摘要：过去的一百多年中，（钢结构设计培训）材料科学和抗震设计思想上的革新以及经济的迅速发展不仅使得高层钢结构在结构体系上发生了巨大变化，而且其梁柱节点形式也发生了翻天覆地的变化，它经历了从不合理到合理、不经济到经济的发展过程，大致经历了普通螺栓连接、铆钉连接、高强螺栓连接和焊接等几个发展阶段。
关键词：建筑；框架；研究
1 梁柱节点在高层钢结构中的地位
梁柱节点是高层钢结构中的关键部位，其设计的优劣不仅关系到钢结构优良抗震性能能否得到充分的发挥，而且还直接影响到结构的造价。梁柱节点的设计思想不仅受到抗震设计理论的影响，同时也受到加工工艺、施工手段、造价及钢材质量等诸多因素的制约。可以毫不夸张地说，钢结构的梁柱节点设计是高层钢结构中最具份量的设计之一。
2高层钢结构梁柱节点的形式演变
此时比较典型的节点形式如图1.1所示[1]，采用的连接形式是用角钢和铆钉将梁的腹板和柱连接起来。
在高层建筑钢结构大量地涌现，铆钉现场安装工序繁琐且带来噪音使得都市市民无法忍受，所以现场安装的铆钉逐渐开始被螺栓现场安装所代替。也就是说，节点的连接形式由全铆钉连接变为工厂铆钉连接、现场普通螺栓连接的铆钉、螺栓共存的形式。这时，比较典型的节点形式。50年代，性能优良的高强螺栓的出现标志着铆钉连接被淘汰。
五、六十年代，人们开始认识到焊接技术的优越性，它不仅性能好，而且具有施工速度快、无噪音、外观效果好等优点。特别是六十年代出现的焊接性能优良的A-36号钢的上市，更是大大推进了焊接技术的应用。它是通过盖板和连接板将翼缘和梁腹板同柱连接起来，其中盖板和连接板和柱之间通过工厂焊接连接，与梁翼缘和梁腹板之间通过现场高强螺栓连接。
八十年代以后，钢材的焊接性能大大改善和现场焊接技术的进一步提高再一次大大推进了高层建筑梁柱节点的发展。
它是Northridge地震后最先提出的一种改进方案。其设计思想是加强节点承载能力。这种节点在实验室进行的大尺寸试件研究时，延性要好于以往的节点，但有时也出现脆性破坏。对于这种节点，最大的困难就是盖板与梁翼缘的焊接及检测，特别是采用厚盖板时将使坡口焊很大，致使焊缝的收缩、复原等更加困难，同时更容易在梁翼缘和盖板的交界处产生更大的残余应力。
它用两个托座分别将梁的上下翼缘和柱翼缘连接起来，托座与梁翼缘一般通过焊缝连接，托座与柱翼缘则可通过铆接、螺栓连接或焊缝连接。其中当托座与柱翼缘通过螺栓连接时一定要使用大的、高强度螺栓，以保证节点为刚性连接。这种节点形式在实验室研究中也表现出很好的延性，但造价相对较高，这种节点形式的设计思路是通过加强节点的强度使得塑性铰出现在梁上。
3 美国Northridge地震和日本阪神地震震害
1994年1月17日，一场中等大小的地震（里氏6.8级，最大地面加速度约为美国地震设计值的一半）袭击了洛杉矶西北郊区，忽然之间，Northridge城成为美国乃至全世界结构工程师众所周知的地方。地震后进行的严密调查表明：在此区域内，超过100栋钢框架结构建筑中存在梁柱节点破坏，大部分为脆性破坏。1995年，日本兵库县南部发生了里氏7.2级Kobe地震（阪神地震），地震也使大量钢结构节点产生破坏，地震中的钢结构，虽然其设计依据和施工方法与美国有所区别，但节点的破坏呈现出同样的脆性破坏特征。
在Northridge地震的大多数钢结构建筑中都使用了专门的抗弯钢框架（SMRF）。这种框架没有斜撑，其典型的节点形式如图1.10所示。在此节点中，梁的上下翼缘和柱翼缘是通过焊缝连接的，用来传递梁端弯矩；梁腹板和柱翼缘是通过两块剪切板连接的，用来传递梁端剪切力，其中，柱翼缘和剪切板通过焊接连接，梁腹板和柱翼缘通过高强螺栓连接。另外，在梁腹板的上下端切割出焊接工艺孔，在梁翼缘的下部有焊接垫板，以方便焊接。
4节点脆性破坏原因分析
经过地震后的研究和调查，各国学者纷纷总结节点脆性破坏的原因，总的说来，原因是多方面的，大致归纳如下几点：
4.1材料属性
尽管钢材通常被认为是延性材料，但是这只是在小截面杆处于单向轴应力状态的普通情况下才是真实的，此时，均匀的小横截面杆不会受到侧向约束，允许侧向收缩，到达强度极限时，会出现颈缩和剪切滑移层。
钢材的断裂韧性是另一个值得关注的问题。已经有过一些关于低韧性母材的报告，但是它们往往被当作是意外。但是，越来越明显的证据说明焊接过程中热量的输入是非常高的，在某些情况下甚至超过了4KH/mm。和高温交叉影响一起时，很可能会严重地降低热影响区（HAZ）的韧性。同时，高温交叉和热量输入也会降低某些焊缝的屈服强度和拉伸强度。
