摘要 根据美标进行高烈度的钢结构设计时，经常会采用中等延性抗弯框架结构或高延性抗弯框架结构，根据美国钢结构抗震设计规范AISC341规定，采用上述两种延性的结构体系时，节点的延性必须需要达到规定的要求，AISC358规定的梁柱刚接节点是通过试验验证了延性的节点可以直接采用。当业主规定不允许现场焊连接时，工程师通常选用AISC358中规定端板连接方式的刚接节点作为抗弯框架的连接节点，该种类连接节点可以有效避免柱伸出梁段至塑性铰区域外然后再行梁上下翼缘及腹板大量高强螺栓连接的做法给使用带来的诸多不便。笔者根据实际工程的设计应用经验总结归纳了该种类节点的设计方法并给出了实际算例，希望本文对设计人员此类设计起到一定的指导作用。
关键词 端板；螺栓连接；梁截面受弯屈服
前言
据AISC341美国钢结构抗震设计规范（下文简称AISC341）规定，对于中等延性和高延性抗弯框架，梁柱刚接节点应可以适应抗弯框架发生的特定层间位移且达到该特定层间位移的同时尚应具有一定的抗弯承载力，以保证抗弯框架的需要的延性性能。对于中等抗弯框架（IMF）：梁柱刚接节点应可以适应层间位移角为0.02rad的楼层变形，且在该变形状态下梁柱刚接节点柱翼缘表面位置实测抗弯承载力不应小于连接梁的标称塑性抗弯强度的0.8倍；对于特殊抗弯框架（SMF）：梁柱刚接节点应可以适应层间位移角为0.04rad的楼层变形，且在该变形状态下梁柱刚接节点柱翼缘表面位置实测抗弯承载力不应小于连接梁的标称塑性抗弯强度的0.8倍。按照AISC 358经试验验证的中等延性及高延性钢抗弯框架的抗震连接节点（下文简称AISC358）要求进行设计的节点可以视为直接满足此要求的节点，如果采用AISC358规定范围以外的节点，则必须按照AISC341第K章规定的方法进行试验验证后方可使用，但进行试验验证比较费时费力，所以实际工程一般直接从AISC 358规定的节点中选择和设计。
在AISC 358中，满足规定延性要求的节点主要有下述几种形式：犬骨式梁式RBS、端板式、翼缘直接栓接式、非加劲翼缘腹板焊接式WUF-W、凯萨角肋栓接式KBB等形式，其中端板具有无需现场焊接、安装施工简单，且对管道敷设影响小等优点，因此笔者参与的实际项目大量采用此种连接方式，下面详细介绍该节点的设计及应用方法。
1、端板连接刚接形式
如图 1，端板连接节点由以下三种形式：
a）4E型，4螺栓无加劲板；
b）4ES型，4螺栓设加劲板；
c）8ES型，8螺栓设加劲板；
图 1 端板刚接连接节点形式
2、端板连接刚接节点应控制的极限状态
端板连接节点主要由端板、高强螺栓、柱翼缘和腹板、加劲肋组成，为保证节点良好完成预定设计性能，确保连接的非弹性变形是通过梁的屈服实现的，需要严格控制以下几个设计极限状态：
a）梁截面受弯屈服极限状态
b）端板弯曲屈服极限状态
c）柱节点域极限屈服状态
d）端板螺栓受拉破坏极限状态
e）端板螺栓受剪破坏极限状态
f）连接焊缝破坏极限状态
在节点连接设计中，以梁截面受弯屈服极限状态为基准，进行端板、螺栓、节点域设计，以保证该连接节点的非弹性变形是通过梁的屈服来实现的。
3、节点应用主要限制
3.1 合格节点相关参数限值详见AISC358 TABLE6.1
3.2 梁的限制
a）对于工字形组合截面，在距离梁端1倍梁高或3倍翼缘宽（二者取小值）的范围内梁翼缘与腹板连接焊缝应采用完全熔透坡口焊或者采用焊脚高度不小于腹板厚度0.75倍且不小于6mm的双面角焊缝；
b）梁高限值：4E型（349~1400mm）、4ES型（349~610mm）、8ES型（457~914mm）；
