钢结构节点设计

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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: 多高层房屋钢结构设计施工图的平 面表示法 中国建筑标准设计研究院 刘其祥 （教授级高工）9/7/20241节点连接在结构设计中的重要性：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，有数十幢房屋钢结构倒塌，数百幢多、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。9/7/20242 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

2、亡人数和经济损失在世界上都是居于首位。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 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一亿多平方米，直接经济损失达数百亿之多。9/7/20243 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，特别是最近 5 月 12 日在四川的汶川还发生了 7.8

3、 级的特大地震，灾情非常严重。这就说明了地震活动在我国不但相当频繁而且给我国造成的危害和损失也非常巨大。因此正确地认识我国地震活动的特点以及我国经济力量的现状，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。9/7/20244多高层房屋钢结构节点连接设计常见问题主要内容包括 一 梁柱刚性连接节点设计中的常见问题 二 框架梁栓焊拼接的常见问题 三 框架梁全栓拼接的常见问题 四 次梁与主梁简支栓接的常见问题 五 中心支撑拼(连)接设计中的常见问题9/7/20245一 首先谈谈在目前多高

4、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 要点：在现行的高钢规和抗震规中，由于在梁柱刚性连接和中心支撑连接的抗震设计规定，多处存在有较大缺陷，致使在一般条件下，按照现行规程规范设计出来的节点，多数情况下存在并不抗震的情况，特此作专题讨论.9/7/20246 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，如下所示.9/7/20247 即一是,当遭遇多遇地震作用（小震）时的弹性阶段，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.9/7/202489

5、/7/20249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、轴向和剪力设计值。R 结构构件承载力设计值。 结构构件承载力的抗震调整系数（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 等等）9/7/202410 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 抗震规 公式（ 8.1.8 ）进行连接的极限承载力验算 ( 如下所示 )9/7/2024119/7/202412 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

6、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，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。9/7/202413 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理念正确,但存在有较大缺陷，第

7、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法才是比较稳妥的。9/7/2024141.1 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，按照规范的下述规定,即 : 一般是按梁的应力强度比 R1（ , 见下页,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 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。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。9/7/202415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 SATWE9/7/20

8、2416 假定梁端有一个 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。9/7/202417 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

9、来解决（如加盖板；或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抗弯模量）。9/7/202418 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 。9/7/202419 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能作到梁截

10、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 。 9/7/202420 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：9/7/202421 1 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 即为焊缝的抗震调整系

11、数 与梁的抗震调整系数之比）。如下图所示：9/7/202422即当应力强度比 R1 为 0.83时9/7/202423 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：9/7/202424即当应力强度比 R1 为 0.830.73 时9/7/202425 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接焊）同样也能使栓焊连接的承载力大于组合内力设计值

12、 1.2 倍的要求。 如下图所示：9/7/202426即当应力强度比 R1 0.83 0.85 = 0.70 时9/7/202427 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，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中震可修、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：9/7/202428 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

13、和地震影响系数最大值的 0.35 倍。当地震烈度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,梁的弯曲应力比 R1 必然也将随之增大到 1.0 。9/7/202429 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，只加大截面而不加强连接，当地震作用不断加大时,则连接焊缝的弯曲应力必然高于梁端截面的弯曲应力,必然很容易发生当梁端截

14、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 ”。 现再利用下图来形象的加以说明。9/7/202430.9/7/202431 1.2 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。对于框架结构中的梁柱刚性连接节点，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。9/7/202432 即 其实这就是取

15、 “ 组合内力设计法 ” 中的应力强度比刚好处等于 1.0 这种特定下的结果 ( 这是因为，如前所述， 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, 梁的弯曲应力比 R1 必然也将随之增大到 1.0 的必然结果。)从而，这就必须要采用 “ 加强型 ” 节点的作法，才能满足这一计算要求。9/7/202433 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

16、缺陷（如焊接产生的气孔、夹渣、熔敷金属未完全熔合、弧坑、咬边、焊后收缩产生的微裂缝）；热影响区产生的残余应力的不利因素；以及还应考虑到当梁截面在形成塑性铰时，由于有的钢材屈服强度偏高而加大连接受力的不利因素等等。9/7/202434 所以在规范的强制性条文中分别将焊缝的 取 0.9 将梁的 取 0.75。使焊缝连接的承载力应不小于构件承载力设计值的 1.2 倍。这正体现了强连接弱杆件的抗震设计原则。确保当框架梁的端部出现塑性铰时，梁端的连接基本还处于弹性状态; 确保框架梁在经受从小震到大震的全过程中节点不致发生破坏，使结构的整体性自始至终得到保证。 这一设计理念与目前美国自1994 年北岭地震

