钢框架梁柱栓焊混合连接计算方法的探讨

作者:黄永强 朱晶
单位:华东建筑设计研究总院 上海超高层建筑设计工程技术研究中心
摘要:翼缘焊接腹板栓接的梁柱栓焊混合刚性节点是钢框架梁柱现场连接的主要形式之一,该节点需满足“强节点”的设计原则。传统的栓焊混合节点计算仅考虑翼缘抗弯和腹板抗剪,《高层民用建筑钢结构设计规范》(JGJ 99—2015)借鉴日本规范,给出了钢梁腹板承担梁端弯矩的计算方法。基于常用的热轧型钢截面,对比了考虑翼缘与腹板均参与抗弯的栓焊节点新算法与仅考虑翼缘抗弯的传统算法之间的差别。结果表明:腹板对梁柱节点的极限抗弯承载力提高有限,腹板抗弯承载力占梁柱连接的极限抗弯承载力的比值为8%~14%;对常用HN型钢,即便考虑腹板抗弯,仍然无法满足《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—2015)公式(8.2.1-1)Mju≥αMp,还需要采用加强型连接或狗骨式节点。由于腹板螺栓的抗弯中心距明显小于翼缘的抗弯中心距,用腹板螺栓抗弯不太经济。腹板配置受弯螺栓数量远超抗剪所需螺栓,并造成连接板尺寸过大,相比单纯加强翼缘反而更浪费材料。梁柱节点需进行小震弹性和极限承载力的两阶段设计,实际工程案例表明,跨高比较大的钢梁腹板螺栓一般由弹性设计控制,跨高比较小时由极限承载力控制。
关键词:梁柱刚性节点;栓焊混合连接;翼缘抗弯;腹板抗剪;加强式连接;狗骨式节点
作者简介:黄永强,硕士,高级工程师,Email:hyq@ecadi.com;朱晶,硕士,工程师,Email:zj21158@ecadi.com。
基金: -页码-:66-72

0 引言

   20世纪80年代以来,美国在高层建筑钢结构中推广翼缘焊接腹板栓接的梁端混合连接 [1],多用于钢框架梁柱节点的现场连接。梁端栓焊混合连接形式在我国的钢结构项目中也广泛应用,《高层民用建筑钢结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》中均给出了该类节点的设计依据。但我国规范对于梁柱连接的计算原则经历了几次比较重大的调整,如表1所示,表中各参数含义参见各规范。

   表1中除《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—2015) [2](简称15高钢规)外,《高层民用建筑结构技术规程》(JGJ 99—98)(简称98高钢规)、《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001)(简称01抗规)、《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(简称10抗规)均认为弯矩可仅由翼缘承受,钢梁腹板仅承受剪力。当不满足“强连接弱构件”时,需采取梁端加强措施或狗骨式连接。

   我国规范对于梁柱连接的计算原则调整 表1


规范版本
强连接弱构件 强剪弱弯

98高钢规
Mu≥1.2Mp Vu≥1.3(2Mp/l)

01抗规
Mu≥1.2Mp
Vu≥1.3(2Mp/l)

Vu≥0.58hwtwfay

10抗规
MjuηjMp Vju≥1.2(∑Mp/ln)+VGb

15高钢规
Mju≥αMp Vju≥α(∑Mp/ln)+VGb

 

    

   15高钢规借鉴日本规范,认为钢框架梁柱连接中,弯矩除由翼缘承受外,还可由腹板承受,并给出了钢梁腹板承担梁端弯矩及腹板配置抗弯螺栓的计算方法。

   本文选用工程中常用的梁柱截面形式,钢梁采用热轧H型钢,对15高钢规中的梁柱刚接计算方法及98高钢规方法进行了试算比较,最后通过实例提出了腹板螺栓配置的建议。

1 梁柱节点的极限承载力设计

1.1 15高钢规的规定

   梁柱刚性连接的极限抗弯承载力Mju应满足“强节点弱构件”的抗震要求:

