鋼框架梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)計(jì)算方法探討

李 靜

（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200000）

1994年美國(guó)北嶺地震后發(fā)現(xiàn)一些鋼框架梁柱栓焊混用連接點(diǎn)出現(xiàn)了脆性破壞斷裂的現(xiàn)象，且多發(fā)生在梁下翼緣的連接處，對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響較大[1]。鋼框架梁柱連接處幾何形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變的需求較大。在強(qiáng)烈地震作用下節(jié)點(diǎn)的塑性及延性不足是造成焊縫撕裂發(fā)生脆性破壞的主要原因，因此，梁柱連接性能及其對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響成為研究的熱點(diǎn)之一。文章基于規(guī)范，圍繞梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法展開討論。

1 規(guī)范中對(duì)梁柱剛接節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法的調(diào)整

梁柱栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)在我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有著較為廣泛的應(yīng)用，規(guī)范中也對(duì)該類節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。但是我國(guó)規(guī)范對(duì)于梁柱連接的計(jì)算原則也經(jīng)歷了幾次重大的調(diào)整，具體匯總?cè)绫?所示。

表1 各版本規(guī)范對(duì)鋼柱連接的計(jì)算要求

在規(guī)范的更迭過(guò)程中，除了《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 99—2015）（以下簡(jiǎn)稱《高鋼規(guī)》），均認(rèn)為梁端彎矩可僅由鋼梁翼緣承受，鋼梁腹板僅承受剪力[2]。2015版的《高鋼規(guī)》借鑒了日本規(guī)范，認(rèn)為鋼框架梁柱剛性連接中，梁端彎矩由鋼梁翼緣和鋼梁腹板共同承受，并且給出了鋼梁腹板承載彎矩及腹板配置抗彎螺栓的計(jì)算方法。文章選用了工程中常用的熱軋工字形的梁柱截面，針對(duì)2015版《高鋼規(guī)》的計(jì)算方法進(jìn)行了試算，對(duì)比分析了新老規(guī)范在計(jì)算上的區(qū)別。

2 新舊規(guī)范節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算與分析對(duì)比

2.1 2015版《高鋼規(guī)》的規(guī)定

2015版《高鋼規(guī)》第8.2.1及8.2.4條規(guī)定，梁與柱的剛性連接應(yīng)按式（1）驗(yàn)算。

梁端連接的極限受彎承載力按式（2）驗(yàn)算。

梁翼緣連接的極限受彎承載力按式（3）驗(yàn)算。

梁腹板連接的極限受彎承載力按式（4）驗(yàn)算。

梁腹板有效截面的塑性截面模量按式（5）驗(yàn)算。

2.2 1998版《高鋼規(guī)》的規(guī)定

1998版《高鋼規(guī)》8.1.3規(guī)定，抗震設(shè)防的高層建筑鋼框架，其節(jié)點(diǎn)連接的最大承載力應(yīng)符合下列要求[3]。

梁與柱連接應(yīng)按式（6）驗(yàn)算。

式中：Mu為基于極限強(qiáng)度最小值的節(jié)點(diǎn)連接最大受彎承載力，僅由翼緣的連接承擔(dān)；Mp為梁構(gòu)件（梁貫通時(shí)為柱）的全塑性受彎承載力。

2.3 梁柱節(jié)點(diǎn)的極限承載力設(shè)計(jì)與對(duì)比分析

在《熱軋H 型鋼和部分T 型鋼》（GB/T 11263—2010）中選用經(jīng)常用的H型鋼梁作為框架梁和框架柱，框架梁柱材料強(qiáng)度為Q345B（fub=470MPa,α=1.35）[4]。按照上述規(guī)范計(jì)算公式對(duì)梁柱連接的極限抗彎承載力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

從表2中的計(jì)算結(jié)果可以得出，對(duì)常用H型鋼梁，其腹板對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的極限抗彎承載力提高十分有限。鋼梁腹板極限抗彎承載力占梁柱連接所需的極限抗彎承載力αMp的比值為8%～13%，即便考慮了鋼梁腹板提供的抗彎承載力，即使對(duì)于連接系數(shù)較小的Q345B，也很難滿足2015版《高鋼規(guī)》中的公式的計(jì)算要求。上表中為所需的極限抗彎承載力增加值。因此，為滿足規(guī)范計(jì)算要求，需要采用梁端節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)的連接形式。