17、以后在设计思想方面所发生的变化和采用的设计方法是相同的。 无疑上述第二种设计方法才是比较稳妥的。9/7/202435 1. 3 第三种设计方法（极限承载力设计法） 即用公式 进行连接计算的方法 采用该法的理论根据，就是充分利用焊缝的极限抗拉强度远高于钢材的屈服强度的这一特性。当框架梁在强震作用下，梁端钢材屈服出现塑性铰后，只要梁端连接焊缝的极限抗弯承载力能够抵抗梁截面塑性弯矩的 1.2 倍，即可认为满足强震要求。 从概念上来讲，这种思维方法好像有些道理，但这里面要涉及两个问题。一是，其计算假定是否与实际应力图形相符，二是，计算公式 中 所隐含的 的取值是否符合实际。9/7/202436 为了检

18、验用 公式是否能抗大震的问题，特取高钢规中、最具有代表性的梁柱栓焊连接节点（见下页）来加以讨论。9/7/2024379/7/202438 由于图 8.3.3(a) 这种节点的计算假定是：梁腹板连接只考虑传递剪力，不考虑传递弯矩。梁的全截面塑性弯矩全部通过翼缘的连接来传递给柱。这种作法，不但不能用于抗震结构，就是用于非抗震结构也是很不合适的。因为：9/7/202439 其一，就凭直觉，在这种节点中，梁端翼缘未作任何加强，梁腹板与柱的连接螺栓只考虑传递剪力、不考虑传递弯矩。则其梁端栓焊连接处翼缘焊缝的抗弯能力则只有梁截面弹性抗弯能力的 85% 左右（即梁翼缘截面的弹性抵抗矩与全截面弹性抵抗矩之比）

19、。如果再将因高空施焊条件较差、焊缝存在缺陷以及焊接残余应力等不利因素考虑在内，按钢结构设计规范规定，焊缝强度的设计值尚应乘以 0.9 的折减系数，则焊缝的抗弯承载力只有框架横梁抗弯承载能力的 75% 左右。9/7/202440 很显然，像这种比等强连接还低，连非抗震结构就很难被人接受的连接节点，却用在本比非抗震结构要求更高的抗震结构上，这就违背了在抗震设计中必须遵循的强柱弱梁、强节点弱杆件的基本原则。9/7/202441 其二， 从理论上讲，其节点连接的计算公式 与节点的具体作法,在梁腹板中所产生的应力图形严重不符。如下图所示：9/7/2024429/7/202443 其三 即使采用这一与实际

20、弯曲应力图形严重不符的公式，就以这种不合理的计算模型来进行计算，其梁端翼缘与柱的对接焊缝的极限抗弯承载力也大大低于梁截面 1.2 倍的塑性弯矩。这也就有力的证明了这种连接节点的作法是毫无抗震能力的。以下面的验算为证：9/7/202444 如以 Q345 钢，E50 焊条为例 将梁翼缘坡口焊缝的 换算成 来进行比较，由于 ( 式中按规程规定 取最小值 )。 由上式常用截面翼缘的 只有全截面 的70%80% 如考虑高空焊接的不利影响后则： 9/7/202445事实上, 式中的 是波动的（如下表所示）不应采用最小值9/7/202446所以应符合下述规范中的有关规定高钢规的有关规定抗震规的有关规定9/

21、7/202447 按最不利考虑，应采用 来计算梁翼缘坡口焊缝的极限抗弯承载力 ，则： 如考虑高空焊接的不利影响后则： 9/7/202448 但在高钢规中对于这样的弱节点不但没有作出应加强连接方面的有关规定和作法。相反却作了 “在柱贯通型连接中，当梁翼缘用全熔透焊缝与柱连接并采用引弧板时，式 将自行满足” ” 的规定。事实上经过前面的论证，这个结论是不成立的，起到了误导的作用。这种节点一旦在工程中使用(事实上这种节点已在实际工程中用了不少)，这就埋下了在大震时，当框架梁尚未进入塑性之前，其连接焊缝就会过早发生脆性破坏的隐患。9/7/202449 也正是这种弱节点在 1994 年的美国北岭地震和