   MjuαMp(1)Μuj≥αΜp         (1)

   式中:Mp为梁的全塑性受弯承载力,加强型连接按未扩大的原截面计算;α为与母材牌号有关的连接系数。

   梁端连接的极限受弯承载力Mju可表示为梁翼缘连接的极限受弯承载力Mjuf与梁腹板连接的极限受弯承载力Mjuw之和:

   Mju=Mjuf+Mjuw(2)Μuj=Μufj+Μuwj         (2)

   梁翼缘连接的极限受弯承载力:

   Mjuf=Af(hbtfb)fub(3)Μufj=Af(hb-tfb)fub         (3)

   梁腹板连接的极限受弯承载力:

   Mjuw=m4(hb2tfb2Sr)2twbfyw(4)Μuwj=m4(hb-2tfb-2Sr)2twbfyw         (4)

   式中:Af为梁翼缘面积;hb为梁截面高度;tfb为梁翼缘厚度;fub为梁翼缘钢材抗拉强度最小值;Sr为剪力板与梁翼缘间隙的距离,如图1所示;m为受弯承载力系数,对于H形柱(绕强轴),m=1;twb为梁腹板厚度;fyw为梁腹板钢材的屈服强度。Mjuw可简化为:

   Mjuw=14h2stwbfyw(5)Μuwj=14hs2twbfyw         (5)

   式中hs为剪力板高度。

   15高钢规中第8.2.3条条文说明中又补充说明01抗规给出的方法仍可用。01抗规指出当梁翼缘的塑性截面模量小于梁全截面塑性截面模量的70%时,梁腹板与柱的连接螺栓不得少于2列,当计算仅需1列时,仍应布置2列,且此时螺栓总数不得少于计算值的1.5倍。

图1 梁柱刚性节点

   图1 梁柱刚性节点   

    

1.2 考虑腹板抗弯的贡献(15高钢规)

1.2.1 “强连接弱构件”的计算

   选取《热轧H型钢和部分T型钢》(GB/T 11263—2017) [3]中常用的H型钢梁作为框架梁,框架梁材性分为Q345B和Q345GJB,框架柱为H形柱,按照计算公式(1)~(5)对梁柱连接的极限抗弯承载力进行计算,结果见表2,3,其中bs为梁翼缘一侧补强板宽度。从表2,3可以看出,对常用HN型钢梁,腹板对梁柱节点的极限抗弯承载力提高有限。腹板极限抗弯承载力Mjuw与梁柱连接所需的极限抗弯承载力αMp的比值为8%~14%,即使考虑腹板抗弯,即使对于连接系数α较小的Q345GJB,也无法满足15高钢规中的公式(8.2.1-1)MjuαMp。表3中ΔMjufufj=αMp-(Mjuw+Mjuf)为所需的极限抗弯承载力增加值,本文采用梁翼缘局部加宽的方式来满足,见图2。

图2 梁翼缘局部加宽式连接

   图2 梁翼缘局部加宽式连接   

    

   梁柱节点极限抗弯承载力(Q345B, fu=470MPa, α=1.35) 表2

型钢截面 hs/mm Mp
/(kN·m)
αMp
/(kN·m)
Mjuf
/(kN·m)
Mjuw
/(kN·m)
Mjuw/αMp Mjuw+Mjuf
/(kN·m)
ΔMjuf
/(kN·m)
bs
/mm

HN400×200×8×13
270 453 611 473 50 8% 523 88 19

HN500×200×10×16
350 735 992 728 106 11% 834 158 22

HN600×200×11×17
430 973 1 313 932 175 13% 1 107 206 22

HN700×300×13×24
510 2 123 2 867 2 288 292 10% 2 579 287 19

HN800×300×14×26
590 2 713 3 663 2 837 420 11% 3 258 405 21

 

    

