构件连接节点设计：多高层钢结构安全可靠的关键环节

钢结构节点设计原则

构件连接节点是保证多层、高层钢结构安全可靠的关键部位，对结构的受力性能有重要影响。节点设计是否合理，不仅影响结构承载力的可靠性和安全性，还影响构件加工、现场安装的质量，直接影响结构的造价。因此，节点设计是整个设计工作的重要环节，必须引起足够的重视。

节点设计主要包括梁与柱、梁与梁、柱与柱、支撑及梁与柱脚之间的连接节点设计（见下图）。

设计原则

概述

（1）当设计非抗震时，采用弹性设计；当设计抗震时，采用弹塑性设计，且节点连接承载力应高于构件截面承载力。

(2) 对于需要抗震设防的结构，当风荷载起控制作用时，仍应满足结构抗震设防要求。

(3)强震作用下，塑性区一般会出现在距梁端（穿柱式梁柱节点）或柱端（穿柱式梁柱节点）1/10跨度或2倍截面高度范围内。节点设计应验证下列事项：

1)节点连接最大承载力；

2）构件塑性区板材宽厚比；

3)受弯构件塑性区侧向支撑点之间的距离；

4）梁柱节点域柱腹板宽厚比与剪切承载力。

（4）构件节点、杆件连接部位、板组合件可采用全焊透焊缝或部分焊透焊缝。有下列情况之一的，应采用全焊透焊缝：

1）要求与母材牢固的焊接连接；

2）框架节点塑料型材焊接连接。

（5）焊缝的坡口形式和尺寸应按照《手工电弧焊焊接坡口的基本形式与尺寸》和《埋弧焊焊接坡口的基本形式与尺寸》的规定或其他适用的规定采用。

（6）为达到全焊透、全焊缝，焊接时应设置焊接垫板和引弧板。

（7）高强螺栓用于高层建筑钢结构承重构件或承重构件（支撑）连接时，宜采用摩擦型连接，避免在使用荷载下发生滑移，增大节点的变形。

(8)抗震结构中高强度螺栓连接的最大剪切承载力，应按下式计算:

(9) 在节点设计时，节点结构应避免采用约束程度大、易产生板层撕裂的连接形式。

联系

按连接方式可分为：全焊连接（通常翼缘坡口采用全焊透焊缝、腹板采用角焊缝连接）、螺栓焊混合连接（翼缘坡口采用全焊透焊缝、腹板采用高强螺栓连接）和全螺栓连接（翼缘与腹板均采用高强螺栓连接），如图7-2所示。

全焊接连接：传力充分，无滑移。良好的焊接结构和焊接质量能为结构提供足够的延展性。缺点是焊接部位往往存在一定的残余应力。

栓焊混合连接：先用螺栓安装定位，再焊接法兰，操作简便，应用广泛。试验表明，该连接方式的滞回曲线与全焊缝连接相似，但法兰焊接平均会降低螺栓预紧力10%左右，因此，连接腹板的高强度螺栓的实际预紧力应留有一定的余量。

全螺栓连接：全部采用高强度螺栓连接，施工方便，符合工业化生产模式。但接头尺寸较大，用钢板量稍多，成本较高。若遇强震，接头可能滑移。

应用：在我国多层、高层钢结构工程实践中，柱的现场连接多采用满焊连接；梁的现场连接、支撑斜拉杆的现场连接及节点多采用满螺栓连接；梁与柱之间的连接多为螺栓与焊缝的混合连接。

根据结构形式及其受力性质（按约束刚度）不同，可分为刚性连接（刚性节点）、半刚性连接（半刚性节点）和柔性连接（铰链节点）三种类型。

刚性连接：指连接受力时梁、柱轴线夹角保持不变。实际使用中，只要连接的转角约束能达到理想刚性连接的90%以上，就可认为是刚性连接。工程中采用的全焊接连接、螺栓焊接混合连接、T型钢铸件辅助的全螺栓连接均属于此类。

柔性连接（铰接连接）：指受力时梁、柱轴线夹角可任意改变（不受任何约束）的连接。实际使用中，只要梁、柱轴线夹角的变化达到理想铰转角的80%以上（即转动约束不超过20%），即可视为柔性连接。工程中，梁腹板与柱之间采用角钢或钢板通过螺栓连接的连接，才属于此类。

半刚性连接：介于上述两者之间的一种连接。其承载力和变形能力对框架的承载力和变形有显著的影响。工程中采用的端板或梁上下翼缘布置角钢的满螺栓连接均属于此类。

安装单位划分

钢框架安装单元的划分，应根据构件重量、运输、起重设备等条件确定。

（1）框架的梁柱节点采用“柱穿式”节点形式时（图7-2、7-3a），柱安装单元一般每三层一个；梁安装单元通常每跨一个。

（2）柱的现场接头一般位于主梁顶面以上1.0～1.3m处，以方便安装。

（3）当采用带有悬臂梁段的柱单元（树形柱单元）时，可在工厂内将悬臂梁段预先焊接到柱安装单元上。悬臂梁段的长度（即接头位置）应根据内力小、满足支撑需要、运输方便等条件确定。悬臂梁段距柱轴线的长度一般为0.9～1.6m。

(4)当框筒结构采用带有悬臂梁截面的柱安装单元时，可于跨中设置梁节点。