雷 健 段成刚
(中国建筑西北设计研究院有限公司， 西安 710018)
摘 要：简要介绍梁柱刚接节点的几种连接方式，重点论述栓焊连接、全焊连接悬臂段梁+栓焊拼接、全焊连接悬臂段梁+全栓拼接的抗震设计计算方法及设计中应注意的问题。对节点极限抗弯承载力计算时梁端盖板加强连接提出一种简化算法。根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》对梁-柱刚接节点、梁-梁拼接节点极限抗弯承载力的要求，提出一种类似“狗骨式”的连接方式。
关键词：梁柱刚接节点； 弹性阶段节点设计； 弹塑性阶段节点设计
随着我国钢材产量的连年增加，钢结构在建筑结构的使用也日趋广泛，因为钢材具有延性好、轻质高强和安装方便等特点，建筑钢结构日益受到人们的青睐。但是在1994年的美国北岭地震和1995年的日本阪神地震中，钢结构出现了大量的局部破坏，其中有相当部分的梁柱连接节点的脆性破坏，钢结构的耗能变形能力并没有得到发挥。由此可见,虽然钢材有较好的延性性能，但材料的延性并不能保证结构的延性，钢结构良好的塑性变形能力还需要强大的节点来保证。
现行规范对钢结构节点连接设计的要求很明确，但是具体操作及计算却说法不一。GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》[1]第8.2.8条对节点的设计要求主要有：1)弹性阶段抗侧力构件连接节点的承载力设计值不小于相连构件的承载力设计值，高强度螺栓不滑移；2)弹塑性阶段抗侧力构件连接节点极限承载力不小于相连构件的屈服承载力。本文主要论述如何实现这两项要求。
框架梁-柱刚接节点主要有以下3种形式，如图1所示：
1)第1种(图1a)，在现场通过对接焊缝连接梁翼缘板与柱，通过高强螺栓连接梁腹板与柱；
2)第2种(图1b)，梁悬臂段采用全焊接(翼缘板采用对接焊缝、腹板采用双面角焊缝)与柱相连，框梁悬臂段采用栓焊拼接；
3)第3种(图1c)，梁悬臂段采用全焊接(翼缘板采用对接焊缝、腹板采用双面角焊缝)与柱相连，框梁悬臂段采用全螺栓拼接。
图1a的栓焊刚接节点目前在工程中广泛使用，它比图1b和图1c连接经济，安装运输相对简单方便，但抗震性能却比后两者要差，试验表明：图1a的连接比图1b和图1c连接的抗弯承载力低、塑性变形能力差[2]。
a-第1种；b-第2种；c-第3种。
1-加劲肋。
图1 框架梁-柱刚接节点连接形式
2.1 节点弹性阶段的计算方法
节点弹性阶段的计算方法[3-5]主要有：
1)常用设计法，又名简化设计法。按梁端部内力的最大弯矩M和最大剪力V设计值设计连接节点，并假定弯矩完全由翼缘板焊缝承担，剪力完全由腹板的角焊缝或者螺栓承担。
2)精确设计法，按梁端部内力的最大弯矩M和最大剪力V设计值设计连接节点，弯矩由翼缘板焊缝和腹板角焊缝(腹板螺栓连接)共同承担，剪力完全由腹板的角焊缝或者螺栓承担，腹板同时承担弯矩和剪力。
3)等强设计法，根据梁翼缘和腹板净截面强度相等的原则进行连接设计。梁翼缘采用全熔透坡口对接焊缝，焊缝与板材可视为等强，不必进行连接强度验算，腹板仅承担剪力不承担弯矩，假定摩擦型高强度螺栓抗剪承载力设计值或者角焊缝抗剪承载力设计值与腹板净截面抗剪承载力设计值相等，以确定螺栓数目或角焊缝焊脚尺寸。
第1和第2种设计方法属于按构件内力设计，第3种为近似按构件截面进行设计，与设计内力无关。根据GB 50011-2010第8.2.8条，这3种方法均不能满足要求。
第1和第2种设计方法属于按构件内力设计，明显不符合GB 50011-2010要求按构件承载力设计节点的规定，除非设计时整个结构梁端弯矩和剪力的应力均达到钢材强度设计值的100%，但是这种情况几乎不可能实现。第3种设计方法看似采取了节点连接与构件截面等强的设计方法，但是，计算假定忽略了腹板对截面抗弯承载力的贡献，实际仍不符合GB 50011-2010在弹性阶段的设计要求，以工字形截面梁为例，梁在弹性工作状态下的截面正应力和剪应力如图2所示。
