高楼钢结构梁柱节点设计

1.梁-柱节点类型

（1）柱贯通型

1）钢框架的楼层梁-柱节点处，下层柱整根通过节点，伸至上层柱底部的接头；节点四边的梁分别与柱相连接，称之为“柱贯通型”梁-柱节点（图4-9a）。

2）一般情况下，为简化构造和方便施工，框架的梁-柱节点宜采用柱贯通型。

（2）梁贯通型

1）钢框架的楼层梁-柱节点处，主梁整根通过节点，上层柱的底端和下层柱的顶端分别与主梁的上翼缘和下翼缘相连接；另一方向的节点两侧钢梁，分别与该主梁的两侧边相连接，称之为“梁贯通型”梁-柱节点（图4-9b）。

2）当主梁采用箱形截面时，钢框架的梁-柱节点宜采用梁贯通型。其他情况，有必要时，也可以采用“梁贯通型”节点。

图4-9 钢框架的梁-柱节点

a）柱贯通型 b）梁贯通型

2.节点域强度验算

（1）柱腹板剪力验算

1）重力荷载作用下，框架楼层节点两侧的梁端弯矩同为负弯矩，大体上能相互平衡，对节点域柱腹板基本上不产生水平剪力（图4-10a）。

2）侧力（风、地震）作用下的框架楼层节点（图4-10b），为平衡上、下柱端顺时针方向弯矩，梁-柱节点两侧的梁端弯矩同为逆时针方向（图4-10c），左、右梁端的较大同方向不平衡弯矩，将使节点域的柱腹板承受较大的水平剪力。

3）对H形柱和管形柱的“柱贯通型”梁-柱节点，梁与柱连接处，无论节点内有无水平加劲肋（图4-10a、c），节点域的柱腹板均应按下列规定验算其受剪时的强度和稳定性。

图4-10 梁-柱节点域的柱腹板剪力

a）重力下节点内力 b）侧力下梁、柱反弯点内力 c）侧力下节点域剪力

（2）节点域的稳定性验算

1）为防止节点域的柱腹板受剪时发生局部失稳和屈曲，H形或管形截面柱的节点域内柱腹板厚度t_p（对于管形柱，仍取一块腹板的厚度），应符合下列条件式：

式中 h_0b、h_0c——分别为梁腹板截面高度和柱腹板截面宽度。

2）当节点域内柱腹板厚度不小于梁、柱截面高度之和的1/70时，可不验算节点域的稳定性。

（3）节点域抗剪强度验算

1）强度验算公式 由柱翼缘与水平加劲肋包围的柱腹板节点域，应按下列公式验算其抗剪强度。略去节点上、下柱端水平剪力的影响，节点域在左、右两侧梁端不平衡弯矩作用下（图4-10）所产生的剪应力τ，应符合下式要求：

抗风设计

抗震设计

H形截面柱 V_p＝h_0bh_0ct_p （4-9）

管形截面柱 V_p＝1.8h_0bh_0ct_p （4-10）

十字形截面柱（图4-11） V_p＝φh_0bh_0ct_p （4-11）

式中 M_b1、M_b2——分别为框架楼层节点两侧的梁端弯矩设计值，弯矩绕节点顺时针为正，逆时针为负；

V_p——节点域腹板的体积；

系数4/3——考虑到公式左侧略去了剪力引起的剪力项，柱轴力、剪力以及节点域周边板件约束对节点域抗剪屈服强度的影响，根据结构试验确定的抗剪强度提高系数；

h_0b、h_0c——分别为梁腹板的截面高度和柱腹板的截面宽度；

t_p——节点域范围内柱腹板的厚度，对于管形柱，则为一片腹板的厚度；式（4-10）中的系数1.8是腹板受力不均匀系数0.9乘以2；

b、t_f——十字形截面柱的翼缘宽度和厚度；

f_v——钢材的抗剪强度设计值；

γ₀——结构重要性系数，结构安全等级为一级、二级时，分别取1.1和1.0；

γ_RE——节点域承载力抗震调整系数，取γ_RE＝0.85。

图4-11 十字形截面柱的节点域体积

2）抗震设防框架附加要求

①抗震设防的钢框架，节点域（柱）腹板厚度的选定要适度。地震作用下，腹板过厚，就会因腹板剪切塑性变形小而仅能耗散较少地震能量；若过薄，又将因节点域腹板剪切变形过大而使框架侧移太大，超过容许限值，甚至造成节点破坏，使结构丧失整体性。

②强震作用下结构构件各部位按照设计要求依次屈服，并产生适量的塑性变形，以吸收和耗散较多的地震能量，可以减轻结构的破坏程度。如果结构不能通过较多杆件塑性铰来有效地消耗地震能量，结构所受到的等效地震力就会增大，反而对结构不利。

