多高層房屋鋼結構節(jié)點連接設計中的常見問題講義

多高層房屋鋼結構節(jié)點連接設計中的常見問題2024/3/21

節(jié)點連接在結構設計中的重要性：常用的一般建筑鋼結構，都是由若干由加工廠加工好的豎桿、水平桿或斜桿在工地用焊縫或螺栓拼裝成抗側力的框架、或框架支撐結構。這些由桿件組裝成的結構，之所以能承擔一定的豎向荷載和水平荷載，靠的就是各桿件之間的節(jié)點將這些桿件用各種不同的連接方式和連接件將它們連接成為一個非機動構架。這種由若干桿件系統(tǒng)組成的構架，在外荷載作用下，一旦節(jié)點發(fā)生破壞，整個結構就會成為機動構架而失去承載能力。2024/3/22

在以往國外多次地震中，常常發(fā)生鋼框架節(jié)點和豎向支撐節(jié)點破壞的事例，特別是

1994

年發(fā)生在美國的北嶺地震

和

1995

年發(fā)生在日本的阪神地震，有好幾十幢房屋鋼結構倒塌，好幾百幢多、高層房屋鋼結構的梁柱剛性連接節(jié)點受到嚴重破壞，引起了世人的極大關注，促使一些國家的學者、科技人員加強了這方面的研究，其重要性顯得尤為突出。2024/3/23

我國是世界上遭受地震最嚴重的國家之一，不論是歷史上還是現(xiàn)代，地震在中國的死亡人數(shù)和經(jīng)濟損失在世界上都是居于首位。世界地震史上死亡人數(shù)最多的一次地震是1156年我國的陜西華縣

8級地震，死83萬人（摘自魏璉編著的《建筑結構抗震設計》萬國學術出版社，1991）。在世界近代地震史中，死亡人數(shù)最多的一次.地震也發(fā)生在我國，即1976年河北唐山7.8級地震，死

24萬余人。

地震在我國造成的經(jīng)濟損失十分巨大，據(jù)建國以來十幾次

7

級以上地震的不完全統(tǒng)計房屋倒塌

1億多平方米，直接經(jīng)濟損失達數(shù)百億之多。2024/3/24

就以最近幾年為例，在我國新疆、西藏、云南、內蒙古自治區(qū)、江西等地先后就發(fā)生了多起6

級左右的地震。這就說明了地震活動在我國還是相當頻繁的，因此正確地認識我國地震活動的特點以及我國經(jīng)濟力量的現(xiàn)狀，充分運用國內、國外現(xiàn)代地震科學技術的成就，采用合理的，既安全又經(jīng)濟的抗震設計方法，來改善建筑物的抗震性能，減輕城鄉(xiāng)地震災害，是我們每個結構設計人員義不容辭的使命。2024/3/25

因此在多層和高層鋼結構房屋抗震設計工作中，連接節(jié)點設計，在整個設計工作中應將其視為一個非常重要的組成部分。節(jié)點設計是否恰當，將直接影響到結構承載力的可靠性和安全性。因此節(jié)點設計至關重要，應予以足夠的重視。但是，在多、高層房屋鋼結構中，連接節(jié)點很多

(如國家標準圖

所編入的諸多節(jié)點，也只是多高層鋼結構房屋中一般性的常用節(jié)點

)，今天只能檢其最主要的、如與梁柱剛性連接的節(jié)點以及與之相關的一些節(jié)點來談談：2024/3/26首先談談在目前多高層房屋鋼結構

梁柱剛性連接節(jié)點設計中所存在的問題

及其正確的設計方法

按照現(xiàn)行的《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011

2001多層和高層房屋鋼結構的連接節(jié)點的抗震設計應分兩個階段進行，而各個階段所采用的計算公式分別如下：2024/3/27

一是，當遭遇多遇地震作用（小震）時，應采用表達式。即抗震規(guī)范公式(5.4.2

）(見下頁)

。注意：該條在規(guī)范中為必須嚴格執(zhí)行的強制性條文2024/3/282024/3/29式中：S

—

考慮多遇地震作用時，荷載效應和地震作用效應在結構構件中的組合設計值，包括組合的彎矩、軸向和剪力設計值。R

—

結構構件及其連接的承載力設計值。

—結構構件及其連接的承載力抗震調整系數(shù)（對于框架梁、柱取0.75；連接焊縫取

0.9；連接螺栓、節(jié)點板件取

0.85

；支撐取

0.8

等）2024/3/210

二是，當遭遇超過多遇地震（小震）作用至基本烈度（中震）設防，或遭遇罕遇地震作用（大震）時，規(guī)范還要求用公式即《高鋼規(guī)》公式（8.1.3-1）進行連接的極限承載力驗算(如下頁所示)；2024/3/2112024/3/212

但是，在執(zhí)行上述規(guī)范時，不同的設計人員，很可能在相同設計條件下設計出三種承載力相差非常懸殊的連接作法，這三種不同的作法是:

一是，當按設計表達式計算時，完全按組合內力來設計節(jié)點連接。

二是，組合內力只是作為檢驗構件截面的依據(jù)。但在塑性區(qū)的節(jié)點連接設計時，是取高于構件的最大承載力設計值作為節(jié)點的作用力來對節(jié)點連接進行設計與驗算。

三是，完全拋開以上兩種設計方法，而是完全按照公式來進行連接的極限承載力計算。2024/3/213

以上三種截然不同的設計方法，將直接影響到設計的節(jié)點是否滿足“強節(jié)點弱桿桿”的抗震要求。是否能實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”

設計目標的根本問題，所以下面將著重討論證明前面所提到的第一種是錯誤的，第三種設計理念雖然可取，但式中的有關系數(shù)和強度取值有問題，很不安全。唯第二種設計計算方法才是比較穩(wěn)妥、正確的。2024/3/2141第一種設計方法

（即按組合內力來設計的方法）

采用該法的理論根據(jù)是，認為在多遇地震作用下，結構處于彈性階段，連接設計只要根據(jù)組合內力，并根據(jù)梁的應力強度比

R1（即梁的地震組合彎矩設計值乘以梁的承載力抗震調整系數(shù)