22、1995 年的日本阪神地震中破坏最为严重，且破坏时毫无塑性发展的迹象。其根本原因就是因为连接焊缝的抗力严重不足、焊缝所受的弯曲应力过高而造成的脆性破坏。(下图为 1994 年，美国北岭地震中梁柱焊接连接处的失败模式。) 9/7/2024509/7/202451 由此也可将不抗震的栓焊节点引伸到 “钢梁与箱形柱” 在工厂的全焊接节点上，由于箱形柱的壁板不能有效的传递梁腹板上的弯矩，其实质与“钢梁与工形柱” 在工地采用栓焊连接作法的受力情况基本上是差不多的。因此“钢梁与箱形柱” 在工厂的全焊接节点，也应采用梁端加强式的作法，才有利于抗大震。如下图所示：9/7/202452 当采用如右图所示的加强式

23、连接后，其塑性铰必然外移，梁腹板上的弯矩，可通过图中所示的力线传递给梁的翼缘加强板。从而就可实现梁端腹板与柱的连接只考虑传递剪力、不考虑传递弯矩的假定。 9/7/202453梁端上、下翼缘用盖板加强后试验的破坏模式9/7/202454梁端上翼缘加盖板下翼缘加腋后试验的破坏模式9/7/202455 总结前面的讲述，在此特为以下常用的三类节点作法，在抗震性能方面作一个评价：9/7/2024569/7/202457对比国外在这方面的设计动向 自 美 国 北 岭 地 震 以 后 ， 在 A.R.Tamboll,P.E.Fasce, Handbook of Structural Steel Constr

24、uction Design and Details 设计手册中规定:不管是采用加强式连接还是犬骨式连接，在塑性铰处的弯矩值均一律取 。为防止焊缝破坏和避免柱翼缘板层状撕裂，在柱面连接处其梁端弯矩在连接中的受力要保持弹性。其柱面在梁翼缘方向的弯矩，即 ( 式中 ）, 或在梁端所产生的弯曲应力应满足公式 的要求 。9/7/202458 将我国(仅指第一阶段)与美国设计手册的 计算公式进行比较：我国，根据连接的承载力设计值应是框架梁抗弯承载力设计值 1.2 倍的关系: 或 也可表达为： 或由于焊缝的 大于梁截面的 ,塑性铰必然外移，其表达式必然为:美国为：取第一项比较：美国/我国9/7/202459

25、 为确保梁端塑性铰的形成需采取的构造措施 在这方面，目前很多国家仍在不断的研究改进，且其主攻方向可归纳为： 1) 提高焊接工艺，提高焊缝质量； 2) 采用加强式连接； 3) 采用削弱式连接； 4) 有时可能三者并用。 这些都是我们值得吸取的有益经验。由此至少可以得到以下启示:9/7/202460 根据我国抗震规范在多遇地震阶段节点设计中有关规定，为了满足连接的抗弯承载力设计值应是框架梁抗弯承载力设计值 1.2 倍的要求，前面已经谈到必需采用塑性铰外移的梁端增强式连接（可采用加盖板，加翼板或加腋等作法），或者采用在离梁端不远处，将梁的上下翼缘进行削弱的犬骨式连接，这两类节点作法较多，现择选几个具

26、有代表性的节点，示之如下 ：9/7/202461梁端加强式 作法之二9/7/202462梁端加强式 作法之三9/7/202463梁端加强式 作法之四9/7/202464 梁端加强式 作法之五9/7/202465梁端加强式 作法之六9/7/202466 梁端削弱式 作法之一 9/7/202467 梁端削弱式 作法之二 作法之三 9/7/2024681.4 梁端与柱的连接计算 前面已详尽的证明了在三种设计计算方法中, 惟有在小震阶段的第二种设计方法（即连接的承载力设计值应不低于构件承载力设计值的 倍 )才是稳妥可靠的。 因此下面对各种不同的节点连接形式，其计算模型和计算公式，均按此方法来进行推导.

27、9/7/2024691.4.1) 梁端加强式的连接计算 在采用梁端增强式塑性铰外移的连接中，就有条件可将梁腹板与柱的连接采用只承受剪力（当然也可以采用同时承受剪力和弯矩）的假定。因塑性铰外移后其梁腹板上的弯矩可由下图的传力途径来实现。( 但在单独采用犬骨式的连接中，梁腹板与柱的连接，只宜采用同时承受剪力和弯矩的假定,不然梁端与柱的连接不等强，翼缘的削弱宽度将很大才能满足设计要求）。9/7/202470塑性铰外移后其梁腹板上的弯矩传力途径9/7/202471 图中盖板长度 及 的由来根据国外资料介绍，在非线性阶段侧焊缝的性能要比端焊缝的性能好很多，故在板尾无端焊缝。对于Q235 钢： 当 时：