③研究成果表明，为使地震作用下的钢框架节点域首先屈服，以消耗一部分地震能量，然后是梁端出现塑性铰，进一步消耗一部分地震能量，最后才是柱屈服，令节点域的屈服承载力等于该节点两侧梁端总屈服承载力的0.7倍是恰当的。

④根据上述结论，要求当节点两侧梁端弯矩达到全塑性弯矩的0.6～0.7倍、节点域即将进入塑性状态时，节点域的剪应力不应超过钢材的抗剪强度设计值。

⑤抗震设防框架，节点域的剪应力除应符合式（4-8b）外，节点域的屈服承载力还应满足下式要求：

式中 ψ——折减系数，6度Ⅳ类场地和7度设防的结构，取ψ＝0.6；8度或9度设防时，取ψ＝0.7；

M_pb1、M_pb2——分别为节点域两侧梁端截面的全塑性受弯承载力；

W_pb1、W_pb2——分别为节点域两侧梁端截面的塑性截面模量（抵抗矩）；

f_ay——钢梁钢材的屈服强度。

（4）节点域的补强

当节点域柱腹板不满足式（4-8a）、式（4-8b）和式（4-12）的强度要求时，可采用下列方法对节点域腹板进行加厚或补强：

1）对焊接H形拼合柱，宜将柱腹板在节点域范围内更换为较厚板件。加厚板件应伸出柱上、下水平加劲肋（即梁上、下翼缘高度处）以上和以下各150mm，并采用对接焊缝将其与上、下柱腹板拼接（图4-12）。

2）对轧制H型钢柱，可采用配置斜向加劲肋或贴焊补强板等方式补强。当节点域板厚不足部分小于腹板厚度时，可采用单面补强板；若大于腹板厚度时，则应采用双面补强板。

3）当采用贴板方式加强节点域时，补强板的上、下边缘，宜分别伸出柱上、下水平加劲肋之外各150mm，并采用不小于5mm的连续角焊缝将其上、下边与柱腹板焊接；其侧边则应采用填充对接焊缝（或角焊缝）与柱翼缘相连接。

当在节点域腹板的垂直方向有竖向连接板时，补强板的板面尚应采用塞焊与柱腹板连成整体（图4-13a），塞焊孔径应不小于16mm，塞焊点之间的水平和竖向距离，均不应大于相连板件中较薄板件厚度的倍，也不应大于200mm。

图4-12 节点域腹板的加厚

4）当补强板限制在框架节点域范围内，即不伸过水平加劲肋时，补强板的周边与柱翼缘和水平加劲肋之间应采用填充对接焊缝或角焊缝，实现围焊连接（图4-13b）。

图4-13 节点域腹板贴焊补强板(www.xing528.com)

a）伸过水平加劲肋 b）节点域范围内

5）当补强板伸出水平加劲肋之外时，加劲肋仅需与补强板焊接，此焊缝应能将加劲肋传来的力传递给补强板，补强板的厚度及其焊缝，应按传递该力的要求设计。

6）当补强板不伸出水平加劲肋时，加劲肋应与柱腹板焊接；补强板与加劲肋之间的角焊缝，应能传递补强板所分担的剪力，且厚度不应小于5mm。

7）当采用斜向加劲肋来提高节点域的受剪承载力时，斜向加劲肋及其连接，应能传递柱腹板所能承担剪力之余的剪力。

3.梁-柱刚性连接的构造要求

（1）连接方式 钢框架的梁与柱的刚性连接宜采用“柱贯通型”节点，根据受力与安装条件，可选用下列连接方式。

1）全焊连接

①钢梁的翼缘和腹板与钢柱的连接全部采用焊缝连接（图4-14a），它通常用于框架节点处悬臂梁段与柱的连接。全焊连接适用于工厂的杆件组装，不宜用于工地的杆件组装。实践经验表明，利用焊于柱上的悬臂梁段进行钢框架的组装，抗震性能较好，但对钢构件制作精度的要求较高，应根据具体情况选用。

②若因抗震设计需要，在现场采用框架梁直接与柱进行全焊连接时，宜采用双片连接板将梁腹板与柱焊接（图4-14b）。

2）全栓连接

①钢梁通过端板与钢柱进行高强度螺栓摩擦型连接，或利用T形连接件与钢柱连接（图4-14c）。

②全栓连接的费用较高，仅在必要时用之。

3）栓焊连接

①钢梁翼缘与柱翼缘或水平加劲肋之间，采用焊缝连接；梁腹板与焊于柱翼缘或腹板上的竖向连接板之间，采用高强度螺栓摩擦型连接（图4-14d）。此梁-柱节点是通过梁翼缘焊缝抗弯、腹板螺栓连接抗剪来实现梁与柱的内力传递。