0.75

后，在梁截面中產(chǎn)生的彎曲應力與梁的鋼材強度設計值之比）來進行設計即可。且認為可按以下三種不同情況分別進行處理。為了方便說明問題，在此引用一個具體數(shù)字來說明這一方法的思路。2024/3/215以下是電算結果的表示方法，摘自《高層建筑

結構空間有限元分析與設計》軟件SATWE2024/3/216

假定梁端有一個的地震組合彎矩,并將表達式變換為。在驗算梁截面時，要求梁截面抗彎承載力設計值必須，但在確定梁端的焊縫連接時，其焊縫截面的抗彎承載力設計值就必須要。即在相同組合彎矩作用下,經(jīng)過規(guī)范采用不同的調整系數(shù)調整后，就變成了在設計焊縫連接與設計梁截面時，分別采用不同的內力設計值來進行設計。即在設計連接焊縫時所取的內力設計值，就應是梁截面內力設計值的倍。2024/3/217

1）如果所設計的梁截面剛好等于（即應力強度比R1

剛好等于時），由于梁端連接焊縫的抗彎承載力設計值需要此時梁端整個截面即使采用全熔透的對接焊縫，也只能承受的彎矩。怎么辦？

可采用加強式連接來解決（如加蓋板；或局部加寬梁端翼緣板，或在梁端下翼緣加腋板等辦法來增大焊縫的截面積以增大焊縫的抗彎能力）。2024/3/218

2)

如果在梁端不采用加強的作法，而是在工廠采用全焊縫連接的常規(guī)作法。由于焊縫的抗彎承載力最多只能作到與梁截面的抗彎承載等強，此時就必須要改用一個能承受的梁截面，但此時由于梁截面只需用的彎矩值來設計，梁的承載力有富裕不能充分利用，其應力強度比

R1只用到了。2024/3/219

3）如果在梁端仍不采用加強的作法，而是在梁端采用栓焊連接的另一種常規(guī)作法（即梁腹板與柱之間采用只傳遞剪力的螺栓連接，梁翼緣與柱之間采用只傳遞彎矩的全熔透坡口對接焊）由于焊縫的抗彎承載力最多只能作到梁截面抗彎承載力設計值的，此時就必須要改用一個能承受的梁截面，但此時由于梁截面只需用的彎矩值來設計，梁的承載力更加富裕而不能充分利用,其應力強度比R1

只用到了

。

2024/3/220

總結連接設計的第一種方法，從上面的具體算例可以看出，如果在抗震的節(jié)點連接設計中，按地震組合內力來進行設計，就必然出現(xiàn)下面歸納的三種情況：2024/3/221

1）

當梁的應力強度比大于

0.83

時，就應開始在梁端采取加強措施來增大焊縫的抗彎承載力當梁的應力強度比大到等于

1.0

時，其加強后的焊縫抗彎承載力設計值就應不小于梁截面抗彎承載力設計值的

1.2

倍。(

該1.2

即為焊縫的抗震調整系數(shù)

與梁的抗震調整系數(shù)之比）。如下圖所示：2024/3/222即當應力強度比R1

為

0.83～１時2024/3/223

2）當梁的應力強度比R1

小于

0.83

時，在梁端就可以不必加強，而只需采用全焊接連接（即截面的抗彎等強連接）就可滿足使焊縫的抗彎承載力設計值大于組合內力設計值的

1.2

倍的要求。如下圖所示：2024/3/224即當應力強度比R1

為

0.83～0.73時2024/3/225

3）當梁的應力強度比小于時，在梁端還可以采用栓焊連接的作法（即梁腹板與柱之間采用只傳遞剪力的螺栓連接，梁翼緣與柱之間采用只傳遞彎矩的全熔透坡口對接焊）同樣也能使栓焊連接的承載力大于組合內力設計值

1.2

倍的要求。如下圖所示：2024/3/226即當應力強度比R1

<

0.830.85=0.70

時2024/3/2272024/3/228

按照以上的思維方法來設計抗震連接節(jié)點是不是就可以了呢？如果單從多遇地震作用效應來進行以上的設計，好像是可行的，但從抗震設計的原理和當?shù)卣鹆叶雀哂诙嘤龅卣饡r來看，是不行的。因為，我們的設計目標不僅僅是只滿足小震不壞的強度要求，而更重要的是要實現(xiàn)大震不倒的設計目標。如按組合內力來設計連接節(jié)點，只能說,其連接只能抗小震而不能抗大震。這是因為：2024/3/229

當?shù)卣鹆叶雀哂诙嘤龅卣疬M入設防烈度的過程中，凡是應力比較低（即截面較大）的抗側力構件，由于仍處于彈性階段，其構件內力仍將繼續(xù)隨地震作用的加大而加大（因為多遇地震的烈度要比基本烈度低

1.55

度。其地面加速度和地震影響系數(shù)最大值只是設防烈度地面加速度和地震影響系數(shù)最大值的

0.35

倍）,梁的彎曲應力比R1

必然也將隨之增大到

1.0。2024/3/230

同樣，也需要把前面的第二、第三兩種節(jié)點連接形式（或下頁的第二、第三圖）的梁端截面局部加大，使連接焊縫的抗彎承載力設計值達到不小于框架梁抗彎承載力設計值的

1.2

倍，才能確?？蚣芰涸诖笳饡r進入塑性，使延性得到充分發(fā)揮。否則，只加大截面而不加強連接，則連接焊縫的彎曲應力必然高于梁端截面的彎曲應力。當?shù)卣鹱饔貌粩嗉哟髸r，就很容易發(fā)生當梁端截面還未進入塑性之前,處于梁端薄弱的連接焊縫，就會因彎曲應力過高而發(fā)生“脆性破壞”?，F(xiàn)再利用下圖來加以說明。2024/3/231.2024/3/232