c）梁翼缘厚度限值：4E型（10~19mm）、4ES型（10~19mm）、8ES型（14~25mm）；
d）梁净跨高比限值：对于高延性抗弯框架（SMF）体系，梁净跨与梁高比值应不小于7，对于中等延性抗弯框架（IMF）体系，梁净跨与梁高比值应不小于5；
e）梁翼缘宽厚比、腹板高厚比及梁侧向稳定支撑要求应符合AISC341；
f）保护区定义：对于4E型节点从柱翼缘表面算起，1倍梁高或3倍梁翼缘宽的较小值范围为保护区；对于4ES/8ES型节点从柱翼缘表面算起，加劲板长度加上1.5倍梁高或3倍梁翼缘宽的较小值的区域为保护区；
3.3 柱的限制
a）柱子截面高度：对于轧制型钢截面高度不应大于W920，焊接H钢截面高度不应超过轧制型钢要求。
b）柱翼缘板宽厚比、腹板高厚比应满足AISC341的要求；
4、连接构造
4.1、连接构造相关参数符号，以4ES型连接为例，见图 2。
图 2 4ES型连接构造详图
4.2、端板宽度
端板宽度应不小于梁的宽度，且计算时所采用的有效端板宽度不应大于梁宽度加25mm。
4.3、端板加劲版
端板加劲板应焊接连接梁与端板，加劲板的最小长度应按如下公式计算：
各参数意义详见图 2。
端板加劲板与端板或者梁相交处的平直段约为25mm。若加劲板与梁材质相同，则加劲板厚度不应小于梁腹板厚度，若两者材质不同加劲板厚度不应小于腹板厚度乘以腹板与加劲板的材料强度比。
4.4、焊接要求
a）不能设置过焊孔；
b）梁翼缘与端板采用无衬板全熔透坡口焊，焊根留在梁腹板侧，清根后采用8mm角焊缝进行补焊；
c）梁腹板与端板采用全熔透坡口焊或角焊缝，采用角焊缝时，应保证焊缝能发挥梁腹板抗拉强度；
d）如采用端板加劲板，则端板加劲板应采用全熔透坡口焊。若加劲板厚度小于等于10mm，可采用符合强度要求的双面角焊缝；
5、设计方法
5.1、端板和螺栓设计
端板和螺栓设计步骤如下：
5.1.1根据连接构件（梁截面大小）计算柱翼缘面位置处的弯矩
：
= 塑性铰最大可能弯矩，
，
；
= 柱表面到塑性铰的距离，
= 
和
的较小值，4E型节点
= 
，4ES，8ES型节点
= 梁端剪力，
= 
= 梁翼缘宽度，
= 梁高度，
= 塑性铰间的距离，
= 端板厚度，
= 由公式
计算的剪力，
，其中
为根据荷载规范确定的组合系数，不应小于0.5
5.1.2确定连接类型（4E，4ES，8ES），并确定其相关几何参数；
5.1.3确定所需螺栓的计算直径：
对于4螺栓连接节点（4E，4ES）：
= 螺栓的标准抗拉强度，
= 梁受压翼缘中心线到第i排受拉螺栓中心线的距离，
= 梁受压翼缘中心线到受拉翼缘外排螺栓中心线的距离，
5.1.4根据上步计算结果确定螺栓直径
5.1.5计算端板厚度tp，req’d
= 端板材料的最小屈服强度，
= 机械屈服线参数，
，可根据AISC358表6.2，6.3，6.4计算
5.1.6根据上步计算结果确定端板厚度
5.1.7计算梁翼缘带组合系数的力
= 梁截面高，
，
= 梁翼缘厚度，
5.1.8验算4E型连接外伸端板剪切屈服强度
5.1.9验算4E型连接外伸端板剪切破坏强度
= 端板极限抗拉强度，
= 端板截面净面积
= 
，
= 螺栓直径，
5.1.10确定4ES，8ES型连接端板加劲板的厚度
为端板加劲板的高度，与端板外伸长度相等，梁翼缘与端板采用无衬板全熔透坡口焊加8mm角焊缝，角焊缝留置在翼缘里侧即腹板侧；
5.1.11受压翼缘一侧螺栓抗剪切承载力验算：
= 受压翼缘单侧螺栓个数
= 4，4E，4ES型