a-截面；b-弯矩作用下截面的正应力；c-剪力作用于截面的剪应力。
图2 工型梁弹性阶段截面应力
构件的抗弯承载力设计值：
M1=Mf+My1
(1a)
其中
My1=ByTyf(Hb-Ty)=Ay1f(Hb-Ty)
连接节点的抗弯承载力设计值：
M2= My2
(1b)
其中 My2=Ay2f(Hb-Ty)
式中：Mf为腹板抗弯承载力设计值；My1为翼缘板抗弯承载力设计值；My2为节点对接焊缝抗弯承载力设计值；If为腹板对中性轴的截面惯性矩；Wf为腹板的截面净截面模量；Ay1为单侧翼缘板的截面面积；Ay2为连接节点单侧翼缘的对接焊缝截面面积；f为钢材的抗拉、压强度设计值;fv为钢材的抗剪强度设计值。
由于翼缘板未加宽亦未加焊盖板，Ay1= Ay2，所以M2=My1M1=Mf+My1。
如果考虑翼缘板对接焊缝为现场高空施工，焊缝的强度设计值应乘以0.9的折减系数，则M2= 0.9My1，且M2= 0.9My1M1=Mf+My1,由上述计算可知，构件的抗弯承载力设计值M1大于连接节点的抗弯承载力设计值M2，所以按第3种设计方法设计也不满足GB 50011-2010第8.2.8条弹性阶段的设计要求。
2.2 弹性阶段连接节点的承载力验算
总结前述计算方法及GB 50011-2010的要求，弹性阶段连接节点的抗弯承载力验算应按下述的两种方法进行计算。
2.2.1 不考虑连接节点腹板对连接抗弯承载力设计值的贡献
构件全截面弯矩由上下翼缘对接焊缝承担，腹板的摩擦型高强螺栓或者角焊缝承担构件的全截面剪力，要求M2>M1,即：
My2= Ay2f(Hb-Ty)≥Mf+My1=
Wff+Ay1f(Hb-Ty)
(2)
由式(2)可知，必须加大连接节点处翼缘板对接焊缝截面面积才能满足要求。常用工字形钢梁，其腹板的弹性抵抗矩一般为全截面弹性抵抗矩的20%，相当于翼缘弹性抵抗矩的25%[4]，则式(2)可简化为：
Ay2f(Hb-Ty)≥1.25Ay1f(Hb-Ty)Ay2≥1.25Ay1
(3)
即翼缘板对接焊缝的截面面积一般应是翼缘板截面面积的1.25倍才能满足GB 50011-2010对弹性阶段节点抗弯承载力的要求。
加大连接节点翼缘板对接焊缝截面面积可采用加焊钢盖板(图3a)或者翼缘板局部加宽(图3b)两种方式,这两种方式分别相当于加大了对接焊缝的厚度和长度。
a-加焊钢盖板；b-翼缘板局部加宽。
1-加劲肋；2-上翼缘楔形盖板；3-下翼缘楔形盖板。
注：i为对接焊缝拼接处坡度倾角。
图3 增加连接节点翼缘板对接焊缝截面面积的方式
盖板截面按腹板的抗弯承载力设计值确定：
(4a)
Mgb=Tgb(By-3Ty)Hbf
(4b)
式中：Mgb为盖板对截面抗弯承载力的贡献；Tgb为盖板的厚度。
令
则盖板的厚度和长度分别为[3]：
(5a)
(5b)
式中：Lgb为盖板的长度；
如果考虑对接焊缝现场高空作业，则焊缝强度设计值应折减0.9，即:
Tgb(By-3Ty)Hbf
(6)
由式(6)同样可求得盖板的厚度。
节点的抗剪承载力按式(7)验算：
(7a)
(7b)
式中：HfN为梁腹板净截面高度(应扣除上下切角及螺栓孔)；Tf为梁腹板厚度;fv为腹板钢材抗剪强度设计值；
2.2.2 考虑连接节点腹板对连接抗弯承载力设计值的贡献
节点翼缘对接焊缝面积不加大，如果不考虑对接焊缝强度设计值高空作业的折减，则翼缘对接焊缝可完全承担构件上下翼缘的抗弯承载力对应的弯矩，腹板角焊缝或者螺栓承担构件腹板的抗弯承载力对应的弯矩和全截面抗剪承载力对应的剪力。所以按这种方式计算时，需同时验算腹板角焊缝端部和腹板外排螺栓的最大折算应力及腹板焊缝或者螺栓的抗剪承载力。
应注意，这种算法不适用于箱形截面柱与工字形截面梁刚接、工字形截面柱弱轴与工字形截面梁刚接的情况，因为这两种连接节点均不能有效传递腹板的弯矩。
当节点处腹板采用角焊缝连接时，假定连接节点处同时达到最大弯矩和最大剪力，角焊缝的焊角高度可取式(8a)和式(8b)计算的较大值max(hf1,hf2)，并应满足式(9)的要求:
(8a)
(8b)
其中
式中：δ为腹板焊缝端部在构件翼缘达到强度设计值时的由弯矩引起的正应力；y为角焊缝的长度;hf1、hf2均为角焊缝的焊角高度；
最后按式(9)复核角焊缝端部的折算应力[3]：
(9)
假定某框架梁采用Q235钢材
由计算结果可看出，如果节点连接处不加大翼缘板的截面面积，而考虑腹板承担弯矩，则由剪力产生的腹板角焊缝的剪应力远远小于角焊缝的抗剪承载力设计值，且计算复杂。
当节点处腹板采用摩擦型高强螺栓连接时，则需要先初步估算螺栓数，最终高强螺栓数量按式(10)复核确定：
(10a)
(10b)
其中
式中
2.3 非抗震梁柱连接节点的承载力验算
非抗震时节点连接计算应同抗震时弹性阶段的节点计算方法和要求，原因有：1)如果非抗震时按构件最大内力进行设计，将会导致构件的连续性受损；2)一般构件设计时的截面应力比都会留有一定的富裕和安全储备，但是节点设计如果按构件最大内力设计，将会导致整个结构的安全储备降低。
GB 50011-2010第8.2.8条明确规定梁柱刚接的极限承载力计算式如下：
(11)
式中
GB 50011-2001对节点极限抗弯承载力Mu的计算有明确规定：梁上下翼缘全熔透坡口对接焊缝的极限抗弯承载力
(12)
式中：fu为钢材的最小抗拉强度，Q235钢取375 MPa，Q345钢取470 MPa；fay为钢材的屈服强度,Q235钢取235 MPa，Q345钢取345 MPa；Wp为钢梁的全塑性抵抗矩。
经统计常用工字形钢梁腹板的全塑性抵抗矩一般为全截面塑性抵抗矩的30%，相当于翼缘塑性抵抗矩的37.5%[4]，则式(12)可替换为：
1.375ηjAy1(Hb-Ty)fay
(13)
其中
按Q235和Q345钢分别计算
表1 对接焊缝截面面积与翼缘截面面积之比
框梁钢材等级Ay2/Ay1全焊连接栓焊连接Q2351.2031.246Q3451.3101.363
由表1可知，要满足式(11),翼缘板对接焊缝的面积至少是翼缘截面面积的1.203～1.363倍才能满足要求。加大连接节点翼缘板对接焊缝截面面积可采用加焊钢盖板或者翼缘板局部加宽两种方式(图3)。其中盖板厚度和长度的计算公式与弹性阶段盖板的计算不同，文献[3]介绍了一种简化的计算方法，此计算方法假定框架梁在水平荷载作用下的零弯矩点位于跨中，实际上这只是一种非常少见的特殊情况，所以此种算法计算时将会导致较大的误差。弹塑性阶段盖板的计算可参考弹性阶段盖板的算法，概念清楚，受力明确，单侧盖板的截面面积为：
(14a)
(14b)
GB 50011-2010第8.2.8条明确规定梁-梁拼接的极限承载力计算式如下：
经统计，常用工字形钢梁腹板的全塑性抵抗矩一般为全截面塑性抵抗矩的30%，相当于翼缘塑性抵抗矩的37.5%[4]。
则式(15)可替换为：
1.375ηjAy1(Hb-Ty)fay
(16)
其中
按Q235和Q345钢分别计算
表2 梁-梁拼接的栓焊连接焊缝截面面积与翼缘截面面积之比
框梁钢材等级栓焊连接Ay2/Ay1Q2351.07Q3451.21
由表2可知，梁-梁栓焊拼接应加大对接焊缝截面面积，翼缘板对接焊缝的面积至少是翼缘截面面积的1.07～1.21倍才能满足GB 50011-2010的要求。
当梁柱采用全焊接连接，梁悬臂段采用栓焊拼接，并全部采用加宽节点翼缘的做法，节点做法如图4所示，此节点做法与“狗骨式”节点做法类似，且梁端翼缘无削弱，构件材料可以更有效的利用，分析理论完善，概念清楚，梁端可形成较长的塑性铰区域，但是这种做法缺少相应的试验分析。
1-梁柱刚接(节点翼缘加宽)；2-梁梁拼接(节点翼缘加宽)。
图4 “狗骨式”节点做法
