1.1 钢结构节点的类型
根据节点处荷载传递的情况、所采用的连接方法以及细部构造，连接节点的类别可分为刚性连接、半刚性连接和铰接连接。
①刚性连接节点，从保证构件原有的力学特性来说，在连接节点处应保证其原有的完全连续性。这种构造能使所连接的构件之间夹角在达到承载能力之前不发生变化，其连接强度应不低于被连接构件的屈服强度。
②半刚性连接节点，能保证其承载力等于或大于构件的承载力，但由于所采用的连接方法和细部构造设计的关系，致使连接节点的弹性刚度比构件的弹性刚度低，这样的节点形式作为设计要求一般不采用。
③铰接连接节点，从理论上讲是完全不能承受弯矩的连接节点，因而一般不能用于构件的拼接连接。铰接连接节点通常只用于构件端部的连接，比如柱脚、梁、析架和网架杆件的端部连接等。但在实际应用中，它的特性并非完全铰接，例如，它对弯矩并不是完全不能承受，只是抗弯刚度远低于构件的抗弯刚度。
1.2 钢结构节点理论分析时存在的问题
在钢结构框架的传统分析和设计中，为简化分析设计过程，被认为理想的梁柱连接是铰接连接和完全刚性连接。在理想的铰接假定中，梁与柱之间没有弯矩传递，仅传递剪力，梁和柱之间的转动是相互独立的;在理想的刚性连接假定相邻的梁柱之间不会产生相对转动，当框架变形时，梁柱之间的夹角是保持不变的。这种理想化的假设大大地简化了钢框架的分析和设计过程，但基于该假定结构设计可能是不安全或偏于保守的，这是因为在实际工程中，所谓的刚性连接具有一定的柔度，而所谓的理想铰接也具有一定的刚度。
实际的有关梁柱节点的试验结果已经充分地证明上一段的结论，梁柱连接节点既非完全刚接，也非完全铰接。若用节点的连接弯矩M和梁柱的相对转角θ，即M-θ曲线来描述梁柱连接节点的刚性的大小，由实验可得M-θ曲线如图1所示。由于dm/dθ曲线表示节点的刚度，对于理想的刚性节点，M-θ曲线为竖轴;对于理想的铰接节点，M-θ曲线为水平轴。这只是两种理想状态，但实际节点的M-θ曲线都是位于二者之间，属于半刚性连接节点。节点由于连接方式的不同，节点梁柱之间传递弯矩的能力也不同，为了能够正确地对结构进行分析，有必要对各种不同连接方式的框架结构节点进行分析，研究节点梁柱之间力的传递规律，对荷载-位移曲线进行研究。
[弯矩M][相对转角θ]<F：＼新建文件夹 （3）＼新建文件夹 （5）＼工程经济201502＼工程二月＼工程15年一月-37.jpg>
图1 M-θ曲线
在实际分析和设计过程中，半刚性节点需考虑实际节点的柔性，即梁柱之间传递弯矩的能力。由已有的实验得知半刚性节点的M-θ曲线是非线性的，即使材料还处于弹性阶段，曲线也表现为非线性性质。典型的半刚性节点M-θ曲线如图1所示。在加载初期，反应可视为线性的。节点的刚度越大，曲线的线性部分越长。继续加载，将使节点的反应沿着M-θ曲线进入非线性部分。在实际荷载下，大多数半刚性节点将进入非线性部分。因此，结构的反应也将是非线性的，在非线性的范围内，通常的弹性设计方法不能得到精确的结果。同时，梁柱等构件的选择也应考虑非线性的结构反应。在通常的弹性设计方法中，框架中的梁柱按照各自的相对刚度来分配最终荷载，且在加载的过程中，构件是按照相同的系数来分担荷载。在具有半刚性节点的框架中，也是按照各构件的相对刚度来分担荷载，但当连接某些构件的节点进入非线性范围时，这些构件的刚度就要降低。故在整个加载过程中，具有半刚性节点的构件所分担的荷载是按照节点的刚度变化而变化的，它改变了梁柱之间的弯矩分布。