28、（取 ） 当 时： （取 ） 当 时： （取 ） 当 时： （取 ）9/7/202472对于 Q345 钢 当 时： （ 取 ）当 时： （ 取 ）当 时： （ 取 ）当 时： （ 取 ）9/7/202473梁端翼缘加强板的计算简图9/7/202474翼缘板加强后，其加强板截面积的计算公式 式中: 其中按以下情况取值：) 当与工形柱相连，其连接既抗剪又抗弯时： （用于Q235钢） （用于Q345钢）) 当为箱形柱或工形柱但连接只抗剪时：取与上述情况)中的较大者9/7/202475 1)当梁腹板与柱的连接只抗剪时,其加强板的截面积由2)当梁腹板与柱的连接既抗剪又抗弯时,其加强板的截面积9/7/2

29、02476 梁端翼缘加强板的算例例1设有一梁截面为 H 柱截面为 ，梁净跨为 , 恒载活载引起的梁 端剪力设计值为 钢材牌号为 , 材料强度为 ：9/7/202477 设塑性铰距梁端的距离: 梁截面的弹性模量 (可从手册中查得 ) 9/7/202478 1) 如图,其梁腹板与柱的连接只抗剪时的加强板截面积 设取盖板宽为 厚度为 ( 取 ) 附: 如采用加宽翼缘板方案（ ） 梁翼缘每侧加的板宽为: ( 取 85 mm )9/7/2024792) 当梁与工形柱的连接既抗剪又抗弯时的加强板截面积 取盖板宽： 厚度为： ( 取 10 mm )9/7/202480梁端用盖板加强时的注意事项 盖板端部与柱

30、翼缘连接的坡口焊缝。有两种构造方案，如下图所示。第一种，坡面连续的大坡口。是较好的构造。第二种，分别作坡口，先焊翼缘后焊盖板。虽然其焊缝金属比较少，但盖板焊缝与梁翼缘焊缝呈锐角相交，形成了 “切口” 效应，这是不希望的。从断裂力学的角度考虑，第二种构造容易出现向柱翼缘扩展的水平裂缝。9/7/202481盖板端部与柱翼缘连接的坡口焊缝9/7/202482 设计人员无论采用哪一种构造，都必须考虑节点区的热量输入和残余应力的不利影响。为了限制节点区过度的热量输入。其焊缝最大总厚度必须控制在 2 倍梁翼缘厚度或柱翼缘的厚度之内。9/7/202483 关于下翼缘盖板:宜取 与 之较大者。根据地震后考察结

31、构破坏的情况来看，其破坏部位均发生在梁下翼缘与柱的焊缝连接处。这一现象说明，混凝土楼板参与了梁的部分工作，使钢梁的中和轴上移，下翼缘力臂加大，受力比上翼缘不利。故加大下翼缘盖板的宽度，一是可使下翼缘的受力得到改善。二是也便于工地俯焊。 注: 1 1）所求得的盖板厚度不宜大于梁翼缘板的厚度; 2 2）其焊缝最大总厚度必须控制在 2 倍梁翼缘厚度 或柱翼缘的厚度之内。9/7/202484 为满足强柱弱梁的抗震要求，其柱截面的塑性抵抗矩和梁截面的塑性抵抗矩应满足下式的要求1)现行抗震规对采用等截面梁的标准型梁柱连接的计算公式 式中： 强柱系数，超过 6 层的钢框, 6 度 类场地和 7 度时取 1；

32、 8 度时取 1.05； 9 度时取 1.159/7/2024852）修订中的高钢规对采用等截面梁的标准型梁 柱连接拟采用的计算公式 修订中的高钢规对塑性铰外移的加强型梁柱连接节点，拟增加的计算公式 ） 式中：1.1 考虑材料的应变硬化效应。 考虑材料实际屈服强度的提高系数 （ 或1.2 ）9/7/2024861.4.2 梁端削弱式的连接计算9/7/202487 1) 确定犬骨式连接的有关参数 犬骨式连接节点的设计原理，就是保证大震下塑性铰出现在梁翼缘的削弱部位。并要求梁翼缘的削弱对梁的刚度和强度影响都很小，要实现这一目标，关键是如何确定削弱部位距柱边的距离 a , , 削弱部位的长度 b ,

33、 , 以及削弱部位的深度 c 这三个尺寸（其符号意义如下图所示）。9/7/202488 对于对应于梁腹板平面内有柱腹板或设置有竖向加劲肋的柱截面而言，a 越小越好，但 a 越小对刚度和强度的降低也就越大。一般 a 取 0.25 倍梁高；对无柱腹板者或梁腹板与柱的连接只抗剪不抗弯时（只限于翼缘加强与削弱并用的连接中）a 宜取 0.5 倍梁高。 削弱长度 b，主要由延性要求和刚度要求确定，从刚度角度出发，b 越短越好。从延性出发，b 越长，则同时进入塑性的区段越长。即延性越好。再根据国际上对塑性铰相对转角不应小于 0.03 弧度的要求，综合考虑 b 宜取 0.8 倍梁高。9/7/202489 最后