表2 常用H形鋼梁節(jié)點(diǎn)計(jì)算參數(shù)對(duì)比

對(duì)比2015版《高鋼規(guī)》和1998版《高鋼規(guī)》，其中梁端極限抗彎承載力考慮翼緣與腹板均參與抗彎的栓焊節(jié)點(diǎn)新算法與僅考慮鋼梁翼緣抗彎的傳統(tǒng)算法，腹板對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的極限抗彎承載力提高有限的，一般是很難滿足規(guī)范計(jì)算要求的。這主要是因?yàn)檫B接采用鋼材的抗拉強(qiáng)度f(wàn)ub，而其相應(yīng)構(gòu)件則采用鋼材的屈服強(qiáng)度f(wàn)yw，它們不是在同一材料取值和水準(zhǔn)中加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。梁柱的連接強(qiáng)度取值過(guò)高會(huì)減小焊縫、螺栓的需要量，在構(gòu)件中即使留有一些富余量，仍會(huì)使構(gòu)件的實(shí)際強(qiáng)度大于其連接強(qiáng)度，而這種極限承載力驗(yàn)算一般很難滿足。例如Q235，屈強(qiáng)比f(wàn)ub/fyw=1.6，對(duì)公式（8.2.1-1）α=1.2時(shí)，較為容易滿足。然而對(duì)于Q345，屈強(qiáng)比f(wàn)ub/fyw=1.38，對(duì)公式（8.2.1-1）α=1.35時(shí)，則不易滿足，這使得公式中原來(lái)α的富余量形同虛設(shè)。綜上所述，所有極限承載力公式驗(yàn)算建議修改為連接承載力驗(yàn)算，并采用鋼材或螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，連接強(qiáng)度要比構(gòu)件強(qiáng)度大，即可避免因設(shè)計(jì)時(shí)構(gòu)件留有余量或施工以大代小而造成弱節(jié)點(diǎn)的安全隱患。

3 截面削弱及加強(qiáng)的方式

當(dāng)框架梁與柱極限抗彎承載力驗(yàn)算不滿足規(guī)范要求時(shí)，宜采用可使塑性鉸外移的梁端加強(qiáng)及削弱式連接形式。加強(qiáng)型連接主要有翼緣板加強(qiáng)式、蓋板加強(qiáng)式、圓弧擴(kuò)翼式、側(cè)板加強(qiáng)式連接節(jié)點(diǎn)等形式；削弱型連接經(jīng)常用骨形節(jié)點(diǎn)，此種做法在美國(guó)應(yīng)用比較多。（1）翼緣板加強(qiáng)型連接。翼緣板加強(qiáng)式連接的梁翼緣與柱翼緣不直接焊接，而是在梁端通過(guò)加強(qiáng)板過(guò)渡，過(guò)渡板寬度比梁翼緣略寬，適用于加寬翼緣或箱型截面柱。（2）蓋板加強(qiáng)型連接。蓋板加強(qiáng)式連接的梁翼緣與蓋板采用同一個(gè)坡口與柱翼緣焊接，蓋板比梁翼緣上翼緣略窄、下翼緣略寬，適用于中翼緣或窄翼緣截面柱。（3）圓弧擴(kuò)翼型連接。圓弧擴(kuò)翼式連接是將梁翼緣末端的寬度加大，制作時(shí)先制作一段懸臂梁段，懸梁段與柱在工廠全焊接連接，運(yùn)至工地后再完成梁與懸臂梁段的拼接。（4）側(cè)板加強(qiáng)型連接。側(cè)板加強(qiáng)式連接是在梁端部采用與梁翼緣等厚度的平板與梁翼緣對(duì)接焊接，適用于寬翼緣或箱型截面柱。（5）骨形削弱型連接。骨形削弱型連接在距梁端一定距離處，將梁翼緣兩側(cè)做成圓弧形切削，但該節(jié)點(diǎn)對(duì)梁承載力及穩(wěn)定性有一定影響。以上加強(qiáng)削弱方式均可實(shí)現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)梁端塑性鉸外移的目的，以達(dá)到規(guī)范對(duì)極限受彎承載力的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋼框架梁柱現(xiàn)場(chǎng)連接主要采用翼緣焊接腹板拴接的連接形式，這種節(jié)點(diǎn)需滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則。傳統(tǒng)的栓焊混合節(jié)點(diǎn)計(jì)算僅考慮鋼梁翼緣抗彎和梁腹板抗剪，而2015版《高鋼規(guī)》給出了鋼梁腹板承擔(dān)梁端彎矩的計(jì)算方法。文章基于常用的熱軋型鋼截面，對(duì)比了翼緣與腹板均參與抗彎的栓焊節(jié)點(diǎn)新算法與僅考慮翼緣抗彎的傳統(tǒng)算法之間的差別。計(jì)算結(jié)果表明，腹板對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的極限抗彎承載力提高有限，故對(duì)常用H型鋼，即便考慮腹板抗彎，仍然無(wú)法滿足2015版《高鋼規(guī)》公式的要求，還需要采用加強(qiáng)型連接或削弱型骨式連接。然而2015版《高鋼規(guī)》強(qiáng)連接的公式也存在以下問(wèn)題：（1）連接承載力是用鋼材的抗拉強(qiáng)度f(wàn)ub，而構(gòu)件的承載力是用鋼材的屈服強(qiáng)度f(wàn)yw，使得連接的極限承載力對(duì)應(yīng)構(gòu)件的塑性承載力，比較的依據(jù)不對(duì)等；（2）未考慮塑性鉸處剪力至梁端的附加彎矩。

基于以上結(jié)論建議采用以下設(shè)計(jì)：（1）基于現(xiàn)有的規(guī)范體系，腹板參與受彎的效率低，且需設(shè)置較多的螺栓，建議采用鋼梁翼緣僅受彎、腹板僅受剪的設(shè)計(jì)原則簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并采用加強(qiáng)式翼緣或狗骨式削弱連接，以滿足“強(qiáng)連接弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則；（2）建議規(guī)范進(jìn)一步明確節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并加強(qiáng)設(shè)計(jì)目標(biāo)、規(guī)范公式的邏輯性。