H型鋼梁與柱的連剛性連接技術(shù)手冊

1、2011年10月11日 15:00先聞公司117次閱讀 共有評論0條 鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點，按其構(gòu)造形式及其力學(xué)特征，可以分為鉸接連接節(jié)點、剛性連接節(jié)點、半剛性連接節(jié)點。從連接形式和連接方法來看，主要是采用焊接連接和高強度螺栓。本文主要介紹常見的H型鋼梁與柱的剛性連接節(jié)點設(shè)計及驗算方法。連接節(jié)點的驗算主要遵循鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計手冊（第二版）、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中的相關(guān)條文及規(guī)定。節(jié)點設(shè)計過程中，應(yīng)盡量采用與母材強度等級相同的鋼板做為連接板。當(dāng)采用焊接連接時，應(yīng)采用與母材強度相適應(yīng)的焊條或焊絲和焊劑。當(dāng)采用高強度螺栓連接時，在同一個連接節(jié)點中，應(yīng)采用同一直徑和同一性能等級的高強度螺栓。當(dāng)構(gòu)件

2、內(nèi)力較大、板件較厚時，在連接節(jié)點設(shè)計中應(yīng)注意連接節(jié)點的合理構(gòu)造，避免采用易于產(chǎn)生過大約束應(yīng)力和層狀撕裂的連接形式和連接方法，使結(jié)構(gòu)具有良好的延性，而且便于加工制造和安裝。連接節(jié)點設(shè)計有非抗震設(shè)計和抗震設(shè)計之分，即按結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài)設(shè)計和考慮結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段設(shè)計。當(dāng)按抗震設(shè)計時，須按設(shè)計手冊及抗震規(guī)范相關(guān)要求進行節(jié)點連接的承載力驗算。剛性連接設(shè)計梁端與柱的剛性連接，通常多采用柱為貫通型的連接形式。梁與柱的剛性連接形式歸納起來，可分為三大類：（1）梁端與柱的連接全部采用焊縫連接。（2）梁翼緣與柱的連接采用焊縫連接，梁腹板與柱連接板的連接采用高強度螺栓摩擦型連接。（3）梁端與柱的連接采用普通T

3、形連接件的高強度螺栓連接。其中最常用的以（1）、（2）為主，其中（2）為直接剛接連接的最主要連接形式，其梁腹板的高強度摩擦型連接一般又分為單剪、雙剪兩種。在梁與柱的剛性連接中，當(dāng)從柱懸伸短梁時，懸伸短梁與柱的連接應(yīng)按梁與柱的連接進行設(shè)計（多為全焊縫連接），而懸伸短梁與中間區(qū)段梁的連接，則應(yīng)按梁與梁的拼接連接進行設(shè)計（多為栓焊剛接）。軟件主要針對腹板高強度螺栓（單剪、雙剪）連接和腹板雙面角焊縫焊接、翼緣坡口熔透對接焊縫焊接這三種情況進行常規(guī)的H形鋼梁剛接節(jié)點設(shè)計及驗算，即下文圖中的第一種、第二種情形。常用剛接節(jié)點連接形式如下：栓焊剛接（單剪、雙剪）全焊剛接（多用于懸伸短梁）全螺栓剛接（用于禁止施

4、焊部位）設(shè)計梁與柱的剛性連接節(jié)點時，應(yīng)滿足以下要求：（1）梁翼緣和腹板與柱的連接，在梁端彎矩和剪力共同作用下，應(yīng)具有足夠的承載力。（2）梁翼緣的內(nèi)力以集中力作用于柱的部分，不能產(chǎn)生局部破壞；因此應(yīng)根據(jù)情況設(shè)置水平加勁肋（對H形截面柱）或水平加勁隔板（對箱形或圓管形截面柱）。當(dāng)不設(shè)置水平加勁肋時，需對柱腹板厚度及梁受拉翼緣處的柱翼緣板厚度進行驗算，驗算通過即可不設(shè)置。詳細(xì)計算過程可參見鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范第7章內(nèi)容。軟件計算過程不包含此處的驗算。（3）連接節(jié)點板域，即由節(jié)點處柱翼緣和水平加勁肋或水平加勁隔板所包圍的板的部分，在節(jié)點彎矩作用和剪力共同作用下，應(yīng)具有足夠的承載力和變形能力。此處計算內(nèi)容包含

