高层建筑钢结构节点的设计原理分析

2012年6月（下）建筑科学科技创新与应用
高层建筑钢结构节点的设计原理分析
魏春敏
（昌黎县住房保障和房产管理局，河北秦皇岛066600）
钢结构是由构件和节点构成的。

即使每个构件都能满足安全使用的要求，如果节点设计处理不恰当，连接节点的破坏，也常会引起整个结构的破坏。

连接节点破坏是钢结构地震破坏的常见形式之一。

1994年1月美国北岭地震后，调查了1000多栋钢结构房屋建筑，有100多栋建筑的梁柱连接破坏，其中80%以上破坏发生在梁的下翼缘连接。

1995年1月日本阪神地震后的调查发现，部分钢结构也出现了梁柱连接破坏的震害，破坏位置主要在扇形切角工艺孔端部。

可见，要使结构能够满足预定功能的要求，正确的节点设计与构件设计，两者具有同等的重要性。

1节点的连接方式
高层钢结构的节点连接可采用焊接、高强度螺栓连接，也可以采用焊接与高强度螺栓的栓焊混合连接。

1.1焊接连接
焊接连接的传力最充分，有足够的延性，但焊接连接存在较大的残余应力，对节点的抗震设计不利。

焊接连接可采用全熔透或部分熔透焊缝。

但对要求与母材等强的连接和框架节点塑性区段的焊接连接，应采用全熔透的焊接连接。

1.2高强度螺栓连接
高层钢结构承重构件的高强度螺栓连接应采用摩擦型。

高强度螺栓连接施工方便，但连接尺寸过大，材料消耗较多，因而造价较高，且在大震下容易产生滑移。

1.3栓焊混合连接
栓焊混合连接在高层钢结构中应用最普遍，一般受力较大的翼缘部分采用焊接，腹板采用高强度螺栓连接。

这种连接可以兼顾两者的优点，在施工上也具有优越性。

由于施工时一般先用螺栓定位然后对翼缘施焊，此时栓接部分承载力应考虑先栓后焊的温度影响乘以折减系数0.9。

2梁与柱连接节点的设计
梁与柱的连接一般可分为三类：其一，铰接连接，这种连接柱身只承受梁端的竖向剪力，梁与柱轴线间的夹角可以自由改变，节点的转动不受约束；其二，刚性连接，这种连接柱身在承受梁端竖向剪力的同时，还将承受梁端传递的弯矩，梁与柱轴线间的夹角在节点转动时保持不变；其三，半刚性连接，介于铰接连接和刚性连接之间，这种连接除承受端传来的竖向剪力外，还可以承受一定数量的弯矩，梁与柱轴线间的夹角在节点转动时将有所改变，但又受到一定程度的约束。

在实际工程中，理想的刚性连接是很少存在的。

2.1梁与柱节点的连接与极限承载力要求
钢框架一般采用柱贯通型，较少采用梁贯通型。

抗震设计时，钢框架和钢支撑框架的梁柱连接应为刚接。

工程中常用的方法有两种：①梁与柱直接连接；②在柱上焊接悬臂短梁，梁与悬臂短梁拼接。

后一种连接方法对构件制作要求较高。

梁柱连接的极限受弯承载力，由翼缘全熔焊缝提供，应不小于梁的全塑性受弯承载力的1.2倍；极限受剪承载力，由腹板连接提供，应不小于梁跨中作用集中荷载时梁端达全塑性受弯承载力对应的梁端剪切力的1.3倍，且不小于梁腹板的屈服受剪承载力。

系数1.2和1.3是考虑梁钢材的实际屈服强度可能高于标准值。

2.2梁与柱连接节点的抗震构造
梁与工字形截面柱的翼缘或箱形截面柱直接连接时，应符合下列抗震构造要求：梁翼缘与柱翼缘之间采用全熔透坡口焊缝，8度乙类建筑和9度时，应检验V形切口的冲击韧度，其恰帕冲击韧度在-20℃时不低于27J；柱在梁翼缘对应位置设置横向加劲肋，加劲肋的厚度不小于梁翼缘的厚度，6度抗震设防时，可以通过计算适当减小加劲肋的厚度，但不小于梁翼缘厚度的一半；梁腹板采用摩擦型高强度螺栓通过连接板与柱连接。

腹板角部设置扇形切角，其端部与梁翼缘的全熔透焊缝应避开，当梁翼缘的塑性截面模量小于梁全截面塑性模量的70%时，梁腹板与柱的连接螺栓不得少于两列，当计算公需一列时，仍应布置两列，且此时螺栓总数不得少于计算值的1.5倍。