   梁柱节点极限抗弯承载力(Q345GJB,fu=490MPa,α=1.25)表3 

型钢截面 hs/mm Mp
/(kN·m)
αMp
/(kN·m)
Mjuf
/(kN·m)
Mjuw
/(kN·m)
Mjuw/αMp Mjuw+Mjuf
/(kN·m)
ΔMjuf
/(kN·m)
bs
/mm

HN400×200×8×13
270 453 566 493 50 9% 543 23 5

HN500×200×10×16
350 735 919 759 106 12% 865 54 7

HN600×200×11×17
430 1 002 1 252 971 175 14% 1 147 106 11

HN700×300×13×24
510 2 187 2 733 2 385 292 11% 2 677 57 4

HN800×300×14×26
590 2 794 3 492 2 958 420 12% 3 379 114 6

 

    

1.2.2 “强剪弱弯”的计算

   梁柱刚性连接的极限抗剪承载力Vju应满足“强节点弱构件”的抗震要求:

   Vjuα(Mp/ln)+VGb(6)Vuj≥α(∑Μp/ln)+VGb         (6)

   式中:ln为梁净跨;VGb为梁在重力荷载代表值下,按简支梁分析的梁端剪力设计值。

   考虑了梁腹板的抗弯作用后,腹板承受弯矩区和承受剪力区的螺栓数应按弯矩在受弯区引起的水平力和剪力作用在受剪区分别进行计算,计算时应考虑连接的不同破坏模式取较小值,如图3所示。

(1)腹板抗剪螺栓

   计算时钢梁跨度ln取15倍钢梁高度。假定钢框架在两个方向的跨度相同,板厚取120mm(自重3.0kN/m2)、附加恒荷载SD=2.0kN/m2,活荷载L=4.0kN/m2,则VGb可近似按下式进行计算:

   VGb=0.6ln(gb+7ln)(7)VGb=0.6ln(gb+7ln)         (7)

   式中gb为钢梁自重,kN/m。

   腹板受剪区的极限抗剪承载力Vju应满足:

   Vjun2min(Nbvu,Nbcu1)(8)Vuj≤n2min(Νvub,Νcu1b)         (8)

   式中:Nbvu,Nbcu1分别为单个高强螺栓的极限受剪承载力、板件的极限承压承载力;n2为承受剪力区需要的螺栓数。

(2)腹板抗弯螺栓

   受弯区螺栓应满足:

   αVjumNbu=min{n1Nbvu,n1Nbcu1,Nbcu2,Nbcu3,Nbcu4}(9)Vjum=Mjuw/e(10)αVumj≤Νub=min{n1Νvub,n1Νcu1b,Νcu2b,Νcu3b,Νcu4b}         (9)Vumj=Μuwj/e         (10)

   式中:Nbuub为螺栓连接的极限承载力;n1为承受弯矩区(一侧)需要的螺栓数;Vjum为弯矩Mjuw引起的承受弯矩区的水平剪力;e为受弯螺栓群的力臂,见图3;Nbcu2,Nbcu3,Nbcu4分别为板件板边拉脱、沿螺栓中心线整列挤穿、中部拉脱的极限受剪承载力,见图4(详见15高钢规附录F.1.4的规定)。

图3 考虑梁腹板抗弯的螺栓配置

   图3 考虑梁腹板抗弯的螺栓配置   

    

图4 连接板破坏模式

   图4 连接板破坏模式  

    

   为提高腹板螺栓的抗弯效率,加大抗弯中心距,仅采用顶底各一排螺栓抗弯。通过式(8)~(10)可以分别求出腹板受弯区螺栓数n1和受剪区螺栓数n2。典型H型钢梁的腹板螺栓配置如表4所示,其中Vwy为框架梁腹板抗剪屈服强度。从表4可以看出,采用15高钢规中新的梁柱节点计算方法,腹板受弯区需配置的螺栓数是抗剪螺栓的2倍以上,同时会造成连接板宽度过大。表4中α1α2分别为:

