一種新型的鋼結構連接

劉 猛，相仁鳳

（遼寧工業大學，遼寧錦州121001）

一種新型的鋼結構連接

劉 猛，相仁鳳

（遼寧工業大學，遼寧錦州121001）

鋼框架結構在現代社會的應用越來越廣泛，其梁柱連接是整個框架結構設計的重點，梁柱連接性能的好壞直接關系到整個框架結構的安全性。通過研究綜合各種連接的優勢，將螺栓鑄鋼支架和帶有狗骨式梁翼緣的ConXtech連接相結合，形成一種新型的連接方式，更好地增加了節點延性，在地震發生時可以抵抗更大的變形，提高了結構的穩定性。

鋼框架；梁柱連接；新型連接

0 引言

鋼結構由于自重輕、強度高、延展性好等優點，被廣泛地應用于工程建設中。在鋼結構設計中，梁柱連接的節點設計是重中之重。許多鋼結構建筑都是由于節點的破壞而造成了整體的毀壞。這種破壞是不可恢復的，造成的損失也是不可估量的。1994年美國Northridge地震中鋼結構建筑的節點出現了500多處的脆性破壞。因此，國內外科研人員就梁柱節點做了大量研究，在傳統連接方式基礎上，提出了一些新型連接方式。所謂新型連接，是指在傳統連接的基礎上，與傳統普通節點相比，運用了一些更先進、更特別的節點連接方式，更好地保證節點安全，更好地實現“強柱弱梁”“強節點弱構件”的設計理念。這種新型的連接方式在改善節點延性和耗能方面發揮了積極的作用。同時一些新型連接技術開始出現在市場上，并獲得了眾多工程師的一致認可。目前，通過用于工程實際的傳統連接包括：梁削弱型連接、翼緣板擴大型連接和無需加固的焊接邊緣。另外，在梁的上下翼緣采用T連接也較廣泛地應用于工程實踐。本文介紹了一種更經濟更有效的方法來設計鋼框架連接，這種連接方法能夠改善建筑物的性能，在經歷大地震后可以更快速地進行修復，這將為傳統的連接設計提供一定優勢。

1 典型節點連接

在標準規范中列舉的一些新型連接包括Kaiser螺栓支架和ConXtech現場拼接。目前正處于模擬測試階段的其他連接包括側板、腹板和銷保險絲連接。側板連接系統可以提高連接的可靠性，因為側板連接僅采用角焊縫和不完全熔透的坡口焊縫，另外側板連接還進行了其連續性倒塌試驗，結果表明該連接改進了自身技術性要求等方面的應用；腹板連接極大提高了低周反復疲勞性能，而且能夠在經歷大型地震后不倒塌；銷保險絲連接采用的是一種熔斷機制，在結構破壞還沒有達到預期的轉動能級時用摩擦滑動代替材料屈服來消散能量。

1.1 Kaiser螺栓支架

Kaiser螺栓支架（KBB） 的連接如圖1所示。其構件連接用的是鑄造高強度鋼支架，支架附著在每個梁翼緣上，可以焊接到梁翼緣上，也可以通過螺栓固定在梁翼緣上，然后用高強螺栓將支架固定在柱翼緣上。支架與梁的全部抗彎能力成正比，當遭受大的地震產生變形時，連接力屈服且梁上形成塑性鉸。鑄鋼件連接件在裝運給工程制造商之前，每一個支架都經歷了嚴格的質量控制過程。在工廠車間，支架被系附在梁上，然后現場用螺栓固定在柱上，這消除了所有的現場焊接問題。為確定安裝誤差，支架柱螺栓孔是垂直的短槽而且孔的尺寸稍微會大一點。為增強鋼框架的承載力，通過螺栓固定的支架可以用在改造應用方面，比如說Northridge地震前的建筑，可以提高其彈性和連續性抗倒塌的冗余等級。建筑物使用過程中，螺栓支架的改造排除了對人類健康的危害以及焊接改造可能帶來的火災危險。排除現場焊接通常也可以降低與制造和檢查有關的費用。

