摘要：钢结构工程是以钢材制作为主的结构，主要由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接。自重较轻，且施工简便，钢结构纯框架结构是主要的建筑结构类型之一。本文对构件选型及节点受力进行了探究。
关键字：框架结构、连接节点、结构体系、抗震性能、受力特性
0 前言
钢结构框架结构是一种常用的钢结构形式，钢结构框架结构一般可分为单层单跨、单层多跨和多层多跨等钢构形式，可以满足不同建筑造型和功能的需求。根据钢结构的抗侧力体系的不同，钢结构框架可分为纯框架、中心支撑框架、偏心支撑框架、框筒等。纯框架钢结构延性好，但侧向刚度较差，其水平抗侧力构件主要是框架柱，适用于单层、多层建筑。支撑体系、框筒结构均增加了水平抗侧力构件，其适用于高层、超高层的建筑。
钢结构纯框架结构是由钢制柱、主梁、次梁、楼板组成的受力结构体系，是钢结构主要的建筑结构类型之一。各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接。因其自重较轻，且施工简便，广泛应用多层建筑等领域。本论文重点探讨该结构体系各构件选型及连接节点受力性能。
1 钢结构纯框架结构受力特性
钢结构纯框架结构抗震设计原则应遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”，满足小震不坏、中震可修、大震不倒设计原则。各构件连接节点设计时钢结构设计的重要内容之一，其连接形式直接影响结构受力整体性能和每个构件的受力性能分析。钢结构连接节点在地震中一旦破坏受损，结构将发生整体破坏坍塌，结构体系受力在大震中，即使梁构件已屈服，只要节点不破坏，就能确保结构不倒塌，为人员的争取相应的逃生时间。所以钢结构节点设计和选型是我们关注关键问题。
2 钢结构纯框架结构各构件的连接节点分类
2.1 节点设计原则
钢构件连接节点设计原则：确保结构整体安全可靠；各构件间传力明确；构造简单；构件加工、制作、拆装方便；节约钢材。
2.2 节点设计分类
钢结构构件的连接节点按工艺可分为焊接、铆钉、螺栓三种类型。焊接是钢结构最主要的连接方式，优点是任何形状的结构都可以用焊缝连接，构造简单，省工省料，而且能实现自动化操作，生产效率高。铆钉连接是将一端带有预制钉头的铆钉，插入被连接件的钉孔中，用铆钉枪或压铆机将另一端压成封闭钉头而成。因安装困难、较浪费钢材，现在很少使用。螺栓连接分普通螺栓连接和高强螺栓连接，高强螺栓按受力特点又分为承压型高强螺栓和摩擦型高强螺栓。
2.3 节点类型受力特征
钢结构构件的连接节点按传力特性可分为刚接、铰接、半刚性连接。刚性连接节点，具有较高的强度和刚度，其特点是受力性能好，但构造复杂，施工难度大。铰接连接节点，具有很大的柔性，其构造简单，拆装方便，作业速度快，其连接刚度差。半刚性连接节点，刚度和强度介于铰接和刚接之间，规范GB50017-2016《钢结构设计规范》中没有介绍半刚度连接的具体计算和设计方案，节点转动刚度很难确定，这种节点形式在工程设计上很少采用。结构设计计算通常把节点简化为刚接、铰接来进行模拟计算。
3 钢结构纯框架结构柱柱连接形式及受力特点
3.1 框架柱构件截面选型
在钢框架中，钢柱的截面形式宜用工字型柱、箱型柱或圆形柱，在相互垂直的两个方向都有与其相连接的梁时，柱子截面宜选用箱型截面。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在单层厂房内，柱子通常仅同一方向与梁体连接，多选用工字型柱，且比较经济；多、高层钢框架结构钢柱较多选用圆形柱和箱型柱，但圆形柱适宜用于仅受轴向压力的钢柱；若承受压力和弯矩的钢柱，且在相互垂直的两个方向都与柱刚性连接的柱，即压弯构件柱，选用箱型柱受力最好。钢框架结构选用箱型柱在构件受力上比较合理。
3.2 结构体系整体受力特性