焊接金属的断裂韧性是另外一个值得关注的问题，Northridge地震前使用的规范没有规定焊缝的最小韧性等级，允许使用通常的自我防护轴心焊条E70T-4，这种焊条没有最小的韧度要求。在通常情况下，实际的焊缝韧性在20℃时小于15J，有些小于7J。这么低的韧性，加之焊接垫板偏差和工厂施工的质量差异等因素，当受到周期性荷载时，节点通常很容易就发生脆性断裂。
另外一个关于钢材力学属性的重要事实是钢材的实际强度往往要比设计中假设的强度大得多，从而使得设计者无法有根据地进行设计。
4.2工艺
施工过程中，很可能不间断地焊接完顶部翼缘全长，而焊接梁的底部翼缘时则困难得多，因为梁的腹板不允许沿翼缘宽度进行连续焊接，焊接工需要将焊条穿过焊接工艺孔而达到翼缘的边缘，因此，适当尺寸的焊接工艺孔（通常称为‘鼠孔’）可以方便靠近，保证焊接质量。规范给出了最小焊接工艺孔的尺寸通常为35mm，这些最小尺寸对于某些应用还是太小，给焊接工人留出较大的空间以方便焊接金属的沉积是势在必行的。在一栋建筑中，可以增加焊接工艺孔的尺寸，但是，如果剪切板太长，也常常会导致焊接工艺孔和剪切板相交叉。
地震后对破坏节点的调查暴露了一系列与工艺有关的问题，其中包括夹渣、未熔合、不适当的焊透（到焊接垫板上了）现象、焊缝之间不适当的交叉、焊接工艺孔较小。这些问题通常都集中在下部梁翼缘的焊缝部分，这个区域是问题最多的地方，因此，焊接工必须进行特殊的培训是势在必行的。
许多焊接质量问题通常是由于巨大的、厚厚的和较宽的焊接路径造成的，这是高空焊接过程的直接结果。同时，由于高空焊接的速度往往较慢，容易在焊缝处形成很高的热输入区，控制操作的恰当方法是控制热量输入或者控制焊珠尺寸（就象规范中规定的那样）。这些措施可以在那些超过12mm厚的焊缝（它是规范中规定的6mm极限的两倍）中看到。
总之，焊接质量受到三个方面因素的影响：（1）随着完全熔合区的减小，局部应力等级被提高；（2）有害凹槽（即人工裂纹）降低了节点抗断裂的能力；（3）随着焊缝的断裂韧性和热影响区（HAZ）断裂韧性的减小，节点的抗断裂能力进一步被削弱。
4.3 检查、验收
规范中保证质量时使用的主要方法是在整个过程中不断进行监控、检查。虽然超声波（UT）已成为确认焊接质量的有力工具，但是还是无法决定关键性的焊接变化是否得到了恰当的控制。这些可能的变化包括预热、焊接电流值、电压值、焊接速度、焊条的扩展、极性和焊珠顺序。在焊接过程中不断进行监控对于确保焊接质量是有必要的。
5延性
在Northridge地震中损坏的结构中，很少有证据能证明在地震中形成了塑性铰区，地震能量被直接传递到了节点上，使得节点出现超载并引起发生断裂。众所周知，应力-应变曲线下的区域代表的就是总的吸收能量，因此，屈服发生时必然会吸收巨大的塑性能量。但是，当屈服点比预料值要高时，屈服就不会发生，在这些构件中吸收的能量也就变得很少，能量就会被传递到节点上。
5.1延性和材料
在美国，常用的结构钢为ASTM A36钢，其最小屈服强度为250MPa。而在二十年前，A36钢材的平均屈服强度已经达到290MPa，到1994年，平均屈服强度已经升至大约330MPa。此平均值比许多设计的假设值高1/3还多。当330MPa是平均值时，某些钢材的屈服强度则更高，380Mpa的大小都变得很平常。
5.2延性和凹槽（人工裂纹）
一种材料的延性很可能只有当构件比较光滑、没有凹槽时才能表现出来。当存在凹槽时，即使是轴向受拉试件，其屈服应力也可能出现明显的提高和较大的伸长。而抗弯钢节点的构造就是如此，当水平梁翼缘和垂直柱翼缘相交时，必然就会出现几何凹槽（人工裂纹）。由于焊缝垫板的存在，此问题变得更加尖锐。未熔合区域或者焊缝中的夹渣和焊接工艺孔不够大将使问题变得更加复杂。在这样的条件下，延性焊缝和延性钢材必然无法表现出延性。
6我国内研究概况
到目前为止，国内在钢结构梁柱节点和框架节点方面展开较大规模研究的只有中国建筑科学研究院和清华大学。从目前的研究报告看，他们已经在高层钢结构梁柱节点的形式、试验研究、有限元分析等方面展开了系统的研究，并且取得了初步的成果。但是总的来说，国内对节点的研究成果并不多，理论方面的研究更是比较薄弱。