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1、2020/9/22,1,今天要讲的内容,上午: 多高层房屋钢结构节点连接设 计中的常见问题。 下午: 民用建筑钢结构的平面表示法 和楼层梁的连接设计及与之相 关的标准图的编制和选用。,2020/9/22,2,多高层房屋钢结构 节点连接设计中的常见问题 主讲人：刘其祥 中国建筑标准设计研究院,2020/9/22,3,节点连接在结构设计中的重要性：常用的一般建筑钢结构，都是由若干由加工厂加工好的竖杆、水平杆或斜杆在工地用焊缝或螺栓拼装成抗侧力的框架、或框架支撑结构。这些由杆件组装成的结构，之所以能承担一定的竖向荷载和水平荷载，靠的就是各杆件之间的节点将这些杆件用各种不同的连接方式和连接件将它们连接
2、成为一个非机动构架。这种由若干杆件系统组成的构架，在外荷载作用下，一旦节点发生破坏，整个结构就会成为机动构架而失去承载能力。,2020/9/22,4,在以往国外多次地震中，常常发生钢框架节点和竖向支撑节点破坏的事例，特别是 1994 年发生在美国的北岭地震 和 1995 年发生在日本的阪神地震，有好几十幢房屋钢结构倒塌，好几百幢多、高层房屋钢结构的梁柱刚性连接节点受到严重破坏，引起了世人的极大关注，促使一些国家的学者、科技人员加强了这方面的研究，其重要性显得尤为突出。,2020/9/22,5,我国是世界上遭受地震最严重的国家之一，不论是历史上还是现代，地震在中国的死亡人数和经济损失在世界上都是
3、居于首位。世界地震史上死亡人数最多的一次地震是1156年我国的陕西华县 8 级地震，死83万人（摘自魏琏编著的建筑结构抗震设计万国学术出版社，1991）。在世界近代地震史中，死亡人数最多的一次.地震也发生在我国，即1976年河北唐山7.8级地震，死 24 万余人。 地震在我国造成的经济损失十分巨大，据建国以来十几次 7 级以上地震的不完全统计房屋倒塌 1 亿多平方米，直接经济损失达数百亿之多。,2020/9/22,6,就以最近几年为例，在我国新疆、西藏、云南、内蒙古自治区、江西等地先后就发生了多起 6 级左右的地震。这就说明了地震活动在我国还是相当频繁的，因此正确地认识我国地震活动的特点以及我
4、国经济力量的现状，充分运用国内、国外现代地震科学技术的成就，采用合理的，既安全又经济的抗震设计方法，来改善建筑物的抗震性能，减轻城乡地震灾害，是我们每个结构设计人员义不容辞的使命。,2020/9/22,7,因此在多层和高层钢结构房屋抗震设计工作中，连接节点设计，在整个设计工作中应将其视为一个非常重要的组成部分。节点设计是否恰当，将直接影响到结构承载力的可靠性和安全性。因此节点设计至关重要，应予以足够的重视。但是，在多、高层房屋钢结构中，连接节点很多 ( 如国家标准图 所编入的诸多节点，也只是多高层钢结构房屋中一般性的常用节点 )，今天只能检其最主要的、如与梁柱刚性连接的节点以及与之相关的一些节
5、点来谈谈：,2020/9/22,8,首先谈谈在目前多高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点设计中所存在的问题及其正确的设计方法 按照现行的建筑抗震设计规范GB 50011 2001多层和高层房屋钢结构的连接节点的抗震设计应分两个阶段进行，而各个阶段所采用的计算公式分别如下：,2020/9/22,9,一是，当遭遇多遇地震作用 （小震）时，应采用表达式 。即抗震规范公式 ( 5.4.2 ） (见下页) 。 注意：该条在规范中为必须严格执行的强制性条文,2020/9/22,10,2020/9/22,11,式中： S 考虑多遇地震作用时，荷载效应和地震作 用效应在结构构件中的组合设计值，包括 组合的弯矩、轴向