1)抗震设计时，梁柱刚接节点在弹性阶段计算时，如果假定节点连接处翼缘承担弯矩，腹板仅承担剪力，则应加大翼缘板对接焊缝截面面积才能满足连接节点最大抗弯承载力不小于构件最大抗弯承载力的要求；如考虑连接处的腹板和翼缘同时承担弯矩，腹板承担全部剪力，则应计算腹板角焊缝和螺栓连接在弯矩和剪力共同作用下的折算应力，应当注意，这种算法不适用于箱形截面柱与工字形截面梁刚接、工字形截面柱弱轴与工字形截面梁刚接的情况，因为这两种连接节点均不能有效传递腹板的弯矩。
2)非抗震设计时，节点设计建议同抗震设计的弹性阶段的计算方法。
3)抗震设计时，弹塑性阶段的连接节点极限抗弯承载力不应计入腹板连接的贡献；应加大翼缘板对接焊缝截面面积才能满足
4)当梁柱采用全焊接连接，梁悬臂段采用栓焊拼接时，提出一种类似“狗骨”的连接方式。
参考文献：
[1] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].
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[3] 李星荣，魏才昂，丁峙崐，等.钢结构连接节点设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2005.
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[5] 刘坤，王士奇，王玉华.钢结构梁柱栓焊混合连接节点的设计方法[J].钢结构，2008，23(7)：20-22.
RESEARCH ON DESIGN OF BEAM-COLUMN RIGID JOINTS OF STEEL STRUCTURE
Lei Jian Duan Chenggang
(China Northwest Architectural Design and Research Institute Co.Ltd, Xi’an 710018， China)
ABSTRACT：Several kinds of beam-column rigid joints were briefly introduced, focusing on the problems in seismic design of welded and bolted rigid joints, full-welded rigid joints cantilever beam with bolted and welded splice，full-welded rigid joints cantilever beam with full-bolted splice. A simplified computation method for the ultimate bending strength of beam-column rigid joints were put forward when beam endplates strengthens. A new connection mode,which is similar to dog bone joints, were put forward according toCode for Seismic Design of Building (GB 50011—2010) for the requirements of ultimate bending strength of beam-column rigid connections.
KEY WORDS：beam-column rigid joints; design of beam-column joint in elastic stage; design of beam-column joint in elastic-plastic stage
第一作者：雷健，男，1981年出生，硕士，工程师。
Email：513957232@qq.com
收稿日期：2014-12-01
DOI：10.13206/j.gjg201506017
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