5、板域的抗剪強度驗算、柱腹板厚度構(gòu)造要求等，當(dāng)計算滿足時可不進行節(jié)點板域補強，當(dāng)計算不滿足時需對柱腹板補強，補強的相關(guān)構(gòu)造措施詳見鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范第7章內(nèi)容。當(dāng)用戶節(jié)點設(shè)計時，采用直接設(shè)置水平加勁肋，橫向水平加勁肋的相關(guān)構(gòu)造要求需按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范第7章相關(guān)條款要求。軟件計算過程不包含此處的驗算。（4）抗震設(shè)計的結(jié)構(gòu)或按塑性設(shè)計的結(jié)構(gòu)，采用焊縫或高強度螺栓連接的梁柱連接節(jié)點，應(yīng)保證梁或柱的端部在形成塑性鉸時具有充分的轉(zhuǎn)動能力。梁與柱的剛性連接，其設(shè)計計算方法有：（1）常用設(shè)計法。（2）精確計算法。常用設(shè)計法在梁與柱（強軸）剛性連接的常用設(shè)計法中，考慮梁端內(nèi)力向柱傳遞時，原則上梁端彎矩全部由梁翼緣承擔(dān)

6、，梁端剪力全部由梁腹板承擔(dān)；同時梁腹板與柱的連接，除對梁端剪力進行計算外，尚應(yīng)以腹板凈截面面積的抗剪承載力設(shè)計值的1/2或梁的左右兩端作用彎矩的和除以梁凈跨長度所得到的剪力來確定。通常情況下，梁翼緣與柱的連接多采用設(shè)有引弧板的完全焊透的坡口對接焊縫連接，梁腹板與柱的連接可采用雙面角焊縫連接，或高強度螺栓摩擦型連接，其連接可按以下要求確定。（1）梁翼緣與柱相連的完全焊透的坡口對接焊縫的強度，當(dāng)采用引弧板施焊時：參數(shù)說明：為梁端的彎矩；為梁的計算高度，即梁上翼緣板中心線至下翼緣板中心線間的距離；為所計算的梁翼緣板的寬度；為所計算的梁翼緣板的厚度；為對接焊縫的抗拉強度設(shè)計值，根據(jù)計算點處鋼板材質(zhì)、厚

7、度、焊縫等級不同而取不同數(shù)值；為對接焊縫的抗壓強度設(shè)計值，根據(jù)計算點處鋼板材質(zhì)、厚度不同而取不同數(shù)值。由上述計算公式可知，在常用設(shè)計法下，梁端彎矩以力偶形式（公式是以彎矩與計算高度比值計算）作用于上下翼緣，對上下翼緣對接焊縫一條為壓力作用，另一條為拉力作用，所以式中需采用對接焊縫抗拉和抗壓強度設(shè)計值來對應(yīng)受力位置來進行驗算。計算時，需根據(jù)彎矩方向，正確判斷其上下翼緣受力形式（拉或壓）并據(jù)此對應(yīng)焊縫設(shè)計值來進行判斷。這里需要注意的是，當(dāng)鋼梁上下翼緣寬度或厚度不等時，用戶需根據(jù)實際情況對上下翼緣分別進行計算。工字形鋼梁剛接節(jié)點，一般翼緣位置的現(xiàn)場對接焊縫等級為二級，工廠對接焊縫等級為一級，引弧板尺