2

第二種設計方法

（即按構件的承載力來設計的方法）

從前面的論述和結合上圖足以說明：在多遇地震階段，按設計表達式對構件和節(jié)點連接進行設計驗算時，結構構件的地震內力組合設計值只能作為控制構件截面的依據(jù)。當結構構件截面決定之后，只要是在塑性區(qū)段，就應改用以構件的承載力來進行連接設計。如對于框架結構中的梁柱剛性連接節(jié)點，就應使梁端焊縫的抗彎承載力設計值不得小于框架梁抗彎承載力設計值的1.2

倍。2024/3/233

即，其實這就是取“組合內力設計法”中,

當抗震框架梁的地震組合內力設計值

正好等于時的結果。即。也就是抗震框架梁的應力R1

正好為時的結果。從而這就必須要采用“加強型”節(jié)點作法，才能實現(xiàn)這一計算要求。關于這一設計理念，我在2001年編制的國家標準圖01SG519

中就已進行了闡述（見下頁）2024/3/23401SG519

頁

42024/3/2352024/3/2362024/3/237

從理論上講，在梁柱的連接節(jié)點中，要是連接焊縫真正做到了與被連接構件的等強連接而又無瑕疵和缺陷的話，是不需要采取任何加強措施的。但事實上由于在梁端的焊縫連接處存在諸多不利因素，如焊接工藝孔對梁腹板截面的削弱；對接焊縫不可避免的存在某些缺陷（如焊接產(chǎn)生的氣孔、夾渣、熔敷金屬未完全熔合、弧坑、咬邊、焊后收縮產(chǎn)生的微裂縫）；熱影響區(qū)產(chǎn)生的殘余應力的不利因素；以及還應考慮到當梁截面在形成塑性鉸時，由于有的鋼材屈服強度偏高而加大連接受力的不利因素等等……。2024/3/238

所以在規(guī)范的強制性條文中分別將焊縫的取

0.9

將梁的取

0.75。使焊縫連接的承載力應不小于構件承載力設計值的1.2倍。此處的

1.2，可視為連接的加強系數(shù)。該系數(shù)正體現(xiàn)了強連接弱桿件的抗震設計原則。以保證當框架梁的端部出現(xiàn)塑性鉸時，梁端的連接基本還處于彈性狀態(tài)。確?？蚣芰涸诮?jīng)受從小震到大震的全過程中節(jié)點不致發(fā)生破壞，使結構的整體性自始至終得到保證。2024/3/239

按照這一原則設計的連接，就可以有把握地實現(xiàn)以下兩個設計目標：

一是，可以保證結構在多遇地震作用下，各結構構件都具有足夠的強度并使連接的應力低于框架梁的應力，以實現(xiàn)小震不壞的設計目標。

二是，可以保證當?shù)卣鹆叶雀哂诙嘤龅卣鹆叶葧r，可迫使處于高應力下的框架梁率先發(fā)展成為塑性鉸，使鋼結構的良好延性得到充分的發(fā)揮來耗散地震能量，實現(xiàn)大震不倒的設計目標。無疑上述第二種設計方法才是正確的。這一設計理念與目前美國自1994

年北嶺地震以后在設計思想方面所發(fā)生的變化和采用的設計方法是相同的。2024/3/240

對照現(xiàn)行規(guī)范中梁端未采取任何加強措施的栓焊連接節(jié)點作法和全焊連接的作法，都是不滿足連接的承載力應大于構件承載力設計值

1.2

倍要求的。而只有在梁端采用局部加大截面，或在離梁端不遠處將梁的上下翼緣進行削弱，以增大焊縫的抗彎能力（或降低焊縫的彎曲應力）才可以得到解決。但局部加大梁端截面（或削弱）后，就必然使塑性鉸外移，出現(xiàn)所謂的加強式連接和削弱式的狗骨式連接。2024/3/241

盡管這些作法給加工帶來不少麻煩、增加造價。但自

1994

年美國北嶺地震和

1995

年日本阪神地震以后，在一些國家中都樂于采用這種加工都比較麻煩的加強式連接和骨式連接，也正是由于原來的焊接連接節(jié)點抗彎能力很差，即或是在梁端采用全焊接連接，名義上等強，但實際上也并不一定等強，在地震中照樣也遭受到破壞、并不十分可靠而不得不采取的連接加強措施。2024/3/242

但第二種設計方法在規(guī)范中尚存在著不分地震烈度、結構類型，房屋高度等的不同情況，通通一律將取為同一數(shù)值欠妥的現(xiàn)象如鋼梁的為

0.75，連接焊縫的為

0.9，則連接焊縫的承載力，通通都應是鋼梁承載力的

1.2倍，這對于設防烈度只有

6、7

度的房屋來說顯然是不合理的。同時規(guī)范還存在著沒有提供當梁端采用加強式連接后相應的連接計算方法和公式。關于這一問題，在此次《高鋼規(guī)》的修訂中，正在研究解決。2024/3/243

3第三種設計方法（極限承載力設計法）

即用公式

進行連接計算的方法

采用該法的理論根據(jù)，就是充分利用焊縫的極限抗拉強度遠高于鋼材的屈服強度的這一特性。當框架梁在強震作用下，梁端鋼材屈服出現(xiàn)塑性鉸后，只要梁端連接焊縫的極限抗彎承載力能夠抵抗梁截面塑性彎矩的

1.2

倍，即可認為滿足強震要求。

從概念上來講，這種思維方法好像有些道理，但這里面要涉及兩個問題。一是，其計算假定是否與實際應力圖形相符，二是，計算公式中所隱含的的取值是否符合實際。2024/3/244

為了檢驗用公式是否能抗大震的問題，特取《高鋼規(guī)》中、最具有代表性的梁柱栓焊連接節(jié)點（見下頁）來加以討論。2024/3/2452024/3/246

由于圖

8.3.3(a)

這種節(jié)點的計算假定是：梁腹板連接只考慮傳遞剪力，不考慮傳遞彎矩。梁的全截面塑性彎矩全部通過翼緣的連接來傳遞給柱。這種作法，不但不能用于抗震結構，就是用于非抗震結構也是很不合適的。因為：2024/3/247

