【摘 要】在钢结构设计中，无论是钢框架还是门式钢架，节点设计都是其中的重要环节，“强节点，弱构件”更是抗震规范中所强调的。工程实例中，发生地震后，钢结构框架的破坏有相当一部分出现在连接节点处。虽然钢结构的震害相对于其它结构较少，但为避免地震发生时，连接节点先于框架梁破坏而导致结构变形、倒塌，设计人员应该对钢框架节点的计算及设计高度重视。节点域的计算是节点设计的其中一个方面，如果节点域不满足要求，该节点将在梁端弯矩及剪力作用下，产生剪切变形继而先于构件屈曲破坏。因此，节点域的设计在钢结构框架的设计中占有重要地位。本文着重通过对节点域的概念、计算、调整、设计原则及注意事项的论述，说明了节点域的设计在钢结构框架设计中的重要性。
【关键词】钢结构框架；节点域；设计；
在强震作用下,钢框架的梁柱刚接节点易发生破坏,尤其是在弹塑性阶段,节点域剪切变形明显增大,为满足强节点弱构件的设计原则,应对节点域进行处理。一般情况下,采用在节点域腹板两面或单面贴钢板的方法补强节点域厚度,同时,节点域上下的加劲肋和侧向支承也必须设置。焊缝的施工质量非常重要。
一、节点域的概念及计算
1．节点域的概念。节点域是指当梁与柱翼缘( 强轴) 刚性连接时，由柱翼缘与水平加劲板所包围的柱腹板范围。当梁与柱铰接或梁与柱腹板(弱轴)刚性连接时，可不考虑节点域内容。当梁与柱翼缘(强轴)刚性连接时，梁端弯矩通过梁翼缘对柱腹板产生剪应力，剪应力过大将导致柱腹板屈服，节点破坏; 当梁与柱铰接，弯矩无法传递至柱腹板或翼缘，也就不存在节点域超限问题; 当梁与柱腹板(弱轴)刚性连接时，只要按构造要求在柱子另一侧设置水平加劲板，剪应力将传递至加劲板及其焊缝上，不会对柱腹板产生破坏。因此，只有当梁与柱翼缘(强轴)刚性连接时，才需考虑节点域是否超限。
2．节点域的计算。节点域的计算分两种情况: 抗震和非抗震情况下的验算。以工字形截面柱为例。
（1）非抗震时: 钢结构规范公式为 7．4．2－1，7．4．2－2: 一是需要满足抗剪强度要求；二是需要满足柱腹板厚度要求: ， tw—柱 在 节 点 域 的 腹 板 厚 度;hb—与柱相连的梁翼缘板厚中心的距离; hc—柱翼缘板厚中心的距离。
（2）抗震时的抗震规范公式为 8．2．5－2，8．2．5－6，8．2．5－5:一是需要满足节点域的屈服承载力要求；二是需要满足地震时的抗剪强度要求；如果不考虑抗震调整系数，节点域腹板就会很厚。节点域承载力抗震调整系数同其他抗震调整系数一样，考虑到地震为非常规载荷，出现的概率比风荷载、恒载、活载要小，而且地震时考虑可以适当提高钢材的设计强度，因此抗震规范确定了这个增大系数，以避免节点域太厚。
（3）节点域验算过程中应注意:一是当计算节点域在非抗震状态下的抗剪强度时，要使用正常操作的梁端设计弯矩。二是当计算节点域在抗震状态下的抗剪强度时，要使用地震时的梁端设计弯矩。即在荷载作用下非地震与地震时，节点域所受的剪应力是否满足规范要求，此时梁及节点域是处于弹性状态。三是当计算节点域在抗震时的屈服强度时，要使用梁的全塑性弯矩; 此时是假设使梁达到塑性变形时所需要的弯矩，即屈服弯矩，梁是处于塑性状态。设计时应全面验算节点域，以满足钢结构规范及抗震规范要求，避免节点域超限导致结构失稳破坏。
二、结合STEEL程序讨论节点域的调整