   α1=min(n1Nbvu,n1Nbcu1)e/Mjuw(11)α2=min(Nbcu2,Nbcu3,Nbcu4)e/Mjuw(12)α1=min(n1Νvub,n1Νcu1b)e/Μuwj         (11)α2=min(Νcu2b,Νcu3b,Νcu4b)e/Μuwj         (12)

   由表4可以看出,受弯区螺栓数由螺栓受剪和板件承压破坏控制,连接板的撕裂和挤穿破坏一般不会发生。表4中带*的抗弯螺栓数为参考日本《钢构造接合部设计指针》(2012版) [4]第156页的算例,不考虑15高钢规中式(9)中的连接系数α的计算结果。相比15高钢规,日本《钢构造接合部设计指针》(2012版)计算方法能使得受弯区螺栓减少一列。

   典型H型钢梁腹板螺栓配置(Q345B,10.9s高强螺栓,M24) 表4

型钢截面 Mjuw
/(kN·m)
Vju
/kN
Vju/Vwy Nbvu/kN Nbcu1/kN 一侧受弯
螺栓数n1
受剪螺栓数n2 螺栓总数 α1 α2
HN400×200×8×13 50 357 0.68 212 135
4
3
11
1.72 2.85

3*

9
1.29 2.25

HN500×200×10×16
106 505 0.62 212 169
4
3
11
1.54 2.44

3*

9
1.15 1.93

HN600×200×11×17
175 637 0.58 212 186
4
4
12
1.36 2.12

3*

10
1.02 1.68

HN700×300×13×24
292 1 040 0.70 212 220
5
5
15
1.46 2.23

4*

13
1.17 1.84

HN800×300×14×26
420 1 252 0.68 212 237
6
6
18
1.46 2.32

5*

16
1.21 1.98

 

    

   15高钢规在验算抗弯螺栓时重复考虑了连接系数α,使得螺栓数量增加较多,这也是表中的α1远大于1.0的原因。

1.3 不考虑腹板抗弯的贡献(98高钢规)

1.3.1 加强翼缘式连接

   梁柱连接的极限抗弯承载力仅由翼缘连接承担,腹板仅配置受剪螺栓。通过局部加宽翼缘的方法来满足MjuαMp。表5为采用翼缘抗弯腹板抗剪的传统方法进行设计的梁柱刚接节点,其中WpfWjpf分别为框架梁翼缘加强前后翼缘的塑性截面模量,WpWjp分别为框架梁翼缘加强前后梁截面的塑性截面模量。通过加强翼缘的方式使节点满足MjuαMp,翼缘增加宽度相比15高钢规考虑腹板抗弯的计算方法有所增加,但不考虑腹板抗弯的贡献,可大大简化节点的设计,腹板螺栓数减少了2/3。翼缘加强后,翼缘的塑性截面模量Wjpf均大于梁截面塑性抗弯模量的0.7倍,按照美国规范的规定,此时梁翼缘有足够的抗弯能力,可以不考虑腹板的抗弯作用。表5中给出了两种腹板受剪螺栓数,其中极限承载力一列为按照式(8)计算得到,承压型一列为按照下式进行计算得到:

   Vjun2min(nvπd24fbv,dtfbc)(13)Vuj≤n2min(nvπd24f vb,d∑tf cb)         (13)

   式中:nv为受剪面数目;d为螺杆直径;fbvfbc分别为螺栓的抗剪和承压强度设计值;∑t为在不同受力方向中一个受力方向承压构件总厚度的较小值。

1.3.2 狗骨式连接节点

   按照15高钢规相关规定,一、二级抗震设计时,梁柱刚接节点宜采用加强型连接或狗骨式连接。狗骨式连接通过削弱梁截面使梁端塑性铰外移,其构造如图5所示。

图5 狗骨式连接

   图5 狗骨式连接  

    

