盖板加强节点在钢框架中的应用及合理参数探讨

盖板加强节点可使塑性铰向外移动，实现“强节点，弱构件”，是钢框架中常见的梁柱节点类型。我国《高层民用建筑钢结构计算规范》JGJ99-2015第8.3.4条对此类节点主要规定如下：

其中，Lcp、hb、tcp、tf分别为覆盖层长度、梁高度、覆盖层厚度、梁翼缘厚度。

根据该规定，盖板厚度不应小于梁翼缘厚度，这导致很多实际梁柱节点的盖板过厚，不利于工程应用。本文将结合文献及规范，对盖板的合理参数进行探讨。

覆盖长度的确定

根据高速钢规范第8.3.4条的规定，设有盖板的梁柱节点的塑性铰距盖板端外侧0.25hb。因此，梁的塑性铰截面距柱面的距离为Lcp+0.25hb。

根据《高钢规范》第8.2.1条规定，梁、柱之间的刚接连接需满足下列要求：

根据表8.1.3，连接系数取1.35。一般情况下，取节点连接的极限弯曲强度为：

根据图2中的弯矩图可知，在梁柱节点附近弯矩基本呈线性变化，因此，当外移梁截面出现塑性铰时，应保证按弯矩图计算的梁柱连接处弯矩不大于1.35MPb，否则按本规范第8.2.1条计算的节点弯曲承载力可能不足。

由于框架节点处的弯矩是横向荷载（ML）和垂直荷载（Mq）引起的弯矩的叠加，因此，当梁的外移截面达到塑性弯矩时，梁端部截面的弯矩可近似地用下式计算：

上述公式可以表示为：

其中，表示重力荷载剪力与塑性机制剪力之比，q为竖向均布荷载。

为了保证按弯矩图计算出的梁柱连接处弯矩小于节点连接的抗弯承载力，必须满足下列条件：

将（3）式代入上式可得：

由上式可知，覆盖长度的上限为：

同时考虑到塑性铰的尺寸要求，盖板长度必须满足《高钢规范》不小于0.5hb的要求。上述公式告诉我们，在保证塑性铰向外移动足够距离（即大于0.5hb）的前提下，盖板越长越好。如果配筋区域过长，在向外移动的梁截面形成塑性铰时，节点处的弯矩可能过大。

通过计算不同gamma值时的盖板长度Lcp（图4）可发现，对于常用范围（L=10~25hb），取Lcp=0.5hb基本可以满足公式（6）的要求；梁越深，盖板最大长度越小；当L小于13hb左右时，按照《高钢规范》取Lcp=0.5hb的值可能不能满足校核要求，需要采用较大的连接系数（见参考文献[1]）。

覆盖截面积

在计算所需盖板面积时，应保证盖板加强截面承载力不小于节点处梁端部截面可能产生的最大弯矩，即前文所述的1.35MPb。考虑到焊接孔洞对端部截面腹杆的削弱，以及当柱为钢管或钢管混凝土时，由于柱壁局部变形，梁腹杆的抗弯承载力大大削弱，这里假定梁截面的抗弯承载力仅由腹杆提供，即：

公式左边为单个法兰及盖板所能提供的极限抗拉强度，Af、Acp分别为单个法兰及盖板的面积。

盖板与法兰间焊缝强度

盖板与法兰之间的角焊缝的承载能力不应小于其抗拉强度，即：

式中bcf1为盖板外侧小端的宽度（图1）。由于规范只给出了焊缝强度的设计值，所以上式右边取材料强度的标准值。为了保守起见，这里也可以取材料的抗拉强度。

盖板宽厚比

为保证盖板在梁翼缘之前不发生局部失稳，根据规范中确定梁截面宽厚比的方法，由薄壁屈曲理论可知，四边简支板的屈曲系数约为三边简支、一边自由板的10倍，宽厚比约为3倍。因此，盖板宽厚比不大于该截面等级对应梁截面翼缘宽厚比的3倍即可满足要求。

典型示例

钢梁截面为H800x300x14x35，材料为Q355，腹板屈服强度为345MPa，翼缘屈服强度为335MPa，强度设计值分别为305MPa、295MPa，材料抗拉强度为470MPa，梁净跨度L=9.8m，荷载比，盖板外侧小端宽度0.5bf=150mm，根部宽度270mm。以下计算中hb取为翼缘间距离765mm。

（1）覆盖长度计算：

根据公式（6）可计算得出：

（2）盖板截面积：

计算H800x300x14x35的Mpb为3334.36kN.m，根据公式（7），取hb为翼缘间距765mm，盖板宽度270mm，可计算盖板厚度为：

以盖板厚度为10mm为例，本例中要求的盖板厚度为10mm，比规范规定的35mm小很多。

（3）盖板宽厚比验证：

按照S2截面计算，钢结构设计规范显示，翼缘宽厚比限值为11，故盖板宽厚比限值为33，刚好满足要求。

（4）盖板与法兰的焊缝验证：

根据公式（8）可计算得出焊脚高度hf为：

覆盖层强度为设计值：hf不小于6.96mm

盖板强度为抗拉强度：hf不小于9.22mm

对于10mm厚的盖板，焊脚高度可以满足施工要求。

结论

从本文的讨论中可以得出以下结论：

（1）《高钢规范》中盖板加固节点的盖板厚度规定过厚，不利于实际应用；

（2）参考文献[1]利用高速钢规范的规定，由弯矩图外推弯矩来确定盖板的面积和长度，依据如下解释：盖板加强截面承载力>=强节点所需承载力>=弯矩，并得到了一种简便的计算方法。

参考：

[1]. 童根树, 盖板加固梁柱节点计算, 钢结构, 2024, 39(7): 55-57。