其一，就憑直覺，在這種節(jié)點中，梁端翼緣未作任何加強，梁腹板與柱的連接螺栓只考慮傳遞剪力、不考慮傳遞彎矩。則其梁端栓焊連接處翼緣焊縫的抗彎能力則只有梁截面彈性抗彎能力的

85%

左右（即梁翼緣截面的彈性抵抗矩與全截面彈性抵抗矩之比）。如果再將因高空施焊條件較差、焊縫存在缺陷以及焊接殘余應力等不利因素考慮在內，按鋼結構設計規(guī)范規(guī)定，焊縫強度的設計值尚應乘以

0.9

的折減系數(shù)，則焊縫的抗彎承載力只有框架橫梁抗彎承載能力的

75%

左右。2024/3/248

很顯然，像這種比等強連接還低，連非抗震結構就很難被人接受的連接節(jié)點，卻用在本比非抗震結構要求更高的抗震結構上，這就違背了在抗震設計中必須遵循的強柱弱梁、強節(jié)點弱桿件的基本原則。2024/3/249

其二，

從理論上講，其節(jié)點連接的計算公式與節(jié)點的具體作法,在梁腹板中所產(chǎn)生的應力圖形嚴重不符。如下圖所示：2024/3/2502024/3/251

其三即使采用這一與實際彎曲應力圖形嚴重不符的公式，就以這種不合理的計算模型來進行計算，其梁端翼緣與柱的對接焊縫的極限抗彎承載力也大大低于梁截面

1.2

倍的塑性彎矩。這也就有力的證明了這種連接節(jié)點的作法是毫無抗震能力的。以下面的驗算為證：2024/3/252

如以

Q345

鋼，E50

焊條為例梁翼緣坡口焊縫的極限抗彎承載力：

(即式中的屈服強度按規(guī)程規(guī)定取最小值)。

由上式常用截面翼緣的只有全截面的70%~80%

如考慮高空焊接的不利影響后則：

2024/3/253事實上,式中的是波動的（如下表所示）

不應采用最小值2024/3/254所以應符合下述規(guī)范中的有關規(guī)定

《高鋼規(guī)》的有關規(guī)定《抗震規(guī)》的有關規(guī)定2024/3/255

按最不利考慮，應采用

來計算梁翼緣坡口焊縫的極限抗彎承載力，則：

如考慮高空焊接的不利影響后則：

2024/3/256

但在《高鋼規(guī)》中對于這樣的弱節(jié)點不但沒有作出應加強連接方面的有關規(guī)定和作法。相反卻作了

“在柱貫通型連接中，當梁翼緣用全熔透焊縫與柱連接并采用引弧板時，式將自行滿足”

的規(guī)定。事實上經(jīng)過前面的論證，這個結論是不成立的，起到了誤導的作用。這種節(jié)點一旦在工程中使用(事實上這種節(jié)點已在實際工程中用了不少)，這就埋下了在大震時，當框架梁尚未進入塑性之前，其連接焊縫就會過早發(fā)生脆性破壞的隱患。2024/3/257

也正是這種弱節(jié)點在

1994

年的美國北嶺地震和

1995

年的日本阪神地震中破壞最為嚴重，且破壞時毫無塑性發(fā)展的跡象。其根本原因就是因為連接焊縫的抗力嚴重不足、焊縫所受的彎曲應力過高而造成的脆性破壞。(下圖為

1994

年，美國北嶺地震中梁柱焊接連接處的失敗模式。)

2024/3/2582024/3/259

由此也可引伸到“鋼梁與箱形柱”在工廠的全焊接節(jié)點，由于箱形柱的壁板不能有效的傳遞梁腹板的塑性彎矩，其實質與上述節(jié)點作法的受力情況基本上是差不多的。因此“鋼梁與箱形柱”在工廠的全焊接節(jié)點，應采用梁端加強式的作法，才有利于抗大震。如下圖所示：2024/3/260

當采用如右圖所示的加強式連接后，其塑性鉸必然外移，梁腹板上的塑性彎矩，可通過圖中所示的力線傳遞給梁的翼緣加強板。從而就可實現(xiàn)梁端腹板與柱的連接只考慮傳遞剪力、不考慮傳遞彎矩的假定。

2024/3/261梁端上、下翼緣用蓋板加強后試驗的破壞模式2024/3/262梁端上翼緣加蓋板下翼緣加腋后試驗的破壞模式2024/3/263

總結前面的講述，在此特為以下常用的三類節(jié)點作法，在抗震性能方面作一個評價：2024/3/2642024/3/265對比國外在這方面的設計動向

自美國北嶺地震以后，在

A.R.Tamboll,P.E.Fasce,

HandbookofStructuralSteelConstructionDesignand

Details

設計手冊中規(guī)定:不管是采用加強式連接還是犬骨式連接，在塑性鉸處的彎矩值均一律取。為防止焊縫破壞和避免柱翼緣板層狀撕裂，在柱面連接處其梁端彎矩在連接中的受力要保持彈性。其柱面在梁翼緣方向的彎矩，即(式中）。在梁端所產(chǎn)生的彎曲應力應滿足公式的要求。

或2024/3/266

將我國(僅指第一階段)與美國設計手冊的計算公式進行比較：我國，根據(jù)連接的承載力設計值應是框架梁抗彎承載力設計值1.2

倍的關系:

或

也可表達為：或由于焊縫的大于梁截面的,塑性鉸必然外移，其表達式必然為:美國為：取第一項比較：美國/我國2024/3/267

前面曾經(jīng)談到的“第三種設計計算方法”，理念雖然可取，但如何解決能使塑性階段的計算結果既安全又能使與彈性階段的計算結果協(xié)調一致?答案是肯定的，請看:

1)

設在彈性階段對“加強型”節(jié)點承載力的表達式為式中：—在柱面處，連接的抗彎承載力設計值。

—等截面梁端的抗彎承載力設計值?！陬A計塑性鉸處的剪力設計值

。

—梁在重力荷載代表值作用下，按簡支梁分析的

剪力設計值。

—梁的凈跨。

—塑性鉸至柱面的距離。

2024/3/2682)