6、和剪力设计值。 R 结构构件及其连接的承载力设计值。 结构构件及其连接的承载力抗震调整系数 （对于框架梁、柱取0.75；连接焊缝取 0.9；连 接螺栓、节点板件取 0.85 ；支撑取 0.8 等）,2020/9/22,12,二是，当遭遇超过多遇地震（小震）作用至基本烈度（中震）设防，或遭遇罕遇地震作用（大震）时，规范还要求用公式 即 高钢规 公式（ 8.1.3 - 1）进行连接的极限承载力验算( 如下页所示 )；,2020/9/22,13,2020/9/22,14,但是，在执行上述规范时，不同的设计人员，很可能在相同设计条件下设计出三种承载力相差非常悬殊的连接作法，这三种不同的作法是: 一是，
7、当按设计表达式 计算时，完全按组合内力来设计节点连接。 二是，组合内力只是作为检验构件截面的依据。但在塑性区的节点连接设计时，是取高于构件的最大承载力设计值作为节点的作用力来对节点连接进行设计与验算。 三是，完全抛开以上两种设计方法，而是完全按照公式 来进行连接的极限承载力计算。,2020/9/22,15,以上三种截然不同的设计方法，将直接影响到设计的节点是否满足 “强节点弱杆杆” 的抗震要求。是否能实现 “小震不坏，中震可修，大震不倒” 设计目标的根本问题，所以下面将着重讨论证明前面所提到的第一种是错误的，第三种设计理念虽然可取，但式中的有关系数和强度取值有问题，很不安全。唯第二种设计计算方
8、法才是比较稳妥、正确的。,2020/9/22,16,1 第一种设计方法（即按组合内力来设计的方法）,采用该法的理论根据是，认为在多遇地震作用下，结构处于弹性阶段，连接设计只要根据组合内力，并根据梁的应力强度比 R1（即梁的地震组合弯矩设计值乘以梁的承载力抗震调整系数 0.75 后，在梁截面中产生的弯曲应力与梁的钢材强度设计值之比）来进行设计即可。且认为可按以下三种不同情况分别进行处理。为了方便说明问题，在此引用一个具体数字来说明这一方法的思路。,2020/9/22,17,以下是电算结果的表示方法，摘自高层建筑 结构空间有限元分析与设计软件 SATWE,2020/9/22,18,假定梁端有一个
9、的地震组合弯矩,并将表达式 变换为 。在验算梁截面时，要求梁截面抗弯承载力设计值必须 ，但在确定梁端的焊缝连接时，其焊缝截面的抗弯承载力设计值就必须要 。即在相同组合弯矩作用下, 经过规范采用不同的调整系数调整后，就变成了在设计焊缝连接与设计梁截面时，分别采用不同的内力设计值来进行设计。即在设计连接焊缝时所取的内力设计值，就应是梁截面内力设计值的 倍。,2020/9/22,19,1）如果所设计的梁截面刚好等于 （即应力强度比 R1 刚好等于 时），由于梁端连接焊缝的抗弯承载力设计值需要 此时梁端整个截面即使采用全熔透的对接焊缝，也只能承受 的弯矩。怎么办？ 可采用加强式连接来解决（如加盖板；或
10、局部加宽梁端翼缘板，或在梁端下翼缘加腋板等办法来增大焊缝的截面积以增大焊缝的抗弯能力）。,2020/9/22,20,2) 如果在梁端不采用加强的作法，而是在工厂采用全焊缝连接的常规作法。由于焊缝的抗弯承载力最多只能作到与梁截面的抗弯承载等强，此时就必须要改用一个能承受 的梁截面，但此时由于梁截面只需用 的弯矩值来设计，梁的承载力有富裕不能充分利用，其应力强度比 R1 只用到了 。,2020/9/22,21,3）如果在梁端仍不采用加强的作法，而是在梁端采用栓焊连接的另一种常规作法（即梁腹板与柱之间采用只传递剪力的螺栓连接，梁翼缘与柱之间采用只传递弯矩的全熔透坡口对接焊）由于焊缝的抗弯承载力最多只
11、能作到梁截面抗弯承载力设计值的 ，此时就必须要改用一个能承受 的梁截面，但此时由于梁截面只需用 的弯矩值来设计，梁的承载力更加富裕而不能充分利用,其应力强度比 R1 只用到了 。,2020/9/22,22,总 结 连接设计的第一种方法，从上面的具体算例可以看出，如果在抗震的节点连接设计中，按地震组合内力来进行设计，就必然出现下面归纳的三种情况：,2020/9/22,23,1） 当梁的应力强度比大于 0.83 时，就应开始在梁端采取加强措施来增大焊缝的抗弯承载力当梁的应力强度比大到等于 1.0 时，其加强后的焊缝抗弯承载力设计值就应不小于梁截面抗弯承载力设计值的 1.2 倍。( 该 1.2 即为
