影响到下翼缘的焊缝质量。
传统的焊接方法，主要是将取消掉上下翼缘之间的腹板，为下翼缘的焊缝顺利施工奠定基础，同时也为下翼缘的焊缝质量提供
保障。
但是这种焊缝方法，很容易破坏主材。
所以在钢结构梁柱刚性节点抗震设计的过程中，首先要除去下翼缘位置的衬板，在上翼缘的位置，在角焊缝方法的帮助下，使衬板和翼缘额焊接过程处于封闭的状态。
此外，由于地震作用对上翼缘位置的影响不大，可不予考虑，但是在下翼缘位置，在角焊缝方式的帮助下，要使衬板和梁柱翼缘处于封闭的状态。
3.5梁端削弱式方案
如果钢结构梁柱刚性节点抗震设计过程中，运用的是梁端削弱式方案，在施工的过程中，则要首先结束梁腹板和柱的焊接施工，具体来说，就是在柱的表面位置上，在全熔透坡口焊缝方式的帮助下，完成梁腹板的焊接施工，或者在较厚的连接板帮助下，完成梁腹板的焊接施工。
相关的研究结果显示，相比较栓接性能而言，腹板焊接具有良好的性能，能够为传力提供良好的支持，进而实现降低翼缘和翼缘坡口焊缝应力的目的。
如果连接方式选用的是焊接连接方法，则所选择的焊条或者选用的焊丝和焊剂。
4抗震设计中钢框架结构梁柱刚性节点处理形式
4.1梁端削弱式（犬骨式）方案
梁端削弱式方案，主要是指圆弧削弱靠近梁柱节点的钢梁翼缘，受地震作用的影响，翼缘削弱处会出现塑性铰，实现保护梁柱刚性连接节点的目的。
在设计的过程中，要按照“强连接弱杆件”的原则进行设计，保证将圆弧削弱的工作落实到位，从而保证梁端刚性连接节点在地震中的稳定性。
4.2梁端加强或加腋式方案
梁端加强方案，主要指的是增加梁端和梁端与钢柱焊接的截面面积，使梁端和节点承载能力超过正常钢梁截面承载能力，以实现在地震中保障梁柱刚性节点稳定性的目的。
5结语
总而言之，钢框架结构梁柱刚性节点的抗震设计工作具有重要的作用，设计人员要充分的认识梁柱刚性节点抗震设计工作的重要性，将梁柱刚性节点的抗震设计工作落实到位，在保证梁柱刚性节点稳定性的基础上，提高建筑工程的稳定性，从而延长建筑工程的使用时间。
参考文献：
[1]邱锐,张翔.钢结构梁柱刚性节点的抗震设计[J].建材世界,2012,33(4):94-96.
[2]白洁,赵聪.多高层房屋钢结构梁柱刚性节点的设计建议[J].民营科技,2011(3):326-326.。