設在塑性階段，對“加強型”節(jié)點承載力的表達式為式中：

—基于極限強度為最小值時的連接受彎承載力。

—基于極限強度

為最小值，并根據(jù)強屈比

所對應的屈

服強度取

時的梁構件全塑性受彎承載力。

—根據(jù)所選鋼材采用不同強屈比時的連接系數(shù)。

—在塑性鉸處的剪力。

—梁的凈跨。

—梁在重力荷載代表值作用下，按簡支梁分析的梁端剪力標準值。

—塑性鉸至柱面的距離。2024/3/269

a

為了解決采用塑性公式

和與采用彈性公式

所計算出來的結果相同，當節(jié)點采用焊接時，可利用彈性階段計算公式求出焊縫所需的抗彎模量與塑性階段公式和所用鋼材的不同強屈比求出的焊縫抗彎模量彼此相同時,就可求出式中的連接協(xié)調值。也可將連接焊縫所需的彈性抗彎模量,表達為與梁截面塑性模量的倍數(shù)關系。從而就可徹底解決在兩個階段采用不同計算方法時，所產(chǎn)生的“不協(xié)調”現(xiàn)象。同時也可在焊接節(jié)點中,只需選用以上兩種計算方法中的任何一種來進行計算，即可。2024/3/270

b由于

因此可將小震階段的算式

變換為:

或

再將等式兩邊同乘以1.1

后可得如下的塑性公式：

取

則

...............(1)2024/3/271

c將鋼材的強屈比

,

即

代入強震下的公式

后得:………（2）

2024/3/272

d

取彈性階段的

=

塑性階段的

即

得

………(3)

即在塑性階段，當驗算連接的承載力時，算式

中的不得小于所用鋼材強屈比的倍。外加一項2024/3/273

如對Q345鋼當中的用，中的用

時,

則

中的

應為

對Q235鋼當中的用，中的用時,

則

中的

應為

所以在《高鋼規(guī)》中將取為

是很不安全的．2024/3/2744為確保梁端塑性鉸的形成需采取的構造措施

在這方面，目前很多國家仍在不斷的研究改進，且其主攻方向可歸納為：

1)提高焊接工藝，提高焊縫質量；

2)采用加強式連接；

3)采用削弱式連接；

4)有時可能三者并用。這些都是我們值得吸取的有益經(jīng)驗。由此至少可以得到以下啟示:2024/3/275根據(jù)我國抗震規(guī)范在多遇地震階段節(jié)點設計中有關規(guī)定和推論，為了滿足連接的抗彎承載力設計值應是框架梁抗彎承載力設計值

1.2

倍的要求，前面已經(jīng)談到必需采用塑性鉸外移的梁端增強式連接（可采用加蓋板，加翼板或加腋等作法），或者采用在離梁端不遠處，將梁的上下翼緣進行削弱的犬骨式連接，這兩類節(jié)點作法較多，現(xiàn)擇選幾個具有代表性的節(jié)點，示之如下：2024/3/276梁端加強式作法之二2024/3/277梁端加強式作法之三2024/3/278梁端加強式作法之四2024/3/279梁端加強式作法之五2024/3/280梁端加強式作法之六2024/3/281梁端削弱式

作法之一

2024/3/282

梁端削弱式

作法之二

作法之三

2024/3/2834.1

梁端加強式的連接計算

在采用梁端增強式塑性鉸外移的連接中，就有條件可將梁腹板與柱的連接采用只承受剪力（當然也可以采用同時承受剪力和彎矩）的假定。因塑性鉸外移后，梁腹板上塑性彎矩可由下圖的傳力途徑來實現(xiàn)。(

但在單獨采用犬骨式的連接中，梁腹板與柱的連接，只宜采用同時承受剪力和彎矩的假定,不然梁端與柱的連接不等強，翼緣的削弱寬度將很大才能滿足設計要求）。2024/3/284塑性鉸外移后梁腹板上塑性彎矩的傳力途徑2024/3/285

圖中蓋板長度

及

的由來根據(jù)國外資料介紹，在非線性階段側焊縫的性能要比端焊縫的性能好很多，故在板尾無端焊縫。對于Q235

鋼：

當

時：（取）

當時：（?。?/p>

當時：（?。?/p>

當時：（取）2024/3/286對于

Q345

鋼

當時：（?。┊敃r：（?。┊敃r：（?。┊敃r：（?。?024/3/287梁端翼緣加強板的計算簡圖2024/3/288翼緣板加強后，其板寬的計算公式

式中:

(式中見前4頁)1)當梁腹板與柱的連接只抗剪時,其加強板的截面積2)當梁腹板與柱的連接既抗剪又抗彎時,其加強板的截面積或2024/3/289梁端翼緣加強板的算例

設有一梁截面為

H—，柱截面為

□—

，梁凈跨為,恒載活載引起的梁端剪力設計值為鋼材牌號為,材料強度為：2024/3/290

設塑性鉸距梁端的距離:

梁截面的彈性模量：(可從手冊中查得

)

1)如圖,其梁腹板與柱的連接只考慮抗剪其加強板的截面積

2024/3/291

設取蓋板寬為

厚度為(取)

附：如采用加寬翼緣板方案（）梁翼緣每側加的板寬為:(取)2)當梁腹板與柱的連接既抗剪又抗彎時,其加強板的截面積取蓋板寬：厚度為：2024/3/292梁端用蓋板加強時的注意事項

蓋板端部與柱翼緣連接的坡口焊縫。有兩種構造方案，如下圖所示。第一種，坡面連續(xù)的大坡口。是較好的構造。第二種，分別作坡口，先焊翼緣后焊蓋板。雖然其焊縫金屬比較少，但蓋板焊縫與梁翼緣焊縫呈銳角相交，形成了“切口”效應，這是不希望的。從斷裂力學的角度考慮，第二種構造容易出現(xiàn)向柱翼緣擴展的水平裂縫。2024/3/293蓋板端部與柱翼緣連接的坡口焊縫2024/3/294