3次梁与主梁连接节点的设计
次梁与主梁的连接有铰接和刚接两种。

若次梁按简支梁或连续梁计算，但在连接节点处只传递次梁的竖向支座反力，其连接为铰接。

若次梁按连续计算，连接节点除传递次梁的竖向支座反力外，还能同时传递次梁的端弯矩，其连接为刚接。

次梁与主梁的铰接形式按其连接相对位置的不同，可分为叠接和平接两种。

3.1梁在工地的拼接，主要用于柱带悬臂梁段与梁的连接，其拼接形式有：翼缘采用全熔透焊缝连接；腹板用摩擦型高强度螺栓连接，翼缘和腹板均采用摩擦型高强度螺栓连接；翼缘和腹板均采用全熔透焊缝连接。

3.2次梁与主梁的连接宜采用铰接连接，按次梁的剪力设计，并考虑连接偏心产生的附加弯矩，可不考虑主梁受扭。

3.3抗震设防时，为防止框架横梁的侧向屈曲，框架横梁下翼缘在节点塑性区段应设置侧向支撑构件。

由于梁上翼缘和楼板连在一起，所以只需在互相垂直的主梁下翼缘设置侧向隔撑，此时隔撑可起到支撑两根横梁的作用。

4柱与柱连接节点的设计
柱的连接主要指工地拼接，常用的连接方法有对齐坡口焊接以及高强度螺栓与焊缝的混合连接。

4.1钢框架宜采用工字形或箱形截面柱，型钢混凝土部分宜采用工字形或十字形截面柱。

4.2箱形柱通常为焊接柱，在工厂采用自动焊接组装而成。

其角部的组装焊缝应为部分熔透的V形或U形焊缝，焊缝百度不应小于板厚的1/3，并不应小于14mm。

4.3为保证柱接头的安装质量和施工安全，柱的工地拼接处应设置安装耳板临时固定。

耳板厚度的确定应考虑阵风和其他施工荷载的影响，并不得小于10mm。

4.4按非抗震设防的高层建筑钢结构，当柱的弯矩较小且截面不产生拉力时，可通过上下柱接触面直接传递25%的压力和弯矩，此时柱的上下端应磨同紧，并应与柱轴线垂直。

坡口焊缝的有效深度不宜小于板厚的1/2。

4.5工字形柱的工地拼接设计中，弯矩由柱翼缘和腹板承受，剪力由腹板承受，轴力由翼缘和腹板分担。

翼缘通常为坡口全熔透焊缝，腹板为高强度螺栓连接。

当采用全焊接接头时，上柱翼缘开V形坡口、腹板开K形坡口。

5柱脚节点的设计
柱脚的作用是将柱的下端固定于基础，并将柱身所受的内力传给基础。

基础一般由钢筋混凝土做成，其强度远比钢材低。

为此，需要将柱身的底端放大，以增加其与基础顶部的接触面积，使接触面上的压应力小于或等于基础混凝土的抗压强度设计值。

柱脚按其与基础的连接方式不同，可分为铰接和刚接两种型式。

铰接柱脚主要用于轴心受压柱。

柱子轴力较小时，柱子下端直接与底板焊接。

柱子压力由焊缝传给底板，由底板扩散并传给基础。

柱子轴力较大时，在柱子底板上设置靴梁、隔板和肋板，底板被分隔成若干小的区格。

柱子轴力通过竖向角焊缝传给靴梁，靴梁再通过水平角焊缝传给底板。

刚接柱脚主要用于框架柱（压弯构件）。

整体式刚接柱脚用于实腹柱和支间距离小于1.5m的格构柱。

当格构柱支间距较大时，采用整体式柱脚是不经济的，这时多采用分离式柱脚，每个分支下的柱脚相当于一个轴心受力铰接柱脚，两柱脚之间用隔材联系起来。

6结束语
钢结构住宅结构体系在我国正处于一个起步阶段，国家政策的导向，高层建筑的大量兴建等为钢结构住宅结构体系的发展和应用提供了非常广阔的前景。

参考文献
[1]吴云.钢结构住宅设计研究.2009年6月出版.
[2]徐占发.钢结构与组合结构.2008年3月出版.
[3]赵风华.钢结构原理与设计.2010年6月出版.
[4]中国机械工业教育协会组编.钢结构.2001年9月第1版.
摘要：钢结构在高层建筑中应用广泛，在全世界已建成的高层建筑中，77层以上的建筑全部采用钢结构；34层以上的建筑中，85%采用钢结构。

本文分别从钢结构节点连接方式、梁与柱连接节点的设计、次梁与主梁连接节点的设计、柱与柱连接节点的设计、柱脚节点的设计等方面进行着重分析研究。

关键词：钢结构；节点；设计
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