剛性鋼框架異型節點的研究現狀

何 川 葉銀平 郭文達

(廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧 530004)

0 引言

隨著人類文明的進步，新的材料、技術、工藝不斷涌現，這為現代建筑的發展開辟了廣闊的道路。在1994年美國Northridge地震和1995年日本Kobe地震中，大量剛性鋼框架梁柱節點出現了破壞現象，因此國內外對此問題進行了較多的研究工作［1，2］，這其中都是針對常規框架節點或半剛性節點的。

近年來隨著工業建筑生產工藝布置需要，在大多數工程中出現了因柱左右兩側梁截面的差異形成的異型節點域。如大型火電鋼框排架主廠房，國內外學者對此問題的研究尚屬起步階段，2010年薛建陽和彭修寧等［3-5］為研究大型火電廠中鋼框架梁柱異型節點的受力性能，按強構件弱節點的要求設計了6個不同軸壓比和梁高比的十字形框架節點試件并對其進行了低周反復加載試驗。

本文根據目前的研究成果從受力性能、破壞狀況及影響因素、抗剪承載力和節點域的設計方法介紹了鋼框架梁柱異型節點的研究現狀，同時指出當前研究中的不足之處，以供參考。

1 異型節點的受力性能

根據已有的試驗資料表明［3-5］，鋼框架梁柱異型節點在低周反復荷載作用下有較好的剛度、延性和抗剪承載力，但節點的剪切變形比一般常規節點要大。異型節點域被與梁翼緣對應的隔板分為兩個核心區，即上核心區(1區)和下核心區(2區)，異型節點域節點的受力分析如圖1所示［4］。

圖1 異型節點受力圖

1)抗剪承載力:上核心區承受的剪力比下核心區承受的剪力要大很多，故上核心區將先于下核心區屈服，且發現當軸壓比在0.2～0.4變化時，節點抗剪承載力變化不明顯;同時梁截面高度比對異型節點的極限承載力有一定的影響，但影響不大;其大小主要與鋼材和節點域的強度有關。

2)延性和耗能性能:異型節點的荷載(F)—位移(Δ)滯回曲線表明，節點的塑性變形能力都很強、滯回曲線飽滿、剛度退化小、承載力高;無論是延性還是耗能能力，鋼結構異型節點和其他常規鋼結構節點一樣，具有很好的抗震性能。上核心區和下核心區不是作為一個整體工作，它們是通過各自的變形分別消耗能量。核心區的延性主要由核心區的剪切變形提供，上核心區和下核心區的剪切角都可以超過0.03 rad，都具有較強的耗能能力。

3)核心區的剪切變形及剛度退化:異型節點核心區的剪力(V)—剪應變(r)滯回曲線表明，當處于彈性階段時，節點域的剪切變形很小，但當節點域進入塑性階段后，節點域的剪切變形將迅速增大，最大時達到0.04 rad。通過比較發現，上核心區的剪切變形在整個加載過程中都要比下核心區的剪切變形大，且在塑性階段更加的明顯，此時上核心區的剪切角比下核心區大約高0.005，同時與常規節點相比，鋼框架異型節點的剪切變形要大很多。

2 異型節點的破壞狀況

2.1 節點域的受力特點

文獻［3］～［5］研究結果表明上核心區和下核心區將共同承受荷載，在加載過程中，核心區斜方向受力最大，上核心區腹板中心將發生屈服，此時下核心區還沒有屈服，兩者不是作為一個整體工作，下核心區將對上核心區起到一定的約束作用;隨著荷載的增大，屈服區將向節點域四周緩慢發展，當上核心區全部屈服后，下核心區才開始屈服，最終達到節點域的全部屈服。

2.2 異型節點與常規節點破壞模式的對比分析

鋼框架梁柱常規節點的破壞基本都是從大梁下翼緣連接焊縫開始，其主要破壞模式為大梁翼緣與柱翼緣交界面連接處出現部分或全部開裂，核心區發生剪切屈曲。由此可見，雖然異型節點和常規節點破壞開始的部位是相同的，但是兩者破壞的發展趨勢和程度都不相同。