設計人員無論采用哪一種構造，都必須考慮節(jié)點區(qū)的熱量輸入和殘余應力的不利影響。為了限制節(jié)點區(qū)過度的熱量輸入。其焊縫最大總厚度必須控制在2

倍梁翼緣厚度或柱翼緣的厚度之內。2024/3/295

關于下翼緣蓋板:宜取與之較大者。根據(jù)地震后考察結構破壞的情況來看，其破壞部位均發(fā)生在梁下翼緣與柱的焊縫連接處。這一現(xiàn)象說明，混凝土樓板參與了梁的部分工作，使鋼梁的中和軸上移，下翼緣力臂加大，受力比上翼緣不利。故加大下翼緣蓋板的寬度，一是可使下翼緣的受力得到改善。二是也便于工地俯焊。

注:1）所求得的蓋板厚度不宜大于梁翼緣板的厚度;

2）其焊縫最大總厚度必須控制在2

倍梁翼緣厚度或柱翼緣的厚度之內。2024/3/296抗震設防的抗側力體系中的框架柱在框架的任一節(jié)點，柱截面的塑性抵抗矩和梁截面的塑性抵抗矩應滿足下式的要求現(xiàn)行《抗震規(guī)》對采用等截面梁的標準型梁柱連接的計算公式

式中：—強柱系數(shù)，超過

6

層的鋼框,

6

度

Ⅳ

類場地和

7度時取

1；

8

度時取

1.05；9

度時取

1.152024/3/2972）修訂中的《高鋼規(guī)》對采用等截面梁的標準型梁柱連接擬采用的計算公式

修訂中的《高鋼規(guī)》對塑性鉸外移的加強型梁柱連接節(jié)點，擬增加的計算公式）式中：1.1

—考慮材料的應變硬化效應。

—考慮材料實際屈服強度的提高系數(shù)。

（

或1.2

）2024/3/2984.2

梁端削弱式的連接計算2024/3/299

1)確定犬骨式連接的有關參數(shù)犬骨式連接節(jié)點的設計原理，就是保證大震下塑性鉸出現(xiàn)在梁翼緣的削弱部位。并要求梁翼緣的削弱對梁的剛度和強度影響都很小，要實現(xiàn)這一目標，關鍵是如何確定削弱部位距柱邊的距離a

,

削弱部位的長度b

,

以及削弱部位的深度

c

這三個尺寸（其符號意義如下圖所示）。2024/3/2100對于對應于梁腹板平面內有柱腹板或設置有豎向加勁肋的柱截面而言，a

越小越好，但a

越小對剛度和強度的降低也就越大。一般a

取0.25倍梁高；對無柱腹板者或梁腹板與柱的連接只抗剪不抗彎時（只限于翼緣加強與削弱并用的連接中）a

宜取0.5

倍梁高。削弱長度b，主要由延性要求和剛度要求確定，從剛度角度出發(fā)，b

越短越好。從延性出發(fā)，b

越長，則同時進入塑性的區(qū)段越長。即延性越好。再根據(jù)國際上對塑性鉸相對轉角不應小于0.03

弧度的要求，綜合考慮b宜取

0.8倍梁高。2024/3/2101

最后就是確定翼緣削弱部位的深度C,深度C

是保證塑性鉸出現(xiàn)在翼緣削弱部位和強度控制在一定范圍之內的關鍵。削弱深度可由翼緣削弱部位的截面塑性抗彎承載力與梁端連接焊縫抗彎承載力之間的幾何關系來確定。如下圖所示：2024/3/2102梁端削弱式連接的計算簡圖2024/3/2103犬骨式削弱深度

C

的計算公式削弱處的彎矩設計值

……………(1)使柱面處的彎矩設計值為

…………..(2)式中:將式(2)改為……..(3)

取(3)=(1)

即可得:2024/3/2104

4.3

梁端增強式和犬骨式并用的連接節(jié)點作法

自美國北嶺地震和日本阪神地震以后，在國外已運用得比較多，近年來在國內也開始運用。但結合我國現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》強制性條文的表達式及其連接焊縫的抗彎承載力應高于梁截面抗彎承載力設計值的1.2倍要求。為適應現(xiàn)有的電算程序，宜采用梁端加強式與犬骨式相結合的作法，其理由如下：2024/3/2105一是，犬骨式節(jié)點固然是目前公認的一種較好的抗震作法。它的最大優(yōu)點是：塑性區(qū)長，有較好的轉動能力。比較容易滿足國際上公認的轉角不小于0.03

弧度的要求?？梢哉嬲鞯窖有栽O計。但是，如采用單純的犬骨式節(jié)點，梁端截面不加強，為了滿足梁端的連接承載力不應小于梁載面承載力設計值1.2倍的要求。則梁端的應力強度比最大只能控制到

0.83

。梁截面的強度不能得到充分發(fā)揮。如果采用梁端加強式與犬骨式相結合的作法，不但梁截面的強度可以得到充分發(fā)揮，而且還可使梁翼緣上的削弱深度

C減小。2024/3/2106二是，如單純采用梁端局部增強式連接，雖然很容易做到梁端的連接承載力不小于梁截面承載力設計值的

1.2

倍。但由于塑性鉸的外移，地震時，將會使框架柱的計算彎矩比不加強時要大許多。為了不違背強柱弱梁的基本原則，不得不因此而加大柱的截面。當采用犬骨式與梁端局部增強式相結合的作法后，不但不需加大柱的截面，而且還可使增強式連接中的蓋板厚度減小。梁端焊縫質量較容易得到保證。2024/3/2107梁端加強式與犬骨式相結合的作法之一2024/3/2108梁端加強式與犬骨式相結合的作法之二2024/3/2109梁端加強式與犬骨式相結合的作法之三2024/3/2110加強與削弱式相結合的計算簡圖2024/3/21111)