2 梁与柱节点的设计
钢框架中梁与柱的连接起着在两种构件之间传递弯矩和剪力的作用，是钢框架的主要组成部分，它的性能直接关系到结构的整体反应。梁柱连接的设计应满足足够的强度和适当的刚度，满足“强节点、弱构件”原则。钢框架结构的梁柱连接多按刚性连接设计，主梁与柱的连接具有足够刚度，目前抗侧力框架和梁柱的抗弯连接均采用刚性方案。梁柱刚性连接的主要构造形式有3种：全焊节点、高强螺栓连接节点、栓焊混合节点。
2.1 全焊节点
全焊节点连接：梁的上下翼缘用全熔透坡口对接焊缝，腹板用角焊缝与柱翼缘连接。翼缘对应处应加水平加劲肋，箱形柱内应设加劲肋隔板。加劲肋应按与梁翼缘等强设计，其连接焊缝亦应满足等强传力的要求。梁柱刚性连接中，梁端内力向柱传递时，梁端弯矩主要由梁翼缘承担，梁端剪力则主要由梁腹板承担（图2）。全焊节点连接是目前多数多高层钢结构工程中梁柱节点采用较多的一种连接方式，具有施工方便、节省钢材、整体刚度大等优点。
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图2
在避免增加结构的刚度和接头部位的应力集中情况下，根据“强节点弱杆件”的原则适当加强节点，在不发生失稳情况下，可适当削弱梁，在梁上出现“塑性铰”。尽量减少结构和焊接接头部位的应力集中，腹板上的工艺孔应平滑过渡，避免应力集中。在不减小腹板连接强度的条件下，适当加大工艺孔，便于施焊，提高焊缝质量。
2.2 高强螺栓连接节点
高强螺栓连接节点：梁腹板与柱连接用高强螺栓现场连接（图3），以传递轴力、弯矩与剪力。钢结构高强度螺栓连接是近年来迅速发展和应用的螺栓连接新形式，该种连接形式施工要求十分严格，但是对于结构承受动载十分有利，可简化制造和安装，特别是在高层和超高层钢结构以及承受动载的结构设计中，所有连接节点均采用了高强度螺栓连接方式。
高强度螺栓受剪力时按照设计和受力要求的不同，可分为摩擦型和承压型两种。摩擦型高强度螺栓连接在受剪设计时以外剪力达到板件接触面间由螺栓预压力使板件压紧所提供的最大摩擦力为极限。在设计摩擦型高强螺栓时，应保证连接点在整个使用期间外剪力不超过最大摩擦力，即能由摩擦力完全承受，使板件间不会发生相对滑移变形，螺栓杆和孔壁间始终保持原有空隙，连接件按弹性整体受力考虑。承压型高强度螺栓连接在抗剪设计时只保证在正常使用荷载作用下，剪力一般不会超过最大摩擦力，其受力性能和摩擦型相同。若剪力超过最大摩擦力时，连接板件间将发生相对滑移变形直到螺栓杆与孔壁一侧接触，之后连接就靠螺栓杆身剪切和孔壁承压以及板件接触面间摩擦力共同传力。
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图3
因国内使用承压型高强度螺栓连接较摩擦型高强度螺栓连接少，故设计参考资料较少，多数教科书对摩擦型高强度螺栓连接介绍较详细，而对承压型高强度螺栓连接介绍较简单，我们在设计中以我国现行结构设计规范（以下简称规范）为主，参考了英美规范。承压型高强度螺栓连接的计算：其抗剪连接沿杆轴方向的受拉连接同时承受剪力和杆轴方向拉力的承压型高强度螺栓连接计算需按规范进行。原规范中规定的在抗剪连接中以及同时承受剪力和杆轴方向拉力的连接中，作了承压型高强度螺栓的受剪承载力设计值不得大于按摩擦型连接1.3的规定，主要是当时对承压型高强度螺栓的研究还不够深入，尤其是缺乏使用经验，应慎重计算。我们采用承压型高强度螺栓的承载力不超过按摩擦型计算的1.3倍，以确保结构安全可靠。此外按规范规定结构的平均荷载分项系数约为1.3，满足此项要求的承压型高强度螺栓在荷载标准值情况下不致产生滑移，则对保证结构的变形是有利的，但不能充分发挥承压型高强度螺栓的效能，而采用承压型高强度螺栓的前提是结构中允许发生一定滑移变形的连接，这相当于对承载力进行了控制。