   不考虑腹板的抗弯作用,根据MjuαMp可以确定梁截面削弱的尺寸c,此时腹板螺栓仅配置受剪螺栓。用狗骨式连接的节点计算及腹板螺栓配置见表6。

   对比表6与表5数据可知,Mp削弱后,狗骨式连接节点的极限抗剪承载力Vju也会降低,腹板抗剪螺栓相比1.3.1节梁翼缘局部加宽式连接可进一步减小。但采用狗骨式连接节点,需复核弹性设计时削弱截面处的强度,且分析时需考虑狗骨式连接节点对抗侧刚度的削弱,设计工作会相对复杂。

   加强翼缘式节点设计(fu=470MPa,α=1.35,10.9s高强螺栓,M24)表5 

型钢截面 Mp
/(kN·m)
αMp
/(kN·m)
Mjuf
/(kN·m)

WpfWpWpfWp

ΔMjuf
/(kN·m)
bs
/mm

WjpfWpWpfjWp

Vju
/kN

受剪螺栓数

WjpfWjpWpfjWpj


极限承载力
设计控制
承压型
HN400×200×8×13 453 611 473 0.77 137 30 1.00 357 3 4 0.81

HN500×200×10×16
735 992 728 0.73 264 37 1.00 505 3 5 0.78

HN600×200×11×17
973 1 313 932 0.68 382 41 0.96 637 4 6 0.74

HN700×300×13×24
2 123 2 867 2 288 0.77 579 38 0.96 1 040 5 10 0.80

HN800×300×14×26
2 713 3 663 2 837 0.75 825 44 0.96 1 252 6 12 0.78

 

    

   狗骨式连接节点设计(fu=470MPa,α=1.35,10.9s高强螺栓,M22)表6 


型钢截面
Mju=Mjuf
/(kN·m)
c
/mm
Mp
/(kN·m)

MjuMpΜujΜp

WpfWpWpfWp

WpfWpRBSWpfWpRBS

Vju
/kN

受剪螺栓数

极限承载力
设计控制
承压型

HN400×200×8×13
473 26 350 1.35 0.77 0.96 311 3 4

HN500×200×10×16
728 26 539 1.35 0.73 0.90 434 3 5

HN600×200×11×17
932 26 690 1.35 0.68 0.83 553 4 6

HN700×300×13×24
2 288 39 1 695 1.35 0.77 0.96 926 5 10

HN800×300×14×26
2 837 39 2 102 1.35 0.75 0.92 1 110 6 12

 

   注:WpRBS为狗骨式截面中心处的塑性截面模量。

    

2 梁柱节点腹板螺栓的弹性设计

   无论是梁翼缘局部加强式连接或狗骨式连接,不考虑腹板抗弯作用的情况下,按照极限承载力设计配置的腹板螺栓均较少。框架梁腹板螺栓除应满足“强节点弱构件”的极限承载力设计要求外,还应同时满足持久设计状况(重力荷载组合)、短暂设计状况(风荷载组合)及多遇地震设计状况下的抗剪承载力验算。

   弹性状态下单个腹板螺栓的抗剪承载力应按照摩擦型螺栓的抗剪承载力Nbvvb计算 [5]:

   Nbv=0.9knfμP(14)Νvb=0.9knfμΡ         (14)

   式中:k为孔型系数;nf为摩擦面数目;μ为摩擦面的抗滑移系数;P为一个高强螺栓的预拉力设计值。

   本节采用翼缘抗弯、腹板抗剪的框架梁柱节点算法对两个实际工程中的框架梁进行腹板螺栓的配置。工程1,2的典型结构平面布置图及截面信息如图6,7所示。

图6 工程1典型结构平面布置图

   图6 工程1典型结构平面布置图  

    

图7 工程2典型结构平面布置图

   图7 工程2典型结构平面布置图  

    