加強與削弱并用時，其翼緣的削弱深度c計算2024/3/2112削弱處的彎矩設計值:……………(1)使柱面處的彎矩設計值為:…………..(2)式中:，將(2)改為:………..(3)

取(3)=(1)

即可得:2024/3/21132)

加強與削弱并用時，其加強板的計算

a)當梁腹板與柱的連接只抗剪時,其加強板的截面積

b)當梁腹板與柱的連接既抗剪又抗彎時,其加強板的截面積或2024/3/2114梁端加強式與犬骨式相結合的的算例

（設計條件同前例，

腹板連接只抗剪時

）2024/3/21151)

加強與削弱并用時，梁翼緣削弱深度的c值計算取塑性鉸距梁端的距離:

在可能發(fā)生塑性鉸處的剪力設計值:

附:如梁的上翼緣單純的采用削弱方式時2024/3/21162)加強與削弱并用時，其增強蓋板的截面積a)當梁腹板與柱的連接只抗剪時,其加強板的截面積

取蓋板寬：則b)當梁腹板與柱的連接同時抗剪抗彎時,加強板的截面積

取蓋板寬：則2024/3/2117梁端與柱不同連接方法(加強與削弱)的結果比較2024/3/21184.4

梁腹板與柱間采用高強度螺栓連接時的計算1)

在多遇地震階段，其剪力公式近似取并按下式驗算連接螺栓的抗剪承載力：式中:—分別為連接螺栓的行、列數(shù)；

—為一個高強度螺栓摩擦型連接的抗剪承載力設計值。2024/3/2119

2)

在大震階段，考慮到在小震階段原設計的高強度螺栓摩擦型連接，可能在基本烈度地震或大震作用下蛻變?yōu)槌袎盒瓦B接故還應按下式進行復核：式中：為板件的極限抗壓強度，，為鋼材的抗拉強度最小值）為一個高強度螺栓的極限抗剪承載力,其值為

2024/3/2120值得到進一歩研究的問題

1）現(xiàn)在國外也仍處在研究階段…….2）前面所提到的一些節(jié)點作法，其適用范圍都有它的局限性，就拿狗骨式的作法來說,需特別注意在其平面外要加強支撐或隅撐的布置。因此，如將其用在住宅鋼結構中，就有些問題。2024/3/2121總結：節(jié)點設計的一般規(guī)律

1）在非抗震框架結構、帶有懸臂段框架梁的工地拼接中，其拼接宜按梁中的實際內力按平面假定進行設計。且拼接的抗彎承載力不應低于梁截面抗彎承載力的

50%

。

2）在非抗震框架結構的梁柱剛性連接節(jié)點中，其連接宜按梁截面的等強度來設計，除非在某些構造截面中梁的內力與梁截面的內力相差很大時，才按上述第1）條的原則進行連接設計。如下圖所示：2024/3/21222024/3/2123

3）在抗震結構的梁柱剛性連接中，不應采用小于等強度的連接。就是等強度的連接，也只能用在低烈度地區(qū)的抗震結構中。在高烈度此區(qū)，一定要采用加強式連接或犬骨式連接。如下圖所示：2024/3/21242024/3/21252024/3/2126

4）在抗震框架結構、帶有懸臂段框架梁的工地拼接中，對于全栓拼接的節(jié)點可置于塑性區(qū)段之內。但對于全焊或栓焊拼接的連接節(jié)點應置于塑性區(qū)段之外，但為了便于運輸，其懸臂段又不能太長，故宜將拼接點放在十分之一跨長和兩倍梁高塑性區(qū)段之外的附近，且此時，其拼接的承載力宜按梁截面的等強度來設計，如下圖所示。2024/3/2127帶有懸臂段框架梁的工地拼接

（在抗震結構中，梁端應局部加寬）2024/3/21285

關于支撐與框架的連接及支撐的拼接

現(xiàn)行《抗震規(guī)》給出的拼(連)接計算公式為:

我認為該公式右邊的式子從概念上來講，是錯誤的。因為中心支撐的延性，是靠支撐毛截面整根長度在大震時發(fā)生屈服來完成。而不是靠螺栓孔截面處僅僅孔徑長的極小一段屈服來實現(xiàn)的。因此正確的計算公式應該是：2024/3/2129式中:—節(jié)點連接(或拼接)的安全系數(shù)，可根據(jù)采用不同

的拼(連)接方式而異，但最小不應小于

1.2

。

—支撐構件的毛截面面積

—鋼材的屈服強度，正如前面曾談到的，由于

是波動的，不應取最小值，而應根據(jù)《高鋼規(guī)》和《抗震規(guī)》中，“鋼材的抗拉強度與屈服強度實測值的比值不應小于1.2”，即：，由此得將其代入式后則得即：當用螺栓拼（連）接時的拼（連）接板當用焊接拼（連）接時的拼（連）接板2024/3/2130

如采用《抗震規(guī)》給出的的拼(連)接計算公式

:來計算、并按規(guī)范的規(guī)定，將式中的取鋼材屈服點的最小值，必然存在著弱連接的問題。試看，設支撐斜拉桿用

Q235

鋼，則，將其代入式,得：

即：2024/3/2131

結果表明，其支撐連接板或拼接板的截面積，只要有75%

的支撐凈截面面積就可滿足抗大抗震的要求。比一般人們常用的等強連接少了25%的截面積。這太不可思議了。再對比前面

的計算結果就太不安全了。2024/3/2132再對比在多遇地震階段，按表達式

設計支撐拉桿的連接時，其支撐連接板的承載力調整系數(shù)，支撐桿的。在設計連接板時所取的內力設計值，就應是支撐桿內力設計值的

倍。當其應力比為

1.0

時，則支撐連接板所需的截面積就應是桿件截面積的

1.06

倍。（應當取應力比為1.0

時的情況來計算，因只有應力比超過1.0

后，其鋼拉桿才會屈服產(chǎn)生非線性的拉伸變形而產(chǎn)生延性）。2024/3/2133

此外，還應注意到《高鋼規(guī)》圖8.7.2

所介的全栓拼接作法（如下頁的圖示），我認為它只能用于非抗震的中心支撐和抗震的偏心支撐，而不能用于抗震的中心支撐。由于中心支撐的良好延性，是靠支撐在大震時發(fā)生屈服來實現(xiàn)的。因此支撐桿的本身必須要滿足下式的要求：