2.3 栓焊混合连接节点
栓焊混合连接节点：梁翼缘与柱翼缘完全采用坡口焊接（图4），而梁腹板采用普通或高强螺栓与柱翼缘连接的形式，这种连接形式是业内的专家和学者们认可的一种形式。
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图4
纯螺栓或栓焊连接只是考虑现场施工方便，通过对日本、美国近来的地震破坏资料研究表明，定位螺栓联合焊接的方式将是高层、超高层钢结构工程的首选。这种连接的优势在于不但可以保证节点属于刚性连接，同时结构可以承受动力荷载，经过反复加载后节点承载能力基本没有降低。但有关试验表明，这种形式的连接在经过多次非常剧烈的反复加载后会突然断裂，表明与柱子腹板的这种连接具有的延性较全焊接连接节点具有的延性稍差，但栓焊混合节点也能满足工程抗震所要求的延性。另外连接处梁、柱的强度由于打孔的原因均被削弱，施工过程复杂。
2.4 狗骨式节点
狗骨式节点是近几年专家学者开始研究的一种新形式节点。这种节点的设计思想是梁的削弱部分截面能够改变塑性铰出现的位置，迫使在极限荷载作用下塑性铰偏离脆弱的节点连接处，通过削弱梁来保护梁柱节点。采用这种节点经过对梁进行合理的截面削弱，使得较长的一段梁几乎同步进入了塑性，真正做到了增加梁柱节点的延性，充分发挥了钢材的塑性。当然，要保证设计对梁的削弱所造成的结构刚度和强度在正常结构设计荷载作用下完全能满足要求。
骨形连接的具体构造：以距柱面150 mm处作为梁上下翼缘两侧弧形切削的起点，切削面应刨光，切削后的翼缘净截面面积不宜大于原截面面积的90%，但应能承受按弹性设计时多遇地震下的组合内力。
3 节点破坏原因的探讨及防止破坏的措施
3.1 钢结构节点脆性破坏的形态与原因
在美国Northridge地震中梁柱节点最多的断裂主要发生在焊透的对接焊缝连接的梁柱节点上，多为脆性断裂，破坏形式有下列几种：①下翼缘焊缝与柱子翼缘完全脱节或下翼缘焊缝裂缝一直扩展到柱腹板或梁腹板，这是梁柱节点的主要震害形式;②裂缝从下翼缘垫板与柱的连接处向柱翼缘中部扩展，甚至使翼缘劈裂;③裂缝穿过柱翼缘向腹板扩展;④裂缝从焊趾处向梁腹板扩展。
这些破坏形式是由于焊缝质量缺陷使焊接节点发生断裂破坏造成的。在破坏的节点断面上可以观察到熔渣及不完全熔化等现象，这些缺陷是节点脆性破坏的直接原因。而不恰当的焊接工艺容易在材料中产生大的焊接残余应力，使热影响区在收缩时产生裂纹，从而造成焊缝的不连续性，这也被认为是梁下翼缘首先出现裂缝的主要原因。
3.2 塑性铰范围小引起的整个节点的脆性破坏
钢结构抗震设计的基本原则是“强柱弱梁，强节点强锚固”，但是在强调节点强度的同时忽略了节点的延性。在地震作用下梁柱节点处的梁首先屈服，形成延性很好的塑性铰。这段塑性铰区也包括靠近节点处的一小段梁翼缘。尽管钢材具有很好的延性性能，但因为节点处延性较差，因此会在塑性铰形成前焊缝处的应力就达到了焊缝的破坏应力或是端部翼缘达到梁钢材的极限强度，造成节点的脆性破坏。因此在设计时，要保证节点塑性区的长度范围，以使钢材的延性充分发挥。