②施工顺序：先用螺栓将腹板安装定位，然后对翼缘施焊。试验表明，梁翼缘焊接将使腹板螺栓预拉力平均降低10%左右。

③我国钢结构工程中，梁与柱的现场连接多采用此种连接方式。

美国北岭地震和日本阪神地震经验表明，梁与柱全焊连接的受弯承载力和塑性变形能力均优于栓焊连接。采用坡口全熔透焊缝将梁腹板直接焊在柱翼缘上，或通过较厚连接板焊接，使腹板参与抗弯，从而减小梁翼缘焊缝的应力。因此，对高烈度地震区的钢框架，已出现优先考虑全焊连接的趋向。

（2）基本构造要求

1）钢柱在两个互相垂直的方向均与钢梁刚接时，宜采用管形截面（方形或矩形钢管）。当仅在一个方向刚接时，宜采用H形截面，并将柱腹板置于刚接框架平面内。

2）对于焊接H形钢柱和管形钢柱，当梁与柱刚性连接时，柱在梁上、下翼缘以上和以下各500mm的节点区范围内，H形钢柱翼缘与腹板间或管形钢柱壁板间的拼装焊缝，应采用坡口全熔透焊缝。管形钢柱节点区范围内的拼装焊缝见图4-15。

3）管形钢柱或H形钢柱（强轴方向）与钢梁刚性连接时，应符合下列要求：

①钢梁翼缘与钢柱翼缘之间应采用坡口全熔透焊缝。

②钢柱在钢梁上、下翼缘对应位置设置横向（水平）隔板或加劲肋，且其厚度不应小于钢梁翼缘厚度，非抗震设防或按6度设防时，加劲肋厚度可适当减小，但应通过承载力计算确定，且不得小于钢梁翼缘厚度的一半。

图4-14 梁与柱刚性连接方式

a）全焊连接（工厂） b）全焊连接（现场） c）T形件全栓连接d）栓焊连接

图4-15 梁-柱节点区段内箱形柱的壁板拼装焊缝

a）等截面柱 b）变截面柱

③钢管柱的壁板厚度≤16mm时，不宜采用内隔板和电渣焊，宜采用贯通式隔板。

④钢梁腹板宜采用高强度螺栓与柱上连接板进行摩擦型连接。

4）腹板连接板与柱翼缘板的焊接，当连接板厚度不大于16mm时，应采用双面角焊缝，焊缝有效厚度应满足“等强度”要求，且不小于5mm；板厚大于16mm时，应采用K形坡口对接焊缝。该焊缝宜采用气体保护焊，且板端应绕焊。

（3）抗震附加要求

1）焊缝金属冲击韧性

①1994年美国北岭地震时，钢框架的梁与柱的连接部位，由于焊缝金属的冲击韧性低（夏比冲击韧性为10～15J），发生脆性破坏，导致节点失效。

②GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》第8.3.4条规定：结构抗震等级（见第1章表1-2的规定）为一、二级时，对钢梁翼缘与钢柱翼缘间的坡口全熔透焊缝，应检验其V型切口的冲击韧性，其夏比冲击韧性（CVN）在气温为-20℃时不低于27J。

2）腹板连接螺栓

①常用的工字形截面钢梁，当处于弹性阶段时，翼缘和腹板分别承担全截面受弯承载力的85%和15%，如果再考虑现场焊缝强度的折减系数0.9，翼缘焊缝连接的受弯承载力仅是梁全截面受弯承载力的77%。此一情况说明：一、对于梁与柱的栓焊连接，通常采用的“翼缘焊缝抗弯、腹板螺栓抗剪”设计假定不适用于抗震结构；二、腹板螺栓除承受竖向剪力外，还要承受腹板部分弯矩引起的水平剪力，当螺栓不足以承受合成剪力而产生较大变形时，就会使翼缘焊缝中点附近产生超应力而开裂，美国框架震害也证实了这一点。

②抗震规范规定：对钢梁与钢柱的栓焊连接，腹板的连接螺栓除应能承受梁端受弯屈服时的竖向剪力外，当梁翼缘的塑性截面模量小于梁全截面模量的70%时，应考虑腹板参与受弯，梁腹板与柱上连接板的连接螺栓不得少于二列；当计算仅需一列时，仍应布置二列，且此时螺栓总数不得少于计算值的1.5倍。美国另一种做法是，除螺栓连接外，还在连接板的角部用角焊缝与梁腹板连接，以承受腹板分担的弯矩。

（4）细部构造

1）对于钢框架梁与柱的刚性连接，为设置焊接衬板和方便焊接，应在钢梁腹板端头上角作扇形切口，其半径r宜取35mm（图4-16详图A）；扇形切口与钢梁翼缘交接处，应做成半径为10～15mm的圆弧，圆弧起点与衬板外侧之间保持10～15mm的间隔，以减小焊接热影响区的叠加效应。腹板端部下角扇形切口的构造要求见图4-16详图B，使切口具有较大高度，确保钢梁下翼缘焊缝施焊时焊条能顺利穿过，实现不间断施焊。

