梁柱节点强连接规定

JGJ99-2015高层民用建筑钢结构技术规程、GB50011-2010(2016年版)建筑抗震设计规范(2016年版)等均对钢结构梁柱连接抗震计算进行了相关规定。

8.2.1 梁与柱的刚性连接应按下列公式验算：

    式中：Mju——梁与柱连接的极限受弯承载力(kN·m)；
          Mp——梁的全塑性受弯承载力(kN·m)(加强型连接按未扩大的原截面计算)，考虑轴力影响时按本规程第8.1.5条的Mpc计算；
          ∑Mp——梁两端截面的塑性受弯承载力之和(kN·m)；
          Vju——梁与柱连接的极限受剪承载力(kN)；
          VGb——梁在重力荷载代表值(9度尚应包括竖向地震作用标准值)作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值(kN)；
          ln——梁的净跨(m)；
          α——连接系数，按本规程表8.1.3的规定采用。

三本规范节点抗震连接系数

1、高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ 99-2015

8.1.3 钢框架抗侧力结构构件的连接系数α应按表8.1.3的规定采用。

表8.1.3 钢构件连接的连接系数α

    注：1 屈服强度高于Q345的钢材，按Q345的规定采用；
        2 屈服强度高于Q345GJ的GJ钢材，按Q345GJ的规定采用；
        3 括号内的数字用于箱形柱和圆管柱；
        4 外露式柱脚是指刚接柱脚，只适用于房屋高度50m以下。

2、建筑抗震设计规范[2016年版] GB 50011-2010

表8.2.8 钢结构抗震设计的连接系数

注：1 屈服强度高于Q345的钢材，按Q345的规定采用；

2 屈服强度高于Q345GJ的GJ钢材，按Q345GJ的规定采用；

3 翼缘焊接腹板栓接时，连接系数分别按表中连接形式采用。  

3、钢结构设计标准 GB 50017-2017

17.2.9  塑性耗能区的连接计算应符合下列规定：

    1  与塑性耗能区连接的极限承载力应大于与其连接构件的屈服承载力。

    2  梁与柱刚性连接的极限承载力应按下列公式验算：

    3  与塑性耗能区的连接及支撑拼接的极限承载力应按下列公式验算：

式中：VGb――梁在重力荷载代表值作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力效应；

    Abr――支撑杆件的截面面积；

    Mju、Vju――分别为连接的极限受弯、受剪承载力；

    Njubr、Mjub,sp――分别为支撑连接和拼接的极限受拉(压)承载力、梁拼接的极限受弯承载力；

     Mpc――考虑轴力影响时柱的塑性受弯承载力；

    ηj――连接系数，可按表17.2.9采用，当梁腹板采用改进型过焊孔时，梁柱刚性连接的连接系数可乘以不小于0.9的折减系数。

表17.2.9  连接系数

    注：1  屈服强度高于Q345的钢材，按Q345的规定采用；

    2  屈服强度高于Q345GJ的GJ钢材，按Q345GJ的规定采用；

    3  翼缘焊接腹板栓接时，连接系数分别按表中连接形式取用。

【设计注意】三本规范均对连接系数有要求，其中梁柱节点钢标和抗规规定基本一致，高钢规在Q345焊接时连接系数偏大。

梁柱节点设计

1、通过公式可以看出，按照抗规、钢标、高钢规对梁柱节点连接进行抗震验算。实际上该验算与实际受力关系不大，验算的是截面尺寸及材料强度。

2、材料强度取值按照《钢结构设计标准》（局部修订条文）表4.4.1条相关规定，对于Q235抗拉极限强度与屈服强度取值fu/fy=370/235（225）=1.574（1.644）、Q355钢材fu/fy=470/355(345)=1.324(1.362)。

梁的全塑性受弯承载力计算公式

钢结构连接节点设计手册 第四版  对于梁截面的全塑性截面受弯承载力给出了计算公式，Mp主要由翼缘及中间腹板抗弯承载力组成。

梁的极限受弯承载力计算公式

1、高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ 99-2015第8.2.4 条给出梁与柱连接的极限受弯承载力应按下列规定计算(图8.2.4)：