8、寸需長出翼緣板邊緣不小于2倍的翼緣厚度。（2）梁腹板或連接板與柱相連的雙面角焊縫的焊腳尺寸為：取三個公式計算結(jié)果的較大值參數(shù)說明：為梁端的剪力；為角焊縫計算長度，對每條角焊縫取其實際長度減去，當(dāng)未知時，一般近似可取10mm進行計算，之后再利用重新驗算；為梁腹板在連接處的凈截面面積。當(dāng)腹板直接與柱焊接時，取連接位置腹板高度（去除腹板倒角高度）與厚度的乘積；當(dāng)計算連接板焊縫時，取螺栓連接位置處腹板凈截面面積（去除螺栓孔徑）；為腹板抗剪強度設(shè)計值，根據(jù)計算點處鋼板材質(zhì)、厚度不同而取不同數(shù)值，按下文表格中數(shù)值采用；、為梁左右兩端的彎矩值；為梁的凈跨長度。一般可取為梁兩端所連接的柱內(nèi)緣間的凈長度；為角焊

9、縫抗拉、抗壓和抗剪強度設(shè)計值，可按上文中的圖表選用（主要是根據(jù)材質(zhì)的不同而變化）。（3）梁腹板與連接板采用摩擦型高強度螺栓連接時，所需的高強多螺栓數(shù)目為：取三個公式計算結(jié)果的較大值參數(shù)說明：為梁端的剪力；為梁腹板在連接處的凈截面面積。取螺栓連接位置處腹板截面面積去除該截面所在位置處的螺栓孔所占面積；為腹板抗剪強度設(shè)計值，根據(jù)計算點處鋼板材質(zhì)、厚度不同而取不同數(shù)值，按上文表格中數(shù)值采用；、為梁左右兩端的彎矩值；為梁的凈跨長度。一般可取為梁兩端所連接的柱內(nèi)緣間的凈長度；為一個摩擦型高強度螺栓的抗剪承載力設(shè)計值。高強度螺栓摩擦型連接中，每個高強度螺栓的承載力設(shè)計值按下式計算：參數(shù)說明：為傳力摩擦面數(shù)

10、目（單剪時為1，雙剪時為2）；為摩擦面的抗滑移系數(shù)，按下文中表格采用；為一個高強度螺栓的預(yù)拉力，按下文中表格采用。（4）連接板的厚度可按下列公式計算：單剪：mm且不宜小于8mm雙剪：mm且不宜小于6mm參數(shù)說明：為梁腹板的高度；為連接板的（垂直方向）長度；為梁腹板的厚度。精確計算法梁與柱（強軸）剛性連接的精確計算法，是以梁翼緣和腹板各自的截面慣性矩分擔(dān)作用于梁端的彎矩，以梁翼緣承擔(dān)彎矩，并以腹板同時承擔(dān)彎矩和梁端全部剪力進行連接設(shè)計的。（1）當(dāng)梁翼緣與柱的連接采用完全焊透的坡口對接焊縫連接、而梁腹板與柱的連接采用雙面角焊縫連接時，其連接可按以下要求確定。由于對接焊縫與角焊縫的抗拉強度設(shè)計值不同

11、，計算焊縫的強度時，可先將翼緣的對接焊縫面積（）換算為等效的角焊縫面積（）。令焊縫的有效厚度不變，翼緣對接焊縫長度即可按下式換算為等效的角焊縫長度。參數(shù)說明：為梁翼緣的寬度（即對接焊縫的有效長度）；為對接焊縫的抗拉強度設(shè)計值；為角焊縫的抗拉強度設(shè)計值。梁翼緣等效角焊縫的強度可按下列公式計算強度：參數(shù)說明：為梁翼緣等效角焊縫的截面慣性矩；為等效角焊縫的全截面慣性矩，可按下式計算：為梁腹板角焊縫的截面慣性矩；為梁翼緣等效角焊縫的截面模量，可按下式計算：為翼緣焊縫外邊緣至焊縫中和軸的距離；為角焊縫的抗拉強度設(shè)計值；為正面角焊縫的強度設(shè)計值增大系數(shù)：對承受靜力荷載和間接承受動力荷載的直角角焊縫，??；對

