梁柱端板螺栓连接节点极限承载力抗震

梁柱端板螺栓连接节点极限承载力
抗震设计方法

陈小峰郝际平
（中国建筑西南设计研究院有限公司)（西安建筑科技大学土木工程学院）
内容
一、引言
二、端板连接的破坏模式
三、极限承载力抗震设计准则
四、预期的极限设计弯矩
五、螺栓抗拉，抗剪计算
六、端板与柱翼缘的强度计算
七、节点域的抗剪计算
八、结语
一、引言
1994年美国北岭地震(Northridge
earthquake)和1995年日本阪神地震(Hyogoken-
NanbuEarthquake)中，有200多个钢框架因梁柱
焊接节点脆断而破坏，而采用端板连接的结构
的破坏程度明显轻微，这两次地震充分的说明
端板连接具有良好的抗震性能。下图所示的三
种外伸端板高强螺栓连接构造可考虑用于多高
层钢框架结构的抗震设计中。
三种外伸端板高强螺栓连接构造
二、破坏模式
端板连接的破坏形式取决于各组件的相
对强弱关系，因此具有多样性。试验中出现
的各种破坏形式：

梁的弯曲屈服
端板的弯曲屈服
梁柱节点域的剪切屈服
高强螺栓的脆性拉断
高强螺栓的剪切破坏
各种焊缝的破坏
试验破坏照片
梁
端板节点域
对于中薄端板，节点破坏为脆性破坏，破
坏模式为端板的屈服和随后螺栓的突然脆断，
端板的屈服可以提供中等的耗能能力，然而它
会导致螺栓中较大的撬力，从而导致螺栓在拉
力和弯矩作用下过早的脆断；对厚端板，梁翼
缘和腹板的局部屈曲破坏是理想的屈服破坏模
式，能提供较大的延性和耗能能力，同时也满
足“强节点弱构件”的抗震设计准则。
三、极限承载力抗震设计准则
抗震规范(GB50011-2001)中规定“构件连接应
按地震组合内力进行弹性设计并进行极限承载力验
算”的计算原则，端板连接中的螺栓、板件需进行
弹性设计和极限承载力设计。
本文对端板螺栓连接节点只进行极限承载力设
计，弹性设计按一般方法设计。本文建议的端板螺
栓连接的抗震极限承载力设计准则和一般刚性节点
相同，即为梁截面出现塑性铰时，端板和螺栓未破
坏。满足“强柱，强节点，弱构件”的抗震设计准
则
。
四、预期的极限设计弯矩（极限设计弯矩的估算）
pbpbybPbyb
MCRWf

1.22ybubpbybffCf
设计时可取1.2。

C
pb
为连接承载力系数，该系数考虑应变强

化、局部约束、额外加强等因素，对大多数连
接，可用下式确定：
确定了梁的预期塑性铰弯矩和塑性铰的位
置，连接中各个构件的强度要求就可以确定，
无加劲肋端板梁柱节点中梁的塑性铰位置一般
取d/2和3bbf的较小值。端板梁柱连接节点的关
键截面在柱面，对于无加劲肋端板梁柱节点，
柱面的弯矩为预期的梁截面塑性铰弯矩和塑性
铰处的剪力所产生的附加弯矩之和，见图2。
柱面弯矩的计算
22pbpbgravityM
VVle


fpbpb
MMVe
五、螺栓抗拉，抗剪计算

Kennedy模型中板的三个阶段
由于本文的设计准则为强柱弱梁，强节点弱
构件的抗震设计准则，非弹性行为主要集中在梁
上，所以按照本准则，端板和柱翼缘为“厚”板，
这就确保了端板和柱翼缘仍处于弹性阶段，所以
螺栓中不产生撬力。
在弯矩作用下各螺栓拉力的分布情况和端板
的柔性有密切关系，试验表明当螺栓有预拉力时，
内外螺栓的拉力差别不大，我国对高强螺栓都施
加预拉力，且端板厚度一般大于螺栓直径，可以
把内外螺栓看成受力相等，旋转中心可认为位于
梁受压翼缘的厚度中央处。
012()tf
PhhM
2
1
0.94tyttPfd

010120.70.9()()fftytyt
MM
dfhhfhh


，


min0.58,pbfetutcutVnAfdtf

六、端板和柱翼缘的强度计算
端板的塑性铰线
由于端板连接的受力特性
非常复杂，所以从很早开始，
就有一些研究者努力探寻用简
化的力学模型和理论分析方法
来研究端板连接，目前最常用
的是塑性铰线理论

1NippnxnxppnynynWmLmL



根据端板的塑性铰线，可得内力虚功：

单位虚位移下外力虚功为：
1
epp
WMh




2

1011101111222 pppyppf
ff

b
Mfthhhesesea













1
2

pp

sba
1f
es

1f

es

利用内力虚功等于外力虚功，可计算出端板的
塑性抗弯强度：

如果
取
2

ppypppp
MftY

将上式的屈服强度用设计强度代替，得端板的厚度
应满足：

f
p
pPP

M
tfY


1011101111222 pppf
ff

b
Yhhhesesea










令
f

bbf

M

Tdt


2vpppTfbt

验算端板的外伸部分的剪切强度：

，
，

2fppvpbbfMtfbdt


020.582fpuppbbf

M
tfbddt

利用虚功原理，可计算出柱翼缘的弯曲强度。

2

10110010111122cfpcfyccfff
ff

b
Mfthhhschscscsca












七、节点域的抗剪计算
节点域既不能太厚，也不能太薄，太厚使得
节点域不能发挥其耗能能力，太薄使得框架的侧
移太大，考虑节点域的部分屈服,节点域的屈服
承载力应符合下式要求：



120.74/3pbpb
v
bcw

MMfhht

八、结语
由于钢框架梁柱连接节点的延性的确定因素
在于焊缝的质量，延性以及合理的构造，而端板
连接的所有焊接工作均在工厂完成，焊接质量有
较高保证。本文将端板螺栓连接应用到多高层钢
框架梁柱节点中，按梁中出现塑性铰的强节点弱
构件抗震设计准则设计的外伸端板梁柱连接节点
的，可以避免撬力的复杂计算，同时可将外伸端
板梁柱节点看成一般刚性节点，避免半钢性节点
对钢框架稳定和侧移的影响。