3.3 梁翼缘的应力不均匀分布引起的脆性破坏
钢结构连接主要有内隔板式、外隔板式和内外隔板式3种，普遍使用第3种连接。在大量的地震中，内外隔板式梁柱节点的脆性破坏都是从焊缝端部的焊趾开始。同时，试验表明梁体的翼缘在靠近节点焊缝处的应力分布极其不均匀，在距离柱边一个翼缘宽度以外，应力分布逐渐均匀。根据试验绘制的翼缘应力分布图，靠近焊缝处梁体中轴线处的应力小，边缘的应力大;距离节点焊缝距离越远应力分布越均匀。普通节点在梁端竖向荷载作用下的应力分布图也可以看出梁的翼缘上的应力分布，即边缘应力大，中间应力小。梁翼缘处出现这种应力分布情况，主要是由于梁腹板对翼缘的嵌固作用导致梁边缘部位的应力小于中轴线的应力。
在地震作用下，由于这种应力分布的不均匀性，梁将首先从边缘进入塑性状态。同时由于钢材的应变硬化效应，在中轴线处梁翼缘达到屈服应力并刚刚形成塑性铰或还没有形成塑性铰之前，边缘处的应力可能已经达到了钢材的极限强度或焊缝的破坏应力，产生裂纹。另外在梁腹板与柱连接处没有竖向加劲肋，由于柱翼缘平面外的弯曲变形使得梁腹板承受的弯矩减小，引起梁翼缘应力增加。因此在塑性变形很小的情况下，节点就发生了破坏。
3.4 防止节点脆性破坏的一般措施
对于焊接节点，施工时应按照国家规范的规定，对焊接材料、焊接方法、焊后热处理进行评定;焊接时保证焊缝质量，消除气孔、熔渣和未熔合缺陷，一旦有缺陷要及时清除后再焊，避免引起接头强度和延性的下降;根据受力情况要对焊缝进行必要的强度验算。
在地震时因为支座锚栓小而被拉断，螺栓抗剪强度不足被剪断、杆端拉断等造成节点破坏也是震害的主要现象。螺栓连接的施工质量直接影响着整个结构的安全。对于螺栓连接处，一定要按照国家规范在施工前进行检验和复检，合格后才能进行安装施工。
采用狗骨式节点。狗骨式节点是近年来研究最多的一种节点形式，目前已在工程中得到广泛应用。其设计理念是以不显著降低框架的梁强度为前提，对梁翼缘进行适当削弱，在强震的作用下迫使塑性铰在偏离节点根部的位置形成，从而起到保护节点的目的。但是由于这种节点在施工中对梁翼缘施焊时要用到焊接垫板，加之翼缘焊根处常出现未焊透的现象，因而在垫板与柱之间会出现“人工裂纹”。这条裂纹往往是强震作用下节点开裂的起点。所以在施工时要充分注意焊接质量。
采用托座式节点。托座式节点是一种改进方案，用两个托座分别将梁的上下翼缘和柱翼缘连接起来，而托座与梁翼缘则可通过焊接、铆接或螺栓连接起来。这种节点的塑性铰出现在梁上，比普通的焊接节点表现出更好的延性，但工程造价相对较高。
采用铸钢节点。铸钢节点是根据钢管直接汇交而成的形状制模而后经浇铸成型的节点，整体性和强度均得到增强。铸钢节点与相连钢管需要现场组对、焊接，每一个铸钢节点的安装精度都直接影响到与之相连的钢管的安装和与另一头相连的铸钢节点，因此安装过程中的累计误差控制至关重要。
小结
在钢结构设计工作中，连接节点的设计是一个重要的环节。为使连接接点具有足够的强度和刚度，设计时应根据连接接点的位置及其所要求的强度和刚度，合理地确定连接节点的形式、连接方法、具体构造以及基本计算公式。从以上的分析还可以看到，建筑钢结构的节点脆性破坏是可以避免的，而为了防治地震中出现的梁柱节点脆性破坏现象，研究人员对节点的设计也作了较大的改进，其目的就是使节点具有更好的延性和强度。在今后的设计和施工中，还应加强节点的构造措施，同时保证施工质量，确保建筑钢结构的抗震安全性能。