34、就是确定翼缘削弱部位的深度C, 深深度度 C 是保证塑性铰出现在翼缘削弱部位和强度控制在一定范围之内的关键。 削弱深度可由翼缘削弱部位的截面塑性抗弯承载力与梁端连接焊缝抗弯承载力之间的几何关系来确定。如下图所示：9/7/202490梁端削弱式连接的计算简图9/7/202491削弱梁与工形柱连接时其削弱深度C的计算公式削弱处的弯矩设计值 (1)使柱面处的弯矩设计值为 (2) 将式中: 代入式(2) 得: (3) 将式(1) 代入(3)并经整理最后得9/7/202492削弱梁与工形柱连接时其削弱深度C的计算算例(设计条件如下) 例2 梁截面为 ，柱截面为 , 梁净跨为 , 恒载活 载引起的梁端剪力

35、设计值为 钢材牌 号为 , 材料强度为 ：9/7/202493 9/7/2024941.4.3 梁端增强式和削弱式并用的连接节点作法为适应现有的电算程序，宜采用梁端加强式与犬骨式相结合的作法，其理由如下：9/7/202495一是，削弱式节点固然是目前公认的一种较好的抗震作法。它的最大优点是：塑性区长，有较好的转动能力。比较容易满足国际上公认的转角不小于0.03 弧度的要求。可以真正作到延性设计。但是，如采用单纯的犬骨式节点，梁端截面不加强，为了满足梁端的连接承载力不应小于梁载面承载力设计值1.2倍的要求。则梁端的应力强度比最大只能控制到 0.83 。梁截面的强度不能得到充分发挥。如果采用梁端加

36、强式与犬骨式相结合的作法，不但梁截面的强度可以得到充分发挥，而且还可使梁翼缘上的削弱深度 C 减小。9/7/202496二是，如单纯采用梁端局部增强式连接，虽然很容易做到梁端的连接承载力不小于梁截面承载力设计值的 1.2 倍。但由于塑性铰的外移，地震时，将会使框架柱的计算弯矩比不加强时要大许多。为了不违背强柱弱梁的基本原则，不得不因此而加大柱的截面。当采用犬骨式与梁端局部增强式相结合的作法后，不但不需加大柱的截面，而且还可使增强式连接中的盖板厚度减小。梁端焊缝质量较容易得到保证。9/7/202497梁端加强式与犬骨式相结合的作法之一9/7/202498梁端加强式与犬骨式相结合的作法之二9/7/

37、202499梁端加强式与犬骨式相结合的作法之三9/7/2024100加强与削弱式相结合的计算简图9/7/20241011) 加强与削弱并用时，其翼缘的削弱深度 c 计算9/7/2024102加强削弱梁与柱连接时其削弱深度 C 的计算公式削弱处的弯矩设计值 (1)使柱面处的弯矩设计值为 (2) 将式中: 代入式(2) 得: (3) 将式(1) 代入(3)并经整理最后得注: 当与箱形柱相连时 取 与 二 者间的较大者; 当与工形柱连时取9/7/20241032) 加强削弱梁与柱连接时的加强板计算公式 a) 当梁与箱形柱相连只抗剪不抗弯时,其加强板 的截面积 b) 当梁腹板与柱的连接既抗剪又抗弯时,

38、其加强 板的截面积 9/7/2024104梁端加强式与犬骨式相结合的的算例（设计条件同前例， 腹板连接只抗剪时 ）9/7/2024105( 设计条件如下 ) 例3 梁截面为 ，柱截面为 , 梁净跨为 , 恒载活载引起的梁端剪力设计值为 钢材牌号为 , 材料强度为 ：9/7/20241061 )当梁端与箱形柱相连时(腹板连接只抗剪) a ) 粱翼缘的削弱深度C 9/7/2024107 b) 腹板连接只抗剪时的盖板截面尺寸 式中: ( 取 )9/7/20241082 ) 当梁端与工形柱相连时(腹板连接可抗剪,抗弯) a ) 梁翼缘的削弱深度C 9/7/2024109 b ) 腹板连接可抗剪,抗弯时