2）美国北岭地震调查指出，钢梁下翼缘焊缝衬板和引弧板底面与钢柱翼缘相连接处的缝隙，易引发应力集中等缺口效应，此人为缝隙在梁翼缘拉力作用下会向内部扩张，引发脆性破坏。因此，对抗震设防钢框架，下翼缘焊接衬板的底面与柱翼缘相接处，应沿衬板全长用角焊缝补焊封闭，因仰焊施工不便，焊脚尺寸可取6mm（图4-16详图B）。此外，也可将梁下翼缘的焊接衬板和引弧板用气刨割除，并清根后，再用角焊缝补强；但费用较高，且易伤及母材。

图4-16 钢框架梁与柱现场连接的细部构造

（5）新型抗震连接 美国北岭地震时，约150幢钢框架房屋的梁-柱节点产生不同程度的破坏，然而，其破坏状况并未像结构抗震设计所预期的那样，在梁端的柱面处产生塑性铰，而是出现了裂缝。此种由三轴应力引起的切口处的破坏，属于脆性破坏，其节点转动能力仅为0.005rad，是美国规范对梁与柱连接塑性转角θ_p规定值0.03rad的1/6。另一方面，梁端塑性铰若安排在柱面处，将使柱翼缘板在厚度方向产生很大拉应力，也不利于节点塑性变形的发展。

GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》第8.3.4条规定：结构抗震等级（见第1章表1-2的规定）为一、二级时，梁与柱的连接宜采用能将塑性铰自梁端外移的骨形连接、梁端加盖板或梁端扩大型连接。

1）梁端加盖板

①在框架梁端上、下翼缘加焊楔形短盖板，在现场采用坡口全熔透对接焊缝和角焊缝分别与柱翼缘和梁翼缘连接（图4-17），使焊缝截面面积不小于单独翼缘截面面积的γ^w_RE/γ_RE＝0.9/0.75＝1.2倍；盖板的长度宜取0.3h_b且不小于180mm。若钢梁塑性铰的塑性区域长度为0.9h_b，则从柱面到塑性铰中点的距离约为0.75h_b。

②梁的腹板与柱翼缘的连接方式分为两种：

a）高强度螺栓摩擦型连接，连接螺栓应能承受γ^b_RE/γ_RE＝0.85/0.75＝1.13倍由腹板所能承受的最大弯矩设计值M_w和地震作用效应组合剪力设计值V所产生的合成剪力。

b）梁腹板与柱上的双片连接板之间采用角焊缝连接（图4-17剖面3—3），角焊缝应能承受（γ^w_RE/γ_RE）M_w＝1.2M_w和V所产生的合成剪力。

γ^w_RE、γ^b_RE、γ_RE分别为连接焊缝、连接螺栓和钢梁的承载力抗震调整系数。

图4-17 梁端加盖板式连接

2）梁翼缘弧形切面——骨形连接 在传统的框架节点基础上，距离柱面等于或稍大于（b_f/2）处，对梁上、下翼缘的两侧均进行圆弧形切割。以W36×135型号的钢梁为例（图4-18），圆弧半径为1070mm（42in），切面深度为6mm（2.4in），切面长度为71mm（28in）。切割后，梁翼缘的切割面应磨平。足尺试验结果表明，这种弱梁型节点具有良好的耐震性能。

3）梁端扩大型连接 这种节点的基本构造是，在工厂里将一段较宽翼缘短梁焊于柱上，形成带有各层悬臂梁段的树枝状柱，然后，在工地现场再采用栓焊连接或全栓连接将悬臂梁段与梁拼接（图4-19）。短梁（即图4-19中的悬臂梁段）特意做得稍强一些，短梁翼缘可以是变宽度（图4-19a）或等宽度（图4-19b），使梁端塑性铰位置由柱面向外转移。这种梁-柱连接方案在日本得到广泛应用。

另一种做法是，采用梁贯通型节点，即将箱形截面短梁段连续通过节点，然后将上、下层的柱分别焊在短梁段的上、下翼缘。

梁端扩大型连接节点的优点是：①关键性的梁-柱连接焊缝，可以在工厂内制作，质量可以得到较严格的控制；②现场仅有高强度螺栓连接工作，安装费用较低。

这种连接节点的缺点是：①树形柱的运输费用较高；②要求柱翼缘厚板或短梁翼缘厚板（梁贯通型节点）具有良好的Z向（板厚方向）性能。

图4-18 骨形连接

图4-19 梁端扩大型连接

a）变宽翼缘短梁 b）等截面短梁