第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
钢结构具有自重轻、强度高、抗震性能好、工业化程度高和易拆易装配等优势，在经济发展中起到了举足轻重的作用。近年来我国钢结构也得到了前所未有的发展，奥运会体育场馆“鸟巢”的建设，国家大剧院的建设，上海环球金融中心的建设，无不体现出钢结构巨大的发展潜力和优势，在公共建筑和民用住宅方面也大有用武之地。 目前的钢结构住宅及公共建筑大多采用框架结构。钢框架结构具有平面布置灵活，安装施工方便，构件易于加工等优势，在多高层钢结构建筑中具有广泛的应用。钢框架结构中，柱一般采用箱形柱、H 形截面柱和圆钢管柱。箱形柱具有良好的截面特性，在两个主轴方向的惯性矩相当，具有良好的抗弯及抗扭性能。梁一般采用 H 形截面梁和箱形梁。与 H 形截面梁相比，箱形截面梁具有诸多优势：在受力性能方面，梁截面开展，具有较大的承载能力，整体稳定性好，不易发生失稳破坏，抗扭性能也非常显著；在装饰装修方面，箱形梁截面较为平整，立面处理较为容易，没有阴角；在防腐防锈方面，箱形截面梁与柱具有较好的防腐性能，可在工厂内一次加工成形，避免了复杂的加工工艺，容易保证质量，降低成本[1-3]。
在框架结构中，节点是重要的传力枢纽，是保证框架结构整体受力性能的关键部位，节点连接质量的好坏直接影响结构的整体质量。目前的连接节点中，主要有焊接节点、栓焊混接和全螺栓连接节点。焊接不易保证焊缝质量，受技术人员水平和环境因素影响较大，而且焊接会产生焊接变形和焊接应力，对节点质量影响较大；螺栓连接可实现现场的快速装配，连接安全可靠，传力直接，但也存在螺栓数量较多，在封闭截面不易安装等缺点。因此，研究出构造简单，传力直接，施工方便快捷的优质梁柱节点尤为重要[4, 5]。
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1.2 常用的梁柱连接节点形式
1.2.1 栓焊混合连接
栓焊混合连接是一种将梁翼缘与柱隔板采用焊接连接，梁腹板与柱预先焊接的连接板采用螺栓连接的连接方式。该连接一般适用于箱形柱、H 形柱与 H 形钢梁的连接，是目前应用最为广泛的 H 形梁-柱连接方式。栓焊混合连接节点具有较多的连接形式，有的将上、下翼缘与柱采用焊接连接，腹板与柱采用螺栓连接，节点构造如下图 1-1（a）所示[6]；有的将上翼缘与柱采用焊接连接，下翼缘及腹板采用螺栓连接，节点构造如图 1-1（b）所示[7]；还有在柱端制作悬臂段，再将悬臂段与主构件梁进行拼接，主构件梁上、下翼缘与悬臂段上、下翼缘进行焊接，主构件梁腹板与悬臂段腹板进行螺栓连接，节点构造如图 1-1（c）所示[8]。
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第 2 章 带悬臂段的箱形截面梁-柱全螺栓连接节点的设计
2.1 带悬臂段的箱形截面梁-柱全螺栓连接节点设计
2.1.1 设计原则
（1）节点在现场为全螺栓连接，螺栓全部受剪连接；
（2）连接板作为箱形梁的附件随构件一起吊运，外侧连接板通过旋转就位，就位后，内侧连接板采用滑移就位；
（3）悬臂段安装孔为塑性铰发生处，实现“强节点，弱构件”。
2.1.2 带悬臂段的箱形截面梁
柱全螺栓“单剪”连接构造
（1）带悬臂段的箱形截面梁-柱“单剪”全螺栓连接节点组成 带悬臂段的箱形截面梁-柱“单剪”全螺栓连接节点示意图如图 2-5 所示。该节点主要由梁端和柱端两部分组成。
梁端由箱形梁及其附带的连接板组成。箱形梁上开设螺栓孔及安装孔（安装孔是否开设及封堵要求见本节 2.2.4 介绍）。连接板用两颗螺栓固定在箱形梁上，作为箱形梁的附件随箱形梁一起出厂。带悬臂段的箱形截面梁-柱“单剪”全螺栓连接节点梁端示意图如 2-6（a）所示。
柱端由箱形柱以及焊接在箱形柱端的箱形悬臂段构成，箱形悬臂段开设有螺栓孔和安装孔。带悬臂段的箱形截面梁-柱“单剪”全螺栓连接节点“柱端”示意图如 2-6（b）所示。为满足“强节点，弱构件”设计理念，采用四块加劲板对节点域进行加强，安装步骤如下：
1）将四块加劲板与箱形柱进行焊接；
2）通过安装孔对悬臂梁段的翼缘及腹板施焊（与箱形柱表面向内坡口焊）；
3）采用角焊缝施焊加劲板与悬臂段的翼缘及腹板。
2.2 带悬臂段的箱形截面梁
柱全螺栓连接节点相关参数初选 本节点中柱截面采用□500×500×12×12，箱形梁及悬臂段截面采用□500×250×10×12，以此为基数进行其他参数的选取。假设该梁的弯矩设计值M = 1000kN · m，剪力设计值为V = 300kN。
2.2.1 连接板板厚