39、的盖板截面尺寸 式中: ( 取 )9/7/2024110当梁端与柱用加强或削弱方式连接时其有关的计算公式汇总 9/7/2024111 梁端与柱不同连接方法(加强与削弱)的结果比较 梁截面 柱截面 钢材 跨度 9/7/20241121.4.4 梁腹板与柱间采用高强度螺栓连接时的计算1) 在多遇地震阶段，其剪力公式近似取并按下式验算连接螺栓的抗剪承载力：式中: 分别为连接螺栓的行、列数； 为一个高强度螺栓摩擦型连接的抗剪 承载力设计值。9/7/2024113 2) 在大震阶段，考虑到在小震阶段原设计的高强度螺栓摩擦型连接，可能在基本烈度地震或大震作用下蜕变为承压型连接故还应按下式进行复核：式中：

40、为板件的极限抗压强度， ， 为钢材的抗拉强度最小值） 为一个高强度螺栓的极限抗剪承载力,其 值为 9/7/2024114二 框架梁的栓焊拼接9/7/2024115栓焊拼接的计算假定和计算方法中的常见问题2.1 腹板拼接计算方法中的常见问题，1）一是，按拼接缝处的弯矩和剪力设计值计算。即腹板拼接板及每侧的高强螺栓承受拼接截面的全部剪力及按刚度分配到腹板上的弯矩，不计入剪力对梁腹板两侧螺栓形心产生的附加弯矩。2）二是按拼接缝处的弯矩和剪力设计值计算。即腹板拼接板及每侧的高强螺栓承受拼接截面的全部剪力及按刚度分配到腹板上的弯矩，并计入剪力对梁腹板两侧螺栓形心产生的附加弯矩，且在计入时又分以下两种：9

41、/7/2024116 a) 取拼接缝处的弯矩按腹板的刚度进行分配后再加上剪力对梁腹板两侧螺栓形心产生的附加弯矩之和 b) 取拼接缝处的弯矩和剪力设计值加上剪力对梁腹板两侧螺栓形心产生的附加弯矩后按腹板的刚度进行分配2.2 由于当翼缘为焊接、腹板为高强度螺栓摩擦型连接时，一般总是采用先栓后焊的方法，因此在计算中，应考虑对翼缘施焊时其焊接高温对腹板连接螺栓预拉力的损失，损失后连接螺栓的抗剪承载力取 。2.3 其拼接强度不应低于原截面抗弯承载的。9/7/2024117在梁腹板的拼接中螺栓群所承受的剪力和弯矩 ( 取拼接缝处的弯矩和剪力设计值加上剪力对梁腹板两侧 螺栓形心产生的附加弯矩后按腹板的刚度进

42、行分配 )9/7/2024118螺栓群在弯矩和剪力作用下，角点螺栓所受剪力计算 式中：其由来见下页的推导其由来见下页的推导对于常用截面的栓焊拼接可查标准图 03SG519-1其常用截面如下下图所示9/7/2024119 9/7/2024120本图集受弯构件选用的 H 型钢截面规格（共72种）9/7/2024121标准图 03SG519-1 栓焊拼接的计算公式 根据梁截面尺寸合理布置的螺栓群，分别取梁截面最大抗弯承载力设计值的 ， ( 按 0.1 进级）和 ( 为为净截面的最大抗弯承载力设计值 )，按截面模量分配在腹板上的弯矩和待定的剪力同时作用在拼接一侧螺栓群的中心处，使螺栓群角点处螺栓的受力

43、刚好达到其 0.9 倍的最大抗剪承载力设计值时，反求出螺栓群可承受多大剪力这一思路来编制的。9/7/20241222.3 螺栓群在弯矩和剪力作用下，角点螺栓所受剪力的计算 式中： 9/7/20241232.4 确定腹板拼接板的厚度（应取下列四项中之最大者） 1)1) 根据螺栓群受的弯矩求板厚: 2)2) 根据螺栓群受的剪力求板厚： 3)3) 根据螺栓间距 S S 确定板的厚度及原则上应使拼接板 的截面面积不小于腹板的截面面积 9/7/2024124 经计算后得出如下的主梁用栓焊拼接的选用图表式样9/7/2024125主梁栓焊拼接的索引表示方法9/7/2024126三 框架梁全栓拼接9/7/20