圖1 Kaiser螺栓支架連接

1.2 ConXtech連接

ConXtech連接如圖2所示。ConXtech構件連接包括梁、柱、環組件，這些組件通過高強螺栓預應力錨件形成了一個壓縮環連接。在方形柱和工字梁之間，這些錨件提供了嚴格的雙向軸向定位，壓縮環被焊接到方形柱的四個角上通過焊接連接到寬翼緣梁的頂底翼緣上，此種連接最多可接受四個彎矩連接梁和一個柱截面，由ConXtech連接建立了一個直立、穩固的結構。為滿足梁柱屈強比的限制，可以對梁單元進行削弱，提供足夠的強度來抵抗梁屈服。

圖2 ConXtech連接

1.3 銷保險絲連接

銷保險絲連接如圖3所示。

圖3 銷保險絲連接

銷保險絲連接由Skidmor、Owings和Merrill三人創造，此連接處包含一個弧形板，鄰近梁柱連接處，其端部用摩擦型螺栓和一個鋼銷或空心管連接。嵌套的弧形板之間用剛墊片填筑，這樣鋼板彼此之間可以相對移動，以銷為旋轉中心就形成了一個旋轉鉸。摩擦型螺栓將弧形板和墊片緊緊鎖住在一起，并提供旋轉阻力來承受梁單元上的負擔。銷抵抗梁上的剪力和軸向荷載。設計中螺栓用來維持風荷載和中等地震中產生的連接剛度。在更大的地震事件中，設計在開槽空洞處的螺栓可以滑動，通過摩擦阻力來消耗地震能量。這項連接對體系來說充當著保險絲的作用，設計的鋼框架在整個旋轉過程中保持著彈性。震后發現，結構框架保持相對穩定，并沒有出現極大破壞，仍有抵抗破壞的能力。通過松開和擰緊螺栓等協助措施，可以回歸到鄰近的初始位置，從而降低了潛在的或永久性殘余變形。框架和連接處保持著結構完整性，并且降低了結構維修的費用。

在典型的表現良好的公共領域鋼框架中，我們期望在整個的抗彎矩梁上都出現顯著的塑性鉸，如果不出現顯著的塑性鉸，將會導致建筑物發生偏移，而且還可能降低鋼框架的強度和剛度，從而影響承擔極限荷載的能力。銷保險絲連接恰好是一項全部通過螺栓連接的現場連接方式。柱子是預制的，通過一個短梁柱和一個圓形鍍金板連接而成；梁也是預制的，在每個梁的端部匹配一個圓形板，然后懸掛和固定在梁根部。考慮到施工帶來的偏差和先后順序不同，沿其長度方向拼接梁是十分必要的。這項連接也有足夠能力容納支架和減震器附件。

其他新型連接還包括開槽腹板連接、側框板連接等等。開槽腹板連接是由地震結構設計協會（SSDA）研發的連接方式，即在梁翼緣的內側開創一個水平槽來分割梁的翼緣和腹板，開槽將梁單元分割開來，這樣剪力就由腹板全部承擔，而梁上的彎矩則由翼緣承擔。SSDA聲稱此種連接方式可更好地控制韌性梁屈服，延長其使用壽命。而側板連接的原理是使用一系列的水平板覆蓋于翼緣腹板之上，然后現場進行角焊縫焊接，這樣即可以在寬翼緣的梁柱之間創造剛硬牢固的連接。

2 新型節點連接

2.1 新型節點連接方法

在前人研究的基礎上，綜合各種連接的優勢，將螺栓鑄鋼支架和帶有狗骨式梁翼緣的ConXtech連接結合，充分考慮兩種連接中節點的優勢。新型連接如圖4所示，這種新型的連接方式更好地增加了節點延性，地震發生時可抵抗更大的變形，保持結構的穩定性。

圖4 新型連接模型

ConXtech鑄鋼件連接包括高強鑄鋼支架和RBS鋼梁以及方箱型柱。制造工廠里，梁的上翼緣通過削弱成狗骨式形狀，在強大地震作用下，梁端出現塑性區并通過塑性鉸的形成和轉動耗散能量。即削弱部分起到了保險絲的作用，地震作用下塑性鉸遠離節點焊縫，出現在延性大的梁上，從而起到保護節點的作用，做到真正的延性設計。在梁上下翼緣通過焊接或者螺栓固定鋼支架，在方箱型柱和沒有現場焊接的工字型鋼梁之間，這些鋼支架提供嚴格的定向鋼支撐。然后施工現場用高強螺栓固定在柱子上。由混凝土填實的方箱型柱，通過樓層標準用一定的方式進行預制，且是豎立的。寬翼緣梁也是預制的，通過降低削弱梁翼緣，由梁上下翼緣上的高強鑄鋼支撐建立一個直立、穩固的結構。只要梁柱連接節點處所有梁就位，四周的鋼支撐沿其鄰邊方向彼此之間相互作用，通過高強預應力螺栓使其鋼框架結構更加穩定。