12、直接承受動力荷載的直角角焊縫，??；對斜角角焊縫，不論承受靜力荷載或動力荷載，均取。梁腹板角焊縫的強度可按下列公式計算（此處也可同理計算腹板為高強度螺栓摩擦型連接時的連接板焊縫計算）：參數(shù)說明：為等效角焊縫的全截面慣性矩，可按下式計算：為梁腹板角焊縫的截面慣性矩；為梁翼緣等效角焊縫的截面慣性矩；為梁腹板角焊縫的截面模量，可按下式計算：為腹板角焊縫外邊緣至焊縫中和軸的距離；為角焊縫計算長度，對每條角焊縫取其實際長度減去；為角焊縫的焊腳尺寸；為角焊縫的抗拉強度設(shè)計值；為正面角焊縫的強度設(shè)計值增大系數(shù)：對承受靜力荷載和間接承受動力荷載的直角角焊縫，??；對直接承受動力荷載的直角角焊縫，??；對斜角角焊縫，

13、不論承受靜力荷載或動力荷載，均取。（2）梁翼緣和腹板與柱的連接，全部采用雙面角焊縫（即沿梁端全周采用角焊縫與柱連接），通常是用于梁端作用內(nèi)力較小的場合，此時其連接可按以下要求確定。梁翼緣與柱連接的角焊縫的強度，可按下列公式計算：參數(shù)說明：為梁翼緣角焊縫的截面慣性矩；為角焊縫的全截面慣性矩；為梁翼緣角焊縫的截面模量；為角焊縫的抗拉強度設(shè)計值；為正面角焊縫的強度設(shè)計值增大系數(shù)：對承受靜力荷載和間接承受動力荷載的直角角焊縫，??；對直接承受動力荷載的直角角焊縫，??；對斜角角焊縫，不論承受靜力荷載或動力荷載，均取。梁腹板角焊縫的強度可按下列公式計算（此處也可同理計算腹板為高強度螺栓摩擦型連接時的連接板焊

14、縫計算）：參數(shù)說明：為梁腹板角焊縫的截面慣性矩；為角焊縫的全截面慣性矩；為梁腹板角焊縫的截面模量；為腹板角焊縫計算長度。當(dāng)腹板的角焊縫是單獨施焊時，對每條角焊縫取其實際長度減去；當(dāng)腹板和翼緣的角焊縫是連續(xù)施焊時，對腹板角焊縫計算長度可取其實際長度；為角焊縫的焊腳尺寸；為角焊縫的抗拉強度設(shè)計值；為正面角焊縫的強度設(shè)計值增大系數(shù)：對承受靜力荷載和間接承受動力荷載的直角角焊縫，??；對直接承受動力荷載的直角角焊縫，??；剛接節(jié)點抗震設(shè)計當(dāng)非抗震設(shè)防時，應(yīng)按結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段設(shè)計；當(dāng)抗震設(shè)防時，應(yīng)按結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段設(shè)計，節(jié)點連接的承載力應(yīng)高于構(gòu)件截面的承載力。按抗震設(shè)計的高層鋼結(jié)構(gòu)框架，在強震作用下，

15、塑性區(qū)一般將出現(xiàn)在距梁端或柱端1/10跨長或2倍截面高度的范圍內(nèi)。為使梁或柱的塑性區(qū)具有充分的轉(zhuǎn)動能力，設(shè)計連接節(jié)點時，需校核的主要項目有：（1）連接節(jié)點的最大承載力；（2）梁、柱塑性區(qū)的局部穩(wěn)定；（3）與柱連接的受彎梁的側(cè)向支承點的距離。另外，設(shè)置在梁或柱翼緣作用力方向上的高強度螺栓的數(shù)目不應(yīng)小于3個，且螺栓孔等對梁或柱全截面的削弱率不應(yīng)大于25%。按抗震設(shè)計的高層鋼結(jié)構(gòu)，其連接節(jié)點的最大承載力，可分別按以下要求確定，同時應(yīng)滿足相關(guān)要求。（1）焊縫的極限承載力應(yīng)按下列公式計算：對接焊縫受拉 角焊縫受剪 參數(shù)說明：為焊縫的有效受力面積；為構(gòu)件母材的抗拉強度最小值，對Q235鋼；對Q345鋼；對