1．在实际工程中，经常用STEEL 或 PKPM－STS等结构计算软件来计算钢框架，程序会自动计算框架的节点域是否超限。当框架柱较大，或荷载不是很大的情况下，只要框架柱的腹板翼缘满足规范要求的宽厚比，节点域是不容易超限的。但是，当框架上有重量较大的卧式设备、塔型设备或空冷器等大型设备时，即使钢柱断面已经很大，还是有很多的节点域会超限的。当荷载不是很大基本可以使节点域满足规范要求了。但是，这种方法是有局限性的，当梁上的荷载较大，梁跨中弯矩会很大，梁强度所需的也会较大，能够选择替换的窄翼缘 H型钢也就比较少，甚至没有可以替换的。遇到这种情况，就要将整个钢框架进行更合理的布置。钢框架的布置要求结构对称，层高均匀，支撑合理，传力明确; 对于荷载较大的框架梁，可以布置人字撑或八字撑，将地震力合理传递至基础，这样梁的截面就可以减小，框架梁可以选用窄翼缘 H 型钢进行替代。STEEL 程序计算的超限文件中，经常会出现很多的节点域超限，需要逐一的调整。看到超限的节点域，首先要想到的是钢柱强轴方向的梁与柱的节点域才会超限，而且是刚接节点，铰接节点和柱弱轴方向的节点没有节点域问题，这样我们只需要调节强轴方向的刚接框架梁就可以。
2．计算中节点域不满足规范要求时采取的措施。经过调整钢框架的框架梁以及框架的结构布置，仍无法满足节点域的要求时，需加大钢柱的腹板厚度，或者对节点进行补强。对于焊接H型钢柱，若不想加厚整个柱子的腹板厚度，宜加厚节点域的板厚，将柱腹板在节点域范围的板件更换为较厚的板件。对于轧制H型钢柱，可贴焊补强板加强。补强板上下边缘可不伸过水平加劲板或伸过水平加劲板之外各 150mm。当补强板不伸过水平加劲板时，加劲板应与柱腹板相焊，补强板与加劲板之间的角焊缝应能传递补强板所分担的剪力，且焊缝的计算厚度不小于5mm; 当补强板伸过水平加劲板时，加劲板仅与补强板相焊，此焊缝应能将加劲板传来的力传递给补强板，补强板的厚度及其焊缝应按传递该力的要求设计。补强板侧边可采用角焊缝与柱翼缘相连，其板面尚应采用塞焊与柱腹板连成整体，塞焊点之间的距离，不应大于相连板件中较薄者厚度。
三、提高框架梁柱节点抗震性能的措施
地震区的刚性连接节点设计要满足多遇地震下弹性状态的承载力要求和罕遇地震下弹塑性状态的承载力和变形要求。根据钢框架强柱弱梁的抗震设计原则,按照有效控制梁上塑性铰位置的思路,采用在梁腹板进行开孔削弱的节点形式促成塑性铰的形成。提高梁柱焊接节点的抗震性能是钢结构抗震设计的重要内容之一。美国北岭和日本阪神震害教训表明,为防止梁柱焊接节点在地震中出现源于焊缝的脆性破坏,设计上应注意降低节点焊缝处的应力集中,改善焊缝的受力状态,设法利用钢材的塑性储备来吸收地震能量,并根据抗震设防要求和地震作用特点选用韧性达标的焊接材料。制造和安装时还应注意消除节点焊缝处的各种应力集中,通过加腋和加盖板对节点进行加强,提高节点承载力;对梁局部削弱,使塑性铰从节点区外移至梁上;改进节点区焊接孔构造形式,缓解局部应力集中;妥善处理弧板和垫板,减少焊缝缺陷。
目前,对节点域承载力不足比较方便的处理方法就是在柱腹板的单侧或两侧成对设置补强板,随着人们对地震灾害不断加深了解,抗震规范和钢结构规范相应的不断修订,以及我国经济的不断发展,工业与民用钢结构建构筑物会越来越多。而节点域作为钢框架结构抗震的薄弱环节,更应该引起设计人员的高度重视。
参考文献：
[1]建筑抗震设计规范［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2010．
[2]钢结构连接节点设计手册( 第二版) ［M］． 北京: 中国建筑工业出版社，2011．
[3]张 行.两种半刚性节点的有限元分析及对框架的影响[J].山西建筑, 2010, 36(5): 78-79.下载本文