    式中：Wwpe——梁腹板有效截面的塑性截面模量(mm3)；
          fyw——梁腹板钢材的屈服强度(N／mm2)；
          hb——梁截面高度(mm)；
          dj——柱上下水平加劲肋(横隔板)内侧之间的距离(mm)；
          bj——箱形柱壁板内侧的宽度或圆管柱内直径(mm)，bj＝bc—2tfc；
          r——圆钢管上下横隔板之间的距离与钢管内径的比值，r＝dj／bj；
          tfc——箱形柱或圆管柱壁板的厚度(mm)；
          fyc——柱钢材屈服强度(N／mm2)；
          fyf、fyw——分别为梁翼缘和梁腹板钢材的屈服强度(N／mm2)；
          tfb、twb——分别为梁翼缘和梁腹板的厚度(mm)；
          fub——为梁翼缘钢材抗拉强度最小值(N／mm2)。

2、GB50011-2001建筑抗震设计规范在8.2.8条文说明中给出：梁极限受弯承载力计算原则弯矩由翼缘承受和剪力由腹板承受的近似方法计算。梁上下翼缘全熔透坡口焊缝的极限受弯承载力Mu，取梁的一个翼缘的截面面积Af、厚度tf、梁截面高度h和构件母材的抗拉强度最小值fu按下式计算：Mu= Af*(h-tf)*fu。但是在新版的建筑抗震设计规范 GB 50011-2010未作说明。

3、本次分析基于最新的高钢规进行，即梁与柱连接的极限受弯承载力由翼缘及腹板（注意腹板按屈服强度）共同组成。 因抗规2010版已经将梁、柱、支撑、栓接还是焊接，γre按强度验算时均取0.75，按稳定验算时均取0.80。本次分析不再考虑调整系数不同对公式的影响。

推导分析过程及结论

1、先分析腹板与翼缘之间的截面模量比值对满足强连接是否满足的影响。

假定腹板的塑性模量与翼缘的塑性模量之比为n（n<1）即腹板Wwp=n* Wfp

Wp=（1+n）*Wfp

Mu≥ηMp

fu*Wfp+fy*Wwp≥η（1+n）*Wfp*fy

fu*Wfp+fy*n* Wfp≥η（1+n）*Wfp*fy

推出腹板的塑性模量与翼缘的塑性模量之比要满足强连接最大限值应满足：

n≤（fu/fy-η）/(η-1)

【结论】通过表1数据结果，对于Q235基本上可以保证强连接，因为常规H梁截面腹板与翼缘截面模量比值基本在0.3-0.4之间,箱形截面腹板与翼缘截面模量比值基本在0.4-0.6之间。Q355原始截面上肯定不能满足强连接。

2、针对原始截面不能满足强连接的情况，分析增加截面宽度最小需要增加多少。

假定截面连接位置仅翼缘宽度进行调整，放大系数为β，Wfp'=β*Wfp

上述推导过程可以变为：

Mu≥ηMp

fu*Wfp*β+fy*Wwp≥η（1+n）*Wfp*fy

fu*Wfp*β+fy*n* Wfp≥η（1+n）*Wfp*fy

推出，为满足强连接翼缘宽度放大系数：

β≥(η+η*n-n)/（fu/fy）

【结论】对于采用Q355钢材主梁，采用翼缘加宽解决强连接问题时，当原始腹板与翼缘截面模量比值在0.3-0.8时，其截面加宽放大系数取值范围在1.1-1.2之间。

 表 1 截面模量限值及截面宽度放大系数限值

钢材	Q235	Q235	Q355	Q355	备注
计算内容	t≤16	16＜t≤40	t≤16	16＜t≤40
连接系数η	1.4	1.4	1.35	1.35
fu/fy	1.574	1.644	1.324	1.362
腹板与翼缘弹模量比值n最大限值	0.43	0.61	-0.07	0.03	原始截面
增大翼缘宽度系数β最小值	0.99	0.95	1.126	1.094	n=0.4 (腹板与翼缘W比值)
增大翼缘宽度系数β最小值	0.96	0.924	1.099	1.068	n=0.3 (腹板与翼缘W比值)
增大翼缘宽度系数β最小值	1.017	0.973	1.152	1.120	n=0.5 (腹板与翼缘W比值)
增大翼缘宽度系数β最小值	1.042	0.997	1.178	1.145	n=0.6 (腹板与翼缘W比值)
增大翼缘宽度系数β最小值	1.067	1.022	1.205	1.171	n=0.7 (腹板与翼缘W比值)
增大翼缘宽度系数β最小值	1.093	1.046	1.231	1.197	n=0.8 (腹板与翼缘W比值)

参考文献 

钢结构连接节点设计手册 第四版 李星荣等著 2019年版

GB50011-2010(2016年版)建筑抗震设计规范(2016年版)

JGJ99-2015高层民用建筑钢结构技术规程

GB50017-2017钢结构设计标准

知识点：梁柱节点

梁柱节点