44、24127全栓拼接的计算假定和计算方法中的常见问题 3.0.1 3.0.1 梁翼缘拼接按梁翼缘净截面在钢材设计强度下的轴向承载能力进行等强设计。取，中较小者 腹板拼接按承受所有剪力和梁的设计弯矩值中按腹板与全截面惯性矩的比值分配给梁腹板的弯矩设计，(也有计入和不入剪力对梁腹板两侧螺栓形心产生的附加弯矩两种情况，在计入中也同样存在有分配之后再计入和计入之后再分配的问题。）螺栓取与翼缘螺栓直径相同。为使腹板上的螺栓和翼缘上螺栓的受力协调，腹板上受力最不利螺栓所受弯矩产生的水平分力与其力臂之比 应不大于 ， 为高强螺栓的抗剪承载力设计值， 为梁高， 为螺栓群形心至角点螺栓处的竖直距离。 为角点处一个

45、螺栓的水平剪力。这其实是对弯矩在梁截面上线性分布的要求。9/7/20241283.0.2 李和华主编钢结构连接节点设计手册中国 建筑工业出版社 1992年11月第一版1)假设作用在拼接缝处的弯矩M完全由翼缘的连接承担，剪力完全由腹板的连接承担。2) 腹板拼接取下述三条件中的最大者来进行计算： a 取在拼接缝处的实际剪力设计值。 b 取腹板净截面抗剪承载力设计值的 12 。 c 取梁两端弯矩设计值之和除以梁的净跨长度所 得到的剪力来确定。9/7/2024129全栓拼接宜采用的计算公式3.1 框架梁的翼缘拼接,通常按与翼缘等强度来计算。即 取以下二式中之较小者：式中： 、 分别为一个翼缘的净截面面

46、积和毛截面面积。 是考虑摩擦型高强度螺栓的孔前传力。 为翼缘连接一列的螺栓数（即行数）。9/7/2024130 公式的由来在 1-1 剖面处将 代入上式即得9/7/2024131 1) 上、下翼缘连接一侧所需的螺栓数: 为一个摩擦型高强度螺栓的抗剪承 载力设计值。 2) 上下翼缘上下侧拼接板的板宽和板厚: 应使其净截面面积各不小于翼缘净截面面 积的一半为原则。9/7/20241323.2 腹板的拼接计算 在腹板拼接中，腹板拼接一侧的高强度螺栓按承受拼接截面的全部剪力及按刚度分配到腹板上的弯矩。但其拼接承载力最小不得低于原截面抗弯承载力设计值的 50%。 腹板拼接螺栓的受力应符合梁截面中的应力分

47、布，即腹板角点上的螺栓在弯矩作用下所产生的水平剪力值应与翼缘螺栓水平剪力值成线性关系。9/7/2024133在梁腹板的拼接中螺栓群所承受的剪力和弯矩9/7/2024134 螺栓群在弯矩和剪力作用下，角点螺栓所受剪力的计算 式中： 附加条件： 对于常用截面的全栓拼接可查标准图 04SG519-2 其常用截面同前面的栓焊拼接.9/7/2024135标准图 04SG519-2 全栓拼接的计算公式 编制时， 分别取梁截面最大抗弯设计值 的 （按 0.1 进级）和 按截面模量分配在腹板上的弯矩和待定的剪力 V 同时作用在拼接一侧螺栓群的中心处，使螺栓群角点处螺栓的受力刚好达到其最大抗剪承载力设计值时，反

48、求出螺栓群可承受多大剪力 V 来编制。9/7/20241363.3 螺栓群在弯矩和剪力作用下，角点螺栓所受剪力的计算 式中：附加条件：9/7/20241373.4 确定腹板拼接板的厚度（应取下列四项中之最大者） 1) 根据螺栓群受的弯矩求板厚: 2) 根据螺栓群受的剪力求板厚： 3) 根据螺栓间距 S 确定板的厚度及原则上应使拼接板的截面面积不小于腹板的截面面积。 9/7/20241389/7/2024139主梁栓焊拼接的索引表示方法9/7/2024140总结：框架梁连接设计的一般规律 1）在非抗震框架结构、带有悬臂段框架梁的工地拼接中，其拼接宜按梁中的实际内力按平面假定进行设计。且拼接的抗弯

49、承载力不应低于梁截面抗弯承载力的 50% 。 2）在非抗震框架结构的梁柱刚性连接节点中，其连接宜按梁截面的等强度来设计，除非在某些构造截面中梁的内力与梁截面的内力相差很大时，才按上述第 1）条的原则进行连接设计。9/7/2024141 3）在抗震框架结构、带有悬臂段框架梁的工地拼接中，对于全栓拼接的节点可置于塑性区段之内。但对于全焊或栓焊拼接的连接节点应置于塑性区段之外，但为了便于运输，其悬臂段又不能太长，故宜将拼接点放在十分之一跨长和两倍梁高塑性区段之外的附近，且此时，其拼接的承载力宜按梁截面的等强度来设计。9/7/2024142 4）在抗震结构的梁柱刚性连接中，不应采用小于等强度的连接。就