破壞模式差異分析:1)節點形式:由于柱兩側的梁的截面高度和剛度都不同，這就造成了異型節點與常規節點受力和傳力形式的不同，且大梁的剛度遠大于小梁，在受力分配時大梁所承受的力要遠大于小梁。2)其他因素的影響:如焊縫質量和應力集中影響的程度不同。

3 鋼框架梁柱異型節點研究中存在的問題

1)異型節點的試驗研究目前還很少，較片面，缺乏完整性。目前僅對箱形柱和梁變截面所形成的十字形異型節點做了相關的研究，而對其他截面類型和節點形式的研究還沒有，如邊節點、變截面柱和變截面梁形成的異型節點等。

2)異型節點的內力傳遞機理不明確:鋼框架梁柱異型節點試驗研究都集中在節點的破壞形態和承載力上，對異型節點的構造和應力傳遞機制的研究還不夠深入;節點承受柱端傳來的軸力、梁端彎矩和剪力，處于復合受力狀態，內力傳遞機理較復雜，受很多因素如框架梁和框架柱類型、鋼材的種類、節點連接的構造形式等的影響。由于當前研究的異型節點為特殊的“強梁弱柱”型節點，在研究過程中只分析了軸壓比、梁高比對此類節點承載力的影響，對其他參數的影響和“強柱弱梁”型異型節點還沒有進行研究，且試驗試件梁、柱內大都采用Q235鋼，不能適應梁柱采用多種鋼材型號的需要。

3)異型節點的空間性能和靜力及動力性能研究較少:從現有的試驗資料來看，因試驗條件限制，目前鋼結構梁柱異型節點的試驗僅為平面加載的擬靜力試驗。而擬靜力試驗無法真實的反映異型節點在地震作用下的受力特點及性能，一方面是由于平面加載無法對異型節點承載力在實際工程中受直交梁的約束作用進行試驗分析和驗證，另一方面因為目前異型節點的抗震試驗只考慮單向地震作用，而實際的地震作用方向是多維的，故當前研究結論有待改進;同時有關鋼結構梁柱異型節點的靜力力學性能的試驗研究還沒有。

4)異型節點承載力的計算公式還有待于進一步改進和完善，提出既合理又簡單的節點域承載力計算公式和構造措施對異型節點在框架結構中的運用具有重要的意義。研究表明異型節點的剪切變形很大，但上核心區和下核心區不是作為一個整體來工作，如何將異型節點剪切變形的影響考慮到鋼框架抗震性能中也需要做進一步的研究，與此同時提出含異型節點的鋼框架結構在不同設計地震水平下的地震響應分析方法和設計方法也是需要解決的問題。

4 結語

鋼框架梁柱異型節點的破壞主要由焊縫撕裂引起，因此焊縫質量顯得尤為重要，同時合理的構造措施也是改善異型節點受力和耗能的重要設計內容。另外，積極開展相關的數值模擬和理論分析是十分必要的，試驗中構件數量、研究的因子都有限，此時數值模擬分析可作為補充手段。

［1］余海群，錢稼茹，顏 峰，等.足尺鋼梁柱剛性連接節點抗震性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2006，27(6)：18-27.

［2］王 燕，彭福明，趙桂明.鋼框架梁柱半剛性節點在循環荷載作用下的試驗研究［J］.工業建筑，2001，31(12)：55-57.

［3］薛建陽，胡宗波，彭修寧，等.鋼結構箱型柱與梁異型節點抗剪承載力分析［J］.土木工程學報，2011，44(8)：9-15.

［4］彭修寧，薛建陽，劉祖強，等.剛性鋼框架異型節點性能及設計方法［J］.土木建筑與環境工程，2010，32(3)：22-26.

［5］薛建陽，劉祖強，彭修寧，等.大型火電主廠房鋼結構異型節點抗震性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2011，32(7)：133-140.