根據(jù)《高鋼規(guī)》和《抗震規(guī)》中，鋼材的抗拉強度與屈服強度實測值的比值不應小于

1.2

的規(guī)定，如取

代入式后，

則為：由此可得2024/3/21342024/3/2135

根據(jù)統(tǒng)計，在全栓拼接中，被連接支撐扣除螺栓孔后的凈截面面積與其毛截面面積之比多在

0.73~0.83

之間。

即這說明在抗震的全栓拼接中心支撐中，如其受拉支撐在地震作用下，在支撐尚未屈服之前，就將首先在支撐螺栓孔的凈截面上發(fā)生斷裂破壞。

因此在抗震結構中，其中心支撐在工地不宜采用全栓拼接，而盡可能改用焊接。2024/3/2136

6

相關的構造要求

為了實現(xiàn)“小震不壞，大震不倒“的設計目標。除了前面講述的內容之外，還應注意：如何合理的選用鋼材的牌號、如何根據(jù)不同工程的設計內容選用適合其結構計算內容要求的軟件、以及在大震下，當梁端出現(xiàn)塑性鉸后，如何充分利用鋼材的延性來耗散地震能量而必須要滿足下面與之有關的一些構造要求：2024/3/21376.1

對結構鋼材的材質要求:

多、高層鋼結構的選材，應根據(jù)結構的重要性與工作條件、抗震與非抗震的荷載特征、連接構造與鋼材厚度等因素綜合考慮。合理的選用鋼材的牌號。

關于建筑結構鋼和橋梁用結構鋼的牌號，統(tǒng)一由代表屈服點的漢語拼音字母

Q

、厚度

t≤16mm

時鋼材屈服點的下限值

和質量等級符號（A、B、C、D、E）等三個部分按順序組成。其中碳素結構鋼（Q235）在質量等級符號后面還要加上脫氧方法符號共四個部分組成。

為了將橋梁用鋼與建筑用鋼相區(qū)別，在屈服點值后面另加漢語拼音符號

q

。2024/3/2138

質量等級符號

A、B、C、D、E

系分別表示不要求沖擊試驗、沖擊試驗溫度為、、、。如系表示屈服強度為，且不要求做沖擊試驗的鋼材。

系表示屈服強度為，且要求具有沖擊韌性的橋梁鋼。

現(xiàn)將在建筑鋼結構中，規(guī)范推薦使用的鋼材牌號分述如下：2024/3/2139

1)

《碳素結構鋼》(

GB／T700-88)中的

鋼，共分

A、B、C、D

四個質量等級。

A、B

級鋼按脫氧方法可分為沸騰鋼(符號

F

)、半鎮(zhèn)靜鋼(符號

b)或鎮(zhèn)靜鋼(符號

Z

)。

C級鋼為鎮(zhèn)靜鋼；D

級鋼為特殊鎮(zhèn)靜鋼(符號TZ

)；脫氧方法符號中的Z和TZ在牌號中可省略不注。（據(jù)了解，現(xiàn)在基本上已不生產(chǎn)半鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼也很少生產(chǎn)，如要訂貨，價格反而比鎮(zhèn)靜鋼還貴，故均不宜采用。這樣一來前面所說的結構鋼的牌號在一般情況下，只需注寫前三個組成部分。）2024/3/2140在鋼中，除

A

級以外的其它等級，其化學成分和力學性能生產(chǎn)廠有試驗數(shù)據(jù)均能保證，故不需要再提出附加保證條件。

級鋼能保證力學性能，可附加保證冷彎，但不附加保證沖擊值；在化學成分中不保證碳、錳的含量(不作為交貨條件)，故不宜用于焊接承重結構。

2)《低合金高強度結構鋼》(GB／T1591—94)中的

Q345、Q390

和

Q420

鋼。其中使用最多亦比較成熟的是

Q345

鋼。Q390

鋼、Q420

鋼是新列入的高強度鋼，低合金結構鋼不能生產(chǎn)沸騰鋼(怕合金元素在鋼水沸騰時逸出)，故全部為鎮(zhèn)靜鋼。2024/3/2141

3)

《高層建筑結構用鋼板》(YB4104—2000),這是最近為高層鋼結構或其他重要建(構)筑物用鋼板制訂的行業(yè)標準，其鋼板的牌號是在屈服點數(shù)值后面加上代表高層建筑的漢語拼音字母

(GJ)，

接著是質量等級符號

(C、D、E)，如

Q345GJC；如對厚度方向的性能也有所要求的鋼板，則在質量等級符號之前還要加上厚度方向的性能級別，例如。Z字后面的數(shù)字為截面收縮率的指標(%)。2024/3/21424)

當工作條件需要時應采用的耐候鋼

當處于外露環(huán)境，且對大氣腐蝕有特殊要求的或在腐蝕性氣態(tài)和固態(tài)介質作用下的承重結構，宜采用耐候鋼。我國現(xiàn)有國標有：《高耐候性結構鋼》(

GB／T4171—1984)

和《焊接結構用耐候鋼》(GB／T

4172—1984)，耐候鋼的強度級別與常用的建筑結構鋼基本一致，技術指標也相近，但其抗腐蝕能力卻高出

2-4

倍。2024/3/21432024/3/21442024/3/2145

以上兩頁資料摘自崔佳魏明鐘趙熙元

但澤義編著的《鋼結構設計規(guī)范理解與應用》中國建筑工業(yè)出版社2004

年3

月第一版2024/3/21466.2

對鋼結構設計計算軟件的性能要求應充分了解計算軟件編制的技術條件

舉一實際工程，由于其計算內容與計算軟件的技術條件不相符，而影響到危及工程及人身安全的設計事例。(下表為

SATWE

軟件中的技術條件之一

)2024/3/21472024/3