50、是等强度的连接，也只能用在低烈度地区的抗震结构中。在高烈度地区，一定要采用加强式连接，最好是采用加强式与犬骨式相结合的连接。9/7/2024143四 次梁与主梁 ( 或与柱) 简支栓接常用连接节点的形式9/7/2024144简支栓接设计计算方法中的常见问题4.0.1 次梁的端部剪力由连接螺栓平均分担。4.0.2 考虑到连接有一定偏心的约束作用，把次梁反力值近似的加大20% 30%来计算螺栓或焊缝。 4.0.3 将连接板与次梁视为一体，支点在主梁腹板的中心线上。其连接螺栓和连接板除承受次梁的剪力外，还应考虑由于连接实际偏心所产生的附加弯矩作用。9/7/2024145简支栓接宜采用 4.0.3 条

51、的计算简图及方法9/7/2024146 螺栓群在剪力和偏心弯矩作用下，最上排角点螺 栓所受的最大剪力应满足下式要求: 式中:（其由来见下页的推导） 对于常用截面的简支栓接可查标准图 03SG519-1 其常用截面同前面的栓焊拼接.9/7/2024147式中:比较:9/7/2024148标准图 03SG519-1 的编制公式4.1 螺栓群在剪力和偏心弯矩作用下，使最上排螺栓 的受力刚好达到其最大抗剪承载力设计值时，反 求出螺栓群可承受多大剪力这一思路来编的。 式中9/7/2024149 4.2 确定支承板的厚度（取下列各式中之最大者） 1) 根据螺栓群可承受的最大剪力设计值求支承板厚 2) 根据

52、螺栓群所受的偏心弯矩 求板厚 3) 根据构造要求求板厚9/7/2024150经计算后得出如下次梁与主梁用螺栓简支连接的选用图表9/7/2024151主次梁螺栓简支连接的索引表示方法9/7/20241529/7/2024153 五 中心支撑拼(连)接设计中的常见问题 5.1 现行抗震规给出的拼(连)接计算公式 如采用上式公式来计算、并按规范的规定，将式中的 取钢材屈服点的最小值，必然存在着弱连接的问题。 试看， 设支撑斜拉杆用 Q235 钢， 则 ， 将其代入式 , 得 ： 即：9/7/2024154 结果表明，其支撑连接板或拼接板的截面积，只要有 75% 的支撑净截面面积就可满足抗大抗震的要求

53、。比一般人们常用的等强连接少了25%的截面积。这太不可思议了。9/7/2024155 再对比在多遇地震阶段，按表达式 设计支撑拉杆的连接时，其支撑连接板的承载力调整系数 ，支撑杆的 。在设计连接板时所取的内力设计值，就应是支撑杆内力设计值的 倍。当其应力比为 1.0 时，则支撑连接板所需的截面积就应是杆件截面积的 1.06 倍。（应当取应力比为 1.0 时的情况来计算，因只有应力比超过 1.0 后，其钢拉杆才会屈服产生非线性的拉伸变形而产生延性）。9/7/2024156 5.2 此外，还应注意到高钢规图 8.7.2 所介的全栓拼接作法（如下页的图示），我认为它只能用于非抗震的中心支撑和抗震的偏

54、心支撑，而不能用于抗震的中心支撑。由于中心支撑的良好延性，是靠支撑在大震时发生屈服来实现的。因此支撑杆的本身必须要满足下式的要求： 根据高钢规和抗震规中，钢材的抗拉强度与屈服强度实测值的比值不应小于 1.2 的规定，如取 代入式 后， 则为 ： 由此可得9/7/20241579/7/2024158 根据统计，在全栓拼接中，被连接支撑扣除螺栓孔后的净截面面积与其毛截面面积之比多在 0.730.83 之间。 即 这说明在抗震的全栓拼接中心支撑中，如 其受拉支撑在地震作用下，在支撑尚未屈服之前，很可能首先在支撑螺栓孔的净截面上发生断裂破坏。 因此在抗震结构中，其中心支撑在工地不宜采用全栓拼接，而尽可能改用焊接或栓焊连接。9/7/2024159另：应掌握结构构件的受力特点和应充分了解所用计算软件的性能 举一实际工程，由于忽视了结构构件的受力特点和未充分了解计算软件的技术条件与计算内容不符，而影响到危及工程及人身安全的设计事例。9/7/20241609/7/20241619/7/20241629/7/20241639/7/2024164下表为 SATWE 软件中的技术条件之一9/7/20241659/7/2024166下午继续9/7/2024167