另外，考慮到鑄鋼件有一定脆性，如果框架結構的延性、耗能能力以及抗震性能達不到設計要求，必要時可考慮在梁柱之間增設端板。端板連接具有一定的柔性，鋼框架采用這種連接形式，可以增加結構的阻尼，延長結構自振周期、減小振幅，從而降低震害，是一種理想的抗震形式。端板與鋼梁之間的組合還會大大改善節點的受力性能，提高節點的初始轉動剛度和抗彎承載力，從而保證鋼框架結構在地震中具有更好的延性和耗能能力。

2.2 新型節點連接優勢

2.2.1 提高延伸性和可靠性

在1994年Northridge地震中發現，一些抗彎鋼連接在傳統連接節點處即梁柱翼緣的焊接處經歷了大量脆性破壞，這種脆性斷裂是毫無征兆的、突然的斷裂。之后許多新型連接相繼出現，通過鋼梁上形成的塑性鉸來考慮能量耗散，可以達到結構的預定設計概念和行為對象。現在所有用在特殊部位或中間的鋼支撐框架的抗彎連接都被測試質量合格且符合標準規范，進行這些連接測試的目的是為了證明，在具體的行為模式下，通過控制延性屈服連接可以承擔巨大的非彈性變形。目前，有些新型連接已經通過替代工藝使其連接符合要求。

2.2.2 改善實施性和節約成本

除了改進的性能，新型連接也是鋼框架結構更經濟、更便捷的連接方式之一，主要內容包括：

第一，盡量減少或排除昂貴的、耗時的現場焊接方式。在現場梁柱翼緣接頭處采用完全熔透焊接可能需要幾個小時來完成，還可能需要檢查和無損檢測。

第二，改善施工性，提高生產效率。創造新型、簡單的連接方式，使框架更加牢固，整體穩定性更好。將現場關鍵性的制造階段遷出，然后在車間進行制造，這樣可以更好地控制過程處理，而且更有效。

第三，減輕自重。一些新型連接經過批準認可，比普通連接更適合輕質高強的鋼構件。在用鋼量最省時，仍可提供強度、剛度都較大的鋼框架，這在抗彎鋼框架的偏移設計中是一大優勢。

2.2.3 提供可靠的技術支持

技術支持可能是支持采納以上連接方式的最大優勢之一。通過框架連接的建筑規范規定、計算機模擬以及橫向設計與優化的幫助，為整個鋼框架的質量安全和工程效益提供了一層額外的保障。

3 結論

以上幾種新型連接系統都為連接設計提供了切實可行的方法，梁柱連接的節點設計是整個框架設計的核心，保證鋼框架整體的穩定性和抗震性，節點設計必須實現安全、經濟和耐久。隨著技術的不斷發展，必將設計出更加安全經濟的梁柱節點。Kaiser螺栓支架連接采用的是高強螺栓，易安裝易就位，施 工便捷，避免了現場焊接，強震作用下會在梁上形成塑性鉸，確保節點安全；銷保險絲連接采用的是一種熔斷機制，靠滑動摩擦來耗能；新型的鑄鋼支架與狗骨式結合的節點充分利用了兩者的優勢，更好地增加了節點延性。因此，為進一步提高施工效率、節省投資、改善結構性能，新型連接系統還需要繼續深入研究。

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[2]豐定國,王社良.抗震結構設計[M].武漢：武漢工業大學出版社,2001.

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［責任編輯：劉 月］

A New Type Connection of Steel Structure

LIU Meng,XIANG Renfeng
(Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China)

Steel frame structure is applied more and more widely in modern soceity,its beam to column connection is the key point of the frame structure design,and the connection function is directly related to the safety of the whole frame structure.According to the comprehensive research on various connections'merits, the bolt cast steel bracket and the ConXtech with dog bone type beamflange are connected,forming a new type connection,increasing the knot's extensibility,resisting greater deformation while earthquake occars and improving structure stability.

steel structure;beam connection;new type connection

TH131

A

2095-5928（2014）05-51-04

2014-06-21

劉猛（1968-），男，遼寧錦州人，副教授，博士，研究方向：結構工程。