12、焊缝的抗震调整系数 与梁的抗震调整系数 之比）。如下图所示：,2020/9/22,24,即当应力强度比 R1 为 0.83 时,2020/9/22,25,2）当梁的应力强度比 R1 小于 0.83 时，在梁端就可以不必加强，而只需采用全焊接连接（即截面的抗弯等强连接）就可满足使焊缝的抗弯承载力设计值大于组合内力设计值的 1.2 倍的要求。如下图所示：,2020/9/22,26,即当应力强度比 R1 为 0.830.73 时,2020/9/22,27,3）当梁的应力强度比小于 时，在梁端还可以采用栓焊连接的作法（即梁腹板与柱之间采用只传递剪力的螺栓连接，梁翼缘与柱之间采用只传递弯矩的全熔透坡口对
13、接焊）同样也能使栓焊连接的承载力大于组合内力设计值 1.2 倍的要求。 如下图所示：,2020/9/22,28,即当应力强度比 R1 0.83 0.85 = 0.70 时,2020/9/22,29,2020/9/22,30,按照以上的思维方法来设计抗震连接节点是不是就可以了呢？如果单从多遇地震作用效应来进行以上的设计，好像是可行的，但从抗震设计的原理和当地震烈度高于多遇地震时来看，是不行的。因为，我们的设计目标不仅仅是只满足小震不坏的强度要求，而更重要的是要实现大震不倒的设计目标。如按组合内力来设计连接节点，只能说,其连接只能抗小震而不能抗大震。这是因为：,2020/9/22,31,当地震烈度
14、高于多遇地震进入设防烈度的过程中，凡是应力比较低（即截面较大）的抗侧力构件，由于仍处于弹性阶段，其构件内力仍将继续随地震作用的加大而加大（因为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响系数最大值 只是设防烈度地面加速度和地震影响系数最大值的 0.35 倍）,梁的弯曲应力比 R1 必然也将随之增大到 1.0 。,2020/9/22,32,同样，也需要把前面的第二、第三两种节点连接形式（或下页的第二、第三图）的梁端截面局部加大，使连接焊缝的抗弯承载力设计值达到不小于框架梁抗弯承载力设计值的 1.2 倍，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
15、加强连接，则连接焊缝的弯曲应力必然高于梁端截面的弯曲应力。当地震作用不断加大时，就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 ”。 现再利用下图来加以说明。,2020/9/22,33,.,2020/9/22,34,2 第二种设计方法（即按构件的承载力来设计的方法）,从前面的论述和结合上图足以说明：在多遇地 震阶段，按设计表达式 对构件和节点连 接进行设计验算时，结构构件的地震内力组合设计 值只能作为控制构件截面的依据。当结构构件截面 决定之后，只要是在塑性区段，就应改用以构件的 承载力来进行连接设计。如对于框架结构中的梁柱 刚性连接节点
16、，就应使梁端焊缝的抗弯承载力设计 值不得小于框架梁抗弯承载力设计值的 1.2 倍。,2020/9/22,35,即 ，其实这就是取“组合内力设计法” 中, 当抗震框架梁的地震组合内力设计值 正好等 于 时的结果。即 。 也就是抗震框架梁的应力 R1 正好为 时的结果。从而这就必须要采用 “加强型” 节点作法，才能实现这一计算要求。 关于这一设计理念，我在 2001年编制的国家标准图01SG519 中就已进行了阐述（见下页）,2020/9/22,36,01SG519 页 4,2020/9/22,37,2020/9/22,38,2020/9/22,39,从理论上讲，在梁柱的连接节点中，要是连接焊缝真正做到了与被连接构件的等强连接而又无瑕疵和缺陷的话，是不需要采取任何加强措施的。但事实上由于在梁端的焊缝连接处存在诸多不利因素，如焊接工艺孔对梁腹板截面的削弱；对接焊缝不可避免的存在某些缺陷（如焊接产