根据等强原则[39]，连接件的截面面积应大于等于被连接板件的截面面积，在“单剪”情况下，腹板连接板厚度等于箱形段腹板厚度 tf，翼缘连接板厚度等于箱形段翼缘厚度 ty。 同理，在“双剪”情况下，采用双盖板连接方式，因翼缘和腹板内连接板宽度要略小于被连接件的宽度，内、外连接板厚度之和要大于被连接件厚度 1-2mm。[40]
2.2.2 螺栓布置
（1）螺栓孔布置要求
为实现外连接板旋转就位安装，沿构件长度方向中心轴位置必须布置一排螺栓，其他螺栓以构件长度方向中心轴为对称轴，在中心轴两侧对称布置，所以螺栓必须呈奇数排布置；为实现外侧连接板旋转 180°后螺栓孔仍能重叠，螺栓布置必须以旋转中心中心对称，所以螺栓列数也必须呈奇数列布置；为实现拼接截面两侧等强，螺栓列数以拼接位置截面为对称轴，两侧螺栓呈对称布置。总之，螺栓布置应以奇数行、奇数列布置，并应沿拼接截面对称布置。螺栓既可以采用并列布置，也可采用错列布置，满足中心对称即可。若螺栓排列不满足中心对称，可在螺栓群形心位置开设一螺栓孔，该螺栓仅作为构造作用考虑，受力上不予考虑，仅满足连接板在运输及安装时的作用即可，螺栓直径选取为受力螺栓的 1/3—1/2 即可。
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第 3 章 带悬臂段的箱形截面梁-柱全螺栓“单剪”连接节点的有限元分析 ........ 35
3.1 有限元模形的建立...................................... 35
3.1.1 单元类形的选取 ............................ 35
3.1.2 材料本构关系的定义 ............................ 36
第 4 章 带悬臂段的箱形截面梁-柱全螺栓“双剪”连接节点的有限元分析 ........ 67
4.1 带悬臂段箱形截面梁-柱全螺栓连接节点抗弯性能分析............................. 67
4.1.1 带悬臂段箱形梁-柱全螺栓连接节点破坏模式 ................................. 67
4.1.2 不同参数对节点初始转动刚度和极限承载能力的影响 ................... 69
第 5 章 工程算例及应用 ............................ 95
5.1 某多层阶梯教室钢框架角柱应用 .......................... 99
5.2 某多层阶梯教室钢框架边柱应用 ........................... 100
5.3 某多层阶梯教室钢框架中柱应用 ...................................... 101
第 5 章 工程算例及应用
5.1 某多层阶梯教室钢框架角柱应用
本模形采用平面布置图中轴线 11 与轴线 C 交点的角柱。角柱为原结构箱形截面柱，规格为□400×400×20，两侧连梁采用箱形梁，分别为 GL02 和 GL03。
楼面板按照单向板进行计算，按照荷载传递路径，将面荷载转化为线荷载加载到箱形梁上，并根据实际荷载，将荷载进行简化为集中力和弯矩加载到模形梁端，达到与实际状况完全吻合的目的。模形中轴压比取 0.2。
对以上参数对进行建模，节点的应力和变形图如下：
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第 6 章 结论与建议
6.1 结论
本文以箱形截面梁-柱节点为研究对象，根据装配比、抗震性能等要求，进行了节点的连接构造设计，初选了节点的相关参数，给出了节点的承载力计算方法。采用ABAQUS 有限元分析软件对“单剪”、“双剪”节点分别建模，分析了连接板厚度、加劲板厚度、悬臂段长度、拼接间距、安装孔截面高度、柱的轴压比、接触面处理方式及安装孔是否补强等因素对节点的转动刚度与承载力的影响，得出了节点在 M、V、T作用下破坏模式，应力分布情况、变形特点等。
（1）提出了带悬臂梁段的连接节点形式：焊接箱形截面梁适用的全螺栓连接节点方案——衬板连接板方案；轧制箱形截面梁适用的全螺栓连接节点方案——嵌套箱梁方案。
（2）给出了节点在 M、V、T 作用下连接板、高强度螺栓的选取布置方法，采用“双剪”比“单剪”节点板自重减少约 40%，高强度螺栓数量减少约 40%。
（3）通过节点控制安装孔截面参数、轴压比及试验方式等来实现截面的“构造封闭”与“可靠封闭”，实现塑性铰发生位置的可控。
（4）分析了节点几何参数、结构参数对转动刚度和承载力的影响，给出了相关参数的选取范围。
（5）通过实际工程的对比，采用箱形截面梁比工字形截面梁用钢量减少 9%，净高增大 100mm，连接板用量增加约 5 倍，高强度螺栓总重增加 1.4 倍，且现场为全螺栓连接。
参考文献（略）