   框架梁截面信息 表7

工程编号 截面编号 螺栓规格 跨度/m 平均跨高
L/hb
框架梁总数
/根

Ne/根
Np/根
腹板抗剪螺栓数

竖向荷载
作用
风荷载
作用
小震
作用

弹性设计
极限承载力
设计控制

1
FB5 M24 1.91~7.05 7.4 85 1 7 77 6 7

FB7
M27 12.2~16.2 19.4 24 24 6 4

FB7A
M27 12.2~16.2 19.4 24 24 4 3

FB9
M27 12.2~16.2 15.1 8 3 5 10 6

2
FB4B M24 6.9~9.8 21.7 60 47 13 3 3

FB5A
M24 5.6~8.5 13.0 222 6 216 4 4

FB7A
M27 12.6~14.0 17.8 16 16 7 4

FB8
M27 5.6~9.8 10.2 65 3 62 6 6

 

    

   从计算模型中可以提取出每一根框架梁在重力荷载组合、风荷载组合、多遇地震荷载组合下的内力、梁的计算跨度、梁在重力荷载代表值作用下的梁端剪力设计值VGb,根据第1.3.1节相关内容,可以得到每一根框架梁在不同工况下所需配置的腹板螺栓数,如表7所示,表中NeNp分别表示腹板螺栓由弹性设计和极限承载力设计控制的框架梁根数。

   从表7可以看出:对于跨高比较小(L/hb<15)的框架梁,其腹板螺栓通常由极限承载力控制;而对于跨高比较大(L/hb>15)的框架梁,梁截面一般为两端的梁受弯进入塑性控制,对应梁端塑性弯矩Mp的腹板剪力需求Vju较小,所配螺栓无法提供弹性设计所需要的抗剪承载力,腹板螺栓数为弹性设计控制,且多为风荷载组合控制。

3 弹性阶段与极限承载力设计方法小结

   (1)对常用HN型钢梁,腹板对梁柱节点的极限抗弯承载力提高有限,即使考虑腹板抗弯的贡献,仍无法满足MjuαMp,还需要采用加强型连接或狗骨式连接的措施。

   (2)Q345GJB的连接系数α小于Q345B,而极限抗拉强度fu大于Q345B的抗拉强度,故框架梁采用Q345GJB能减小翼缘补强板的宽度,节约钢材用量。

   (3)采用15高钢规中新的梁柱节点计算方法,节点设计过程略复杂,且腹板受弯区需配置的螺栓数是抗剪螺栓的2倍以上,同时会造成连接板宽度过大,建议谨慎使用。

   (4)15高钢规中的式(8.2.5-1)在验算抗弯螺栓时重复考虑了连接系数α,使得螺栓数目增加较多,建议取消。

   (5)参照98高钢规中仅通过加宽翼缘的方法满足MjuαMp,翼缘补强宽度相比考虑腹板抗弯略有增加;但不考虑腹板抗弯简化了节点的设计流程,腹板螺栓和节点板尺寸相比15高钢规都可减少。

   (6)狗骨式连接通过削弱梁截面减小Mp来满足MjuαMp,节点的极限抗剪承载力需求Vju也会降低,腹板抗剪螺栓相比梁翼缘局部加宽式连接可进一步减少,但设计时需考虑梁端截面削弱的影响。

   (7)不考虑梁腹板抗弯作用的情况下,按照极限承载力设计配置的框架梁腹板螺栓较少,尚需复核结构在弹性状态下梁腹板螺栓的抗剪承载力。对于跨高比较小(L/hb<15)的框架梁,其腹板螺栓通常由极限承载力控制,跨高比较大(L/hb>15)的框架梁,其腹板螺栓通常由弹性设计控制。

4 思考与讨论

4.1 强连接中腹板抗弯的必要性

   阪神地震与北岭地震的震害表现,使得震后钢结构连接的思路转化为:通过加强型或狗骨式连接尽量使得钢梁的塑性铰远离梁端。而15高钢规强连接的公式MjuαMp存在以下问题:

   (1)连接承载力是用钢材的抗拉强度fu,而构件的承载力是用钢材的屈服强度fy;使得连接的极限承载力对应构件的塑性承载力,比较的依据不对等。

   (2)未考虑塑性铰处剪力至梁端的附加弯矩

   上述两点导致了我国规范中设计目标与设计结果的不明确,满足强连接公式并不意味着梁端不出现塑性铰。

   日本规范 [4]第156页的算例中,梁的截面为H600×200×12×25,柱的截面为□450×19。在考虑腹板抗弯的贡献并设置抗弯螺栓后,虽然节点区的截面与构件截面尺寸是一致的,没有任何加强措施。但按照式(1)却可满足“强连接弱构件”的要求,这也间接说明了式(1)的设计目标不明确。

   相反美国规范AISC 358-16 [6]第5章狗骨式连接节点的开篇就明确了设计目标,即屈服及塑性变形主要发生在削弱段内,也给出了与设计目标相匹配的设计公式:

   Mf=Mpr+VRBSShϕdMpe(15)Mpr=CprRyFyZRBS(16)Mpe=RyFyZx(17)Μf=Μpr+VRBSSh≤ϕdΜpe         (15)Μpr=CprRyFyΖRBS         (16)Μpe=RyFyΖx         (17)

   式中:Mf为可能的梁端最大弯矩;Mpe为梁端塑性弯矩;ϕd为延性极限状态的抗力系数;Mpr为狗骨式截面中心处最大弯矩;VRBS为两端RBS中心处剪力的较大值,由Mpr和重力荷载组合值确定;Sh为塑性铰到柱边的距离;Cpr为强度放大系数;Ry为预期屈服应力与钢材屈服强度之比;ZRBS为狗骨式截面中心处的梁截面塑性模量;Zx为梁截面塑性模量;Fy为钢材屈服强度。

   美国规范AISC 358-16中连接承载力是用材料的屈服强度计算,考虑屈服强度的超强系数Ry及可能存在的节点超强效应(CPR),考虑了塑性铰处的剪力至梁端的附加弯矩。

   经试算,需要考虑腹板的抗弯贡献才能满足上述公式。与之相应的,美国规范AISC 358-16规定了钢梁腹板与柱翼缘需要坡口全熔透焊,也从构造上保证了钢梁腹板抗弯及抗剪承载力的发挥。

   所以美国规范AISC 358-16的设计理念、公式及构造存在较强的逻辑性,而这正是中国规范的不足之处。

4.2 腹板螺栓数目合理性的判断

   文献[1]中对腹板螺栓的数目提出了担心:“我国《高层民用建筑钢结构技术规程》是在1987年底开始编制的,当时虽然看到了美国标准加强腹板连接的措施,却未看到日本有类似规定,对于日本用不同的方法处理腹板抗弯缺乏体会,对于加强腹板连接的必要性缺乏认识,因此未将加强措施列入。直到使用过程中,发现很高的梁腹板连接只有很少几个螺栓时,才感到不对头。”笔者认为有两点与此对应:

   (1)15高钢规中“强剪弱弯”公式也存在“强连接弱构件”公式中强度取值不匹配的问题。对于中等跨度及大跨梁,梁的截面一般为两端的梁受弯进入塑性控制,此时对应梁端塑性弯矩Mp的腹板剪力需求Vju一般远小于腹板抗剪承载力设计值Vw=hwtwfv,Vju/Vw在0.6~0.7之间,见表4。但螺栓承载力是按照极限承压计算,且不考虑螺栓群到柱面的偏心弯矩,故按照式(6)~(8)计算出的螺栓数目可以很少。