钢结构纯框架结构体系是指沿房屋的纵向和横向均采用钢框架作为主要承重构件和抗侧力构件所构成的结构体系，由水平杆件（钢梁）和竖向杆件（钢柱）正交连接形成，主要由框架柱承受水平抗侧力。在竖向荷载作用下，仅框架柱的轴向压力自上而下逐层增加（框架梁、柱的弯矩和剪力自上而下基本无变化）；在水平荷载作用下，框架梁、柱的弯矩、剪力和轴力自上而下均逐层增加，上小下大，而且第二层边跨的框架梁梁端内力常为最大。
因框架柱是主要的水平抗侧力构件，结合构件连接节点的刚接、铰接、半刚性连接的特点，所以在柱子的分层的连接节点选用刚性连接。将结构体系的上下楼层的贯通柱刚接在一起，增强了柱子的抗水平侧力的刚度，从而增加了整个结构体系的抗水平弯矩，抵抗倾覆力矩使框架发生整体弯曲所产生的侧移。若柱子上下楼层柱子连接节点选用铰接形式，近似每个楼层柱子可以在水平方向自由转动，体系没有抗水平侧力刚度，不利于钢框架建造楼层更高建筑。柱子的上下刚性连接节点，通常采用焊接形式，传力均匀、强度高。
4 钢结构纯框架结构梁柱连接形式及受力特点
4.1 框架主梁构件截面选型
钢梁截面通常选用的圆形、方形、H型钢等形式。在构件受力方面，在用钢量相同情况下，惯性矩：H型钢（平放）＞圆形＞方形。受弯构件选形，材料的惯性矩越大，受力性能越好。所以可优先选用H型钢做梁，构件选型比较合理。选用圆形梁，不利于室内空间造型和装修施工。主梁、次梁均选用H型钢在经济性和受力性能上比较合理。
梁柱连接节点可选用刚接、铰接、半刚性，钢结构纯框架结构的抗水平侧力构件为框架柱，主梁与柱连接后，可以作为柱子的约束节点，主梁与钢柱的连接节点形式决定了框架柱的水平抗侧力刚度。根据刚接、铰接、半刚性连接特性，主梁与钢柱连接节点优先选用刚接，主梁增强柱子水平抗侧刚度。
4.2 梁柱连接节点类型及受力特性
梁柱刚接形式可以选用焊接、栓焊混合连接等形式。（1）主梁H型钢的上下翼缘板和腹板均焊接在方形钢柱的一个侧立面，梁柱连接节点的焊缝连接。梁柱焊接节点，若发生偶然巨大荷载或地震时，梁柱发生相对位移，焊缝纯焊接节点在震动中极易被拉裂，发生脆性破坏，造成节点破坏能。（2）若主梁、钢柱采用栓焊混合连接，在方形钢柱的对应侧立面焊接主梁的连接腹板，主梁H型钢的腹板与梁柱连接腹板通过高强螺栓连接，主梁的上下翼缘板通过焊接与钢柱的侧立面连接在一起。螺栓选用摩擦型高强螺栓，主要靠螺栓紧固后腹板间的摩擦受力使梁柱连接在一起。梁柱节点选用该种栓焊混合连接，避免了梁柱纯焊接的脆性破坏问题。若发生偶然荷载或地震时，翼缘板的焊缝承受第一阶段受力；焊缝拉裂后，腹板间摩擦力进入第二阶段受力，腹板发生相对移动后，高强螺栓的螺杆承受滑动剪力，螺杆承受第三阶段受力。栓焊混合连接的螺栓杆承受第三阶段受力，螺栓被剪断后，连接节点发生破坏。栓焊混合连接三阶段受力特性比纯焊接优越的多，更有利于整个结构抗震性能，符合“强节点弱构件”抗震设计原则。
5 钢结构纯框架结构梁梁连接形式及受力特点
5.1 框架次梁构件截面选型
次梁截面选用H型钢是比较合理的，主次梁连接形式可选用刚接、铰接、半刚性连接。根据不同连接形式的受力特点，钢框架结构体系梁柱刚性连接节点受力特点，主次梁连接节点可优先选用铰接。因为钢框架的梁柱为刚性连接，结构体系的抗水平侧力构件是由框架柱与主梁组成的整体，所以主次梁连接节点类型选择性比较大。
5.2 主次梁连接节点形式及受力特性
主次梁纯螺栓铰接，属柔性连接。一旦遇到偶然巨大荷载或地震时，主次梁间可以相对移动从而吸收部分能量，减小荷载对结构体系的破坏。符合“强柱弱梁，强剪弱弯”设计原理，结构体系受力特性合理，并且采用这种结构时施工简单方便，拆装容易，易更换部件，钢构件重复利用率高。
6 结束语
综上所述，本文对钢结构纯框架结构体系的构件截面形式的选定、柱柱连接节点、梁柱连接节点、主次梁连接节点类型及受力特性进行了比选。结合规范设计要求，阐述了钢结构纯框架结构体系如何设计，可实现结构体系的经济及受力合理性。
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论文作者:张广忠
论文发表刊物:《防护工程》2018年第33期
论文发表时间:2019/2/26
标签：节点论文; 构件论文; 梁柱论文; 钢结构论文; 受力论文; 螺栓论文; 框架论文; 《防护工程》2018年第33期论文;