16、Q390鋼；對Q420鋼。（2）高強度螺栓連接的極限受剪承載力，應(yīng)取下列二式計算的較小者：考慮到螺栓連接中部分螺栓的破壞出現(xiàn)在螺栓桿而不是螺紋處，使螺栓連接的最大抗剪承載力在整體上有所提高，所以式中0.58可用0.75代替。軟件計算過程中，考慮到計算的普遍性及安全性，仍采用0.58計算。參數(shù)說明：、分別為一個高強度螺栓的極限受剪承載力和對應(yīng)的板件極限承壓力；為螺栓連接的剪切面數(shù)量；為螺栓螺紋處的有效截面面積；為螺栓鋼材的抗拉強度最小值；對10.9級高強螺栓 ；對8.8級高強螺栓 為螺栓桿直徑；為同一受力方向的鋼板厚度之和；為螺栓連接板的極限承壓強度，取。螺栓螺紋處的有效截面面積（3）有螺栓孔等

17、削弱的桿件最大承載力，可按下列公式計算：對剪力 參數(shù)說明：為扣除螺栓孔等以后的凈截面面積；為構(gòu)件母材的抗拉強度最小值。按抗震設(shè)計的高層鋼結(jié)構(gòu)，其連接節(jié)點的最大承載力，應(yīng)分別滿足以下的要求。梁與柱連接彈性設(shè)計時，梁上下翼緣的端截面應(yīng)滿足連接的彈性設(shè)計要求，梁腹板應(yīng)計入剪力和彎矩。梁與柱連接的極限受彎、受剪承載力，應(yīng)符合下列要求：且 參數(shù)說明：為梁上下翼緣全熔透坡口焊縫的極限受彎承載力；梁端截面的抗彎最大承載力：梁翼緣為焊透的對接焊縫，腹板為雙面角焊縫的抗彎最大承載力：梁翼緣為焊透的對接焊縫，腹板為高強度螺栓摩擦型連接的抗彎最大承載力：為一個翼緣的截面面積；為梁截面高度；為梁翼緣厚度；為計算位置處

18、梁腹板的有效截面面積；為計算位置處梁腹板的有效截面高度；為腹板螺栓群中各螺栓至螺栓群中心的距離；為構(gòu)件母材的抗拉強度最小值；為梁腹板連接的極限受剪承載力；垂直于角焊縫受剪時，可提高1.22倍；角焊縫抗剪時： 梁腹板抗剪時： 連接板抗剪時： 高強螺栓抗剪時：為角焊縫條數(shù)；為斷面計算處的一列螺栓的數(shù)目；為連接節(jié)點中螺栓總數(shù)目；為角焊縫焊腳尺寸；為腹板角焊縫計算長度。當(dāng)腹板的角焊縫是單獨施焊時，對每條角焊縫取其實際長度減去；為螺栓孔直徑；為連接板高度；為連接板總厚度；為梁（梁貫通時為柱）的全塑性受彎承載力；為梁的凈跨（梁貫通時取該樓層柱的凈高）；、為梁計算位置處的腹板高度和厚度；為抗拉強度最小值；為鋼材屈服強度。為使承受彎矩的梁或柱塑性區(qū)不產(chǎn)生局部失穩(wěn)，塑性區(qū)范圍內(nèi)梁或柱板件的寬厚比，可參考下表確定。為使梁端塑性區(qū)能具有足夠的轉(zhuǎn)動能力，并確保梁在形成塑性鉸以前不致發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)，在梁端塑性區(qū)附近界面處（通常是在距梁端1/10梁跨長附近）應(yīng)設(shè)置梁的側(cè)向支承桿。梁、柱等構(gòu)件的全塑性彎矩，可分別按以下情況確定。無軸心力作用時，構(gòu)件的全塑性彎矩為：參數(shù)說明：為構(gòu)件截面的塑性模量，可按下列公式計算：H形截面主軸方向：梁柱連接構(gòu)造非抗震設(shè)防的梁柱剛性連接工字柱、十字柱與工字梁的連接可采用梁端非加強式連接。此時梁翼緣連接可視為與翼緣等強。腹板與柱的連接可按腹板承受的彎矩和剪力進行設(shè)計。箱型柱與工字梁的