= 8，8ES型
= 单个螺栓面积，
= 螺栓抗剪强度，
= 梁端剪力，根据4.1.1 公式计算，
5.1.12螺栓承压及端板或翼缘撕裂验算：
= 受压翼缘内侧螺栓个数
= 2，4E，4ES型连接
= 4，8ES型连接
= 受压翼缘外侧螺栓个数
= 2，4E，4ES型连接
= 4，8ES型连接
= 螺栓孔到相邻螺栓孔或构件边缘净距
= 端板或柱翼缘抗拉强度，
= 螺栓直径，
= 端板或柱翼缘厚度，
5.2、柱相关设计
5.2.1柱翼缘受弯屈服验算
= 柱翼缘最小屈服强度，
= 螺栓直径，
= 柱无加劲板机械屈服线参数，
，可根据AISC358表6.5，6.6计算
如果计算结果不满足上式，则需增加柱子加劲板，采用加劲板后
需按照表6.5，6.6中带加劲板的公式进行计算
5.2.2如果计算需设置柱加劲板，则需计算加劲板受力：
柱翼缘受弯屈服设计强度：
= 柱无支撑机械屈服线参数，
，可根据AISC358表6.5，6.6计算
柱翼承受的等效力为：
用
在第f步确定柱加劲板的力；
5.2.3验算梁翼缘处柱腹板的屈服强度：
= 0.5，柱顶到梁翼缘的距离小于柱高度的时
= 1.0，其他情况
= 柱腹板屈服强度，
= 柱腹板厚度，
如不满足上式要求，则需设置加劲板
5.2.4验算梁受压翼缘处无加劲板的柱腹板屈曲：
= 0.75
当
距离柱端大于等于
时：
当
距离柱端大于等于
时：
5.2.5验算梁受压翼缘处无加劲板的柱腹板局部失稳：
翼缘厚度加上2倍的坡口焊加强肢的尺寸，
= 柱截面高度，
如不满足上式要求，则需设置加劲板
5.2.6如果上述验算有一条不满足，则柱加劲板的力：
其中，
为第b，c，d，e步计算出的力，计算出加劲板力后，根据AISC341第E章计算加劲板；
5.2.7根据AISC341验算节点域
6、小结
本文通过对端板连接方式刚接节点的构造、设计方法的介绍、归纳总结，对端板连接的设计原理，需要验算和控制的内容有了详细的了解，希望本文对设计人员此类设计起到一定的指导作用，为了达到这一目的，笔者根据实际工程的设计应用经验给出了实际算例。
例题：连接梁大小：组合截面Ⅰ型截面330X240，梁基本信息如下：
6.1、端板和螺栓设计
6.1.1端板构造，见图 3，假定采用M30螺栓（材料ASTM A490M）：
6.1.2计算柱表面的弯矩
：
图 3 4ES型连接构造尺寸
6.1.3螺栓计算直径：
6.1.4端板计算厚度：
6.1.5梁翼缘带组合系数的力：
6.1.6计算端板加劲板厚度：
验算端板加劲板局部屈曲：
6.1.7螺栓剪切强度验算：
6.2、柱侧相关设计
6.2.1柱翼缘受弯屈服计算：
计算结果见Table 1。
Table 1 Minimum column flange thickness for flexural yielding
6.2.2柱翼缘受弯强度计算：
柱翼缘设计计算最小的力：
6.2.3验算梁翼缘处柱腹板的屈服强度：
6.2.4验算梁受压翼缘处无加劲板的柱腹板屈曲
6.2.5验算梁受压翼缘处柱腹板屈曲局部失稳
6.2.6柱加劲板验算
参考文献：
[1] AISC 341 美国钢结构设计规范
[2] AISC 358 经试验验证的中等延性及高延性钢抗弯框架的抗震连接节点
论文作者:王国辉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/28
标签：节点论文; 螺栓论文; 腹板论文; 延性论文; 厚度论文; 截面论文; 梁柱论文; 《基层建设》2019年第3期论文;