   (2)腹板螺栓的设置与腹板是否参与抗弯紧密相关。按照15高钢规的规定,不考虑腹板抗弯,只考虑加强翼缘或狗骨式连接就可满足“强连接弱构件”的规定,那腹板抗弯的必要性就不强,螺栓就可以很少。如果按照美国规范AISC 358-16的设计理念,必然要考虑腹板的抗弯,此时腹板螺栓的数目由抗弯和抗剪双控,甚至需改用全焊节点方可。

5 结论

   (1)基于现有的规范体系,腹板参与受弯的效率低,且需设置较多的螺栓,建议采用“翼缘仅受弯、腹板仅受剪”的设计原则简化设计流程,优先采用加强式翼缘或狗骨式连接,以满足“强连接弱构件”的设计原则。

   (2)腹板螺栓的设置需进行两阶段设计的复核,螺栓数目取包络。

   (3)当按照两阶段设计法配置的框架梁腹板螺栓数较少时,建议适当增加腹板螺栓数,可按式(13)承压型螺栓进行配置。

   (4)建议《高层民用建筑钢结构技术规程》和《建筑抗震设计规范》进一步明确节点的设计目标,并加强设计目标、规范公式及节点构造间的逻辑性。

    

参考文献[1] 蔡益燕.梁柱连接计算方法的演变[J].建筑钢结构进展,2006,8(2):49-54.
[2] 高层民用建筑钢结构技术规程:JGJ 99—2015[S].北京,中国建筑工业出版社,2016.
[3] 热轧H型钢和部分T型钢:GB/T 11263—2017 [S].北京,中国标准出版社,2017.
[4] 钢构造接合部设计指针[M].东京:日本建筑学会,2012.
[5] 钢结构设计标准:GB 50017—2017[S].北京,中国建筑工业出版社,2018.
[6] Prequalified connections for special and intermediate steel moment frames for seismic applications:ANSI/AISC 358-16[S].Chicago:American Institute of Steel Construction,2016.
Discussion on calculation method of beam-column welded-bolted hybrid connection of steel frame
HUANG Yongqiang ZHU Jing
(East China Architectural Design & Research Institute Shanghai Engineering Technology Research Center of Super High-Rise Building Design)
Abstract: The beam-column welded-bolted hybrid rigid joint with flange welded and web bolted is one of the main forms of field connection of steel frame beam-column. This joint must meet the design principle of “strong connection”. The calculation of traditional welded-bolted hybrid joints only considers flange bending resistance and web shear resistance. The Technical specification for steel structure of tall building(JGJ 99—2015) draws on Japanese standards and gives the calculation method of steel beam webs to bear the beam end bending moment. Based on commonly used hot rolled HN steel sections, the difference between the new algorithm for welded-bolted joint that considers both flange and web to be involved in bending resistance and the traditional algorithm that only considers flange bending resistance was compared. The results show that the ultimate bending capacity of the web to the beam-column joint is limited, and the ratio of the bending capacity of the web to the ultimate bending capacity of the beam-column joint is 8%~14%. For commonly used HN steel section, even considering the bending resistance of the web, it still cannot meet the formula(8.2.1-1) Mju≥αMp in the Technical specification for steel structure of tall building(JGJ 99—2015). It is necessary to use strengthened connections or reduced-beam section joint. Since the bending center distance of the web bolts is significantly smaller than the bending center distance of the flange, it is not economical to use web bolts to resist bending. The number of bending bolts of the webs far exceed the bolts required for shear resistance, and the size of the connecting plate is too large, which wastes more material than simply strengthening the flange. The beam-column joint needs to be designed in two stages of seismic elasticity and ultimate bearing capacity. Actual engineering cases show that the web bolts of steel beams with relatively large spans are generally controlled by elastic design, and those with relatively small span are controlled by ultimate bearing capacity.
Keywords: beam-column rigid joint; welded-bolted hybrid connection; bending resistance of the flange; shear resistance of the web; strengthened connection; reduced-beam section joint
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