钢框架结构节点设计与应用探讨

钢框架结构节点设计与应用探讨
1 设计原则
钢结构房屋具有自重轻、强度高、可循环利用等优点，现已在工程中得到广泛应用，而节点设计作为钢结构设计中的重要部分，应引起设计人员的足够重视。

钢框架是由型钢梁与型钢柱通过连接节点组成的几何不变体系，具有良好的延性和抵抗强烈地震的变形能力，但地震灾害中，常常发生钢框架节点破坏的事例，很多甚至引起建筑物的整体倒塌，因此做好钢结构的节点设计，改善建筑物的抗震性能，减轻地震灾害，是我们每个设计人员义不容辞的使命。

1.1构件布置原则
钢框架结构应在满足建筑功能的前提下尽量使平面立面简单规则，平面和空间划分合理，外形简洁便于结构布置。

结构布置时应使结构各层的刚度中心与质量中心接近或重合，以减小结构地震时的扭转影响。

抗侧力构件宜沿平面纵横布置，做到分散、均匀、对称。

柱距不宜过大.柱网宜采用6～9m.结构布置还应尽量避免平面和竖向不规则，结构计算时应采用符合实际的结构计算模型并考虑扭转影响，对于特别不规则的结构宜采用弹性时程分析法作为补充计算。

1.2 节点设计原则
钢结构的抗震设计应做到强柱弱梁更强节点。

节点设计时应遵循下列基本原则：①节点构造应保证实现结构计算简图所要求的连接性能，从而避免因节点构造不恰当而使结构或构件的受力状态与分析不一致；②传力明确，节点传力路径应清晰，尽可能减少应力集中现象；③节点应有足够的承载力，使钢结构不致因连接薄弱而引起破坏；④具有良好的延性，建筑结构钢材本身具有的良好延性对抗震设计十分重要，但这种延性不一定能充分体现出来，这主要是由节点的局部压曲和脆性破坏造成的，因此在设计中应采取合理的细部构造，避免约束大和易产生层状撕裂的连接形式⑤构造简洁，便于制作和安装，节点构造设计是否恰当，对制作和安装影响很大，节点设计便于施工，则施工效率高，成本降低，反之，则成本高，且工程质量不易保证，如高空拼接常因不便于焊接而采用高强螺栓连接，便会影响工效和增加成本；⑥经济合理，应对设计、制作和安装等方面综合考虑后，确定最合适的节点方案，在省时与省材料之间选择最佳平衡点，尽可能减少节点类型，连接节点做到定型化、标准化；⑦节点设计常用方法有等强度设
计方法和按实际最大内力设计方法，如对于构件的拼接一般应按等强度原则设计，即拼接件和连接以及材料应能传递断开截面的最大承载力。

2 对于节点连接的主要形式
钢结构的连接节点，按其构造形式及力学特性，可以分为刚性连接节点、半刚性连接节点、铰接连接节点。

2.1 刚性连接节点：作为构件的刚性连接节点，从保持构件原有的力学特性来说，在连接节点处应保证其原来的完全连续性，这样的节点将和构件的其他部分一样承受弯矩、剪力和轴力的作用。

在工程中主要用于梁与梁的拼接、柱与柱的拼接、梁与柱的连接节点以及框架柱的柱脚连接节点。

一般采用焊接、高强度螺栓连接，或将焊接和高强度螺栓连接混合应用，即在一个连接节点中各自的连接面上，分别采用焊接连接和高强度螺栓连接。

2.2 半刚性连接节点：对于某些连接节点，即使能保证连接节点的承载力等于或大于构件的承载力，但由于所采用的连接方法和细部构造设计的关系，至使连接节点的弹性刚度比构件的弹性刚度显著降低，这样的连接节点称为半刚性连接节点。

半刚性连接节点，作为设计的要求一般是不采用的，若在设计中已考虑了其刚度的降低，也不是什么特殊的问题，但是不注意这种刚度的降低，仍错误的按刚性连接节点的特性进行设计，结果将会导致结构产生过大的挠度和变形等。

2.3 铰接连接节点：从理论上讲是完全不能承受弯矩只能承受剪力的连接节点，因而一般不能用于构件的拼接连接，通常用于构件端部的连接，比如轻型柱脚、屋架支座等，一般采用普通螺栓连接。

3 节点连接在工程中的应用
《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第8.2.8條对钢结构抗侧力构件的连接计算，应符合下列要求：①梁与柱刚性连接的极限承载力，应按下列公式验算：Muj≥ηjMp；
②柱脚与基础的连接极限承载力，应按下列公式验算：Mju，base≥ηjMpc。

Mp、Mpc分别为梁的塑性受弯承载力和考虑轴力影响时柱的塑性受弯承载力；Muj为连接的极限受弯承载力；Mju，base为柱脚的极限受弯承载力；ηj为连接系数，按规范表8.2.8采用，根据连接方式取1.1～1.45。

连接系数ηj既为强节点的体现，节点的受弯承载力必须大于等于构件的塑性受弯承载力乘以连接系数，
而不是按构件所承受的弯矩设计值乘以连接系数，这点在设计过程中是值得注意的。

3.1梁与柱的刚性连接，为了在多遇地震阶段的节点设计中满足连接的抗弯承载力设计值不小于框架梁抗弯承载力设计值ηj 倍的要求，就必需要采用塑性铰外移的梁端节点增强式连接，可采用加盖板，加翼板或加腋等作法，或在离梁端不远处，将梁的上下翼缘进行削弱的作法，这样才能确保框架梁在大震时进入塑性，使延性得到充分发挥。

否则，只加大截面而不加强连接，当地震作用不断加大时，则连接焊缝的弯曲应力必然高于梁端截面的弯曲应力，必然很容易发生当梁端截面还未进入塑性之前，处于梁端薄弱的连接焊缝，就会因弯曲应力过高而发生" 脆性破坏"。

为适应现有的电算程序，宜采用梁端加强式与犬骨式（节点附近梁翼缘消弱）相结合的作法，来达到强节点的要求。

其理由如下：一是，削弱式节点固然是目前公认的一种较好的抗震作法，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，如采用单纯的犬骨式节点，梁端截面不加强，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ηj倍的要求，梁翼缘上的削弱深度会较大，未消弱处梁截面的强度不能得到充分发挥。

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

二是，如单纯采用梁端局部增强式连接，虽然很容易做到梁端的连接承载力不小于梁截面承载力设计值的ηj倍。

但由于塑性铰的外移，地震时，将会使框架柱的计算弯矩比不加强时要大许多。

3.2柱脚与基础的连接，柱脚刚接时极限承载力验算为10版抗规新增加的要求，本条规定的直观意思为柱脚连接节点的承载力应大于柱自身的塑性承载力。

本条规定对外露式柱脚锚栓设计影响很大，将导致外露式柱脚无法使用或受到很大的限制，因为柱截面一般很大，要使螺栓群的承载力大于柱本身的塑性承载力是很困难的。

4 结束语
钢结构越来越多地应用到工程实际中，作为结构工程师必须要根据建筑的特性、使用功能以及设计原则等方面，从而合理的应用结构体系，并且要根据钢结构的重要特性，而选用适当的构件截面。

此外，在节点域的范围里，必须要应用合理的措施，既要节约又要安全。

在应用软件计算时，应按照工程的主要特性，
合理规范地选择计算参数，以保证其准确性。

在设计过程中，必须对设计的依据、技术数据、荷载、选择材料的具体要求、结构的布置、设计要求、选择构件截面以及节点构造等方面都要了解详细，以便编制施工的详图，从而也更好的应用在施工过程当中。