鋼管混凝土—鋼梁加強環式節點研究現狀

徐羊

【摘 要】隨著鋼管混凝土結構得到廣泛應用，其節點連接的可靠性也越來越引起關注。鋼管混凝土-鋼梁加強環式節點以其傳力簡單、剛度大、承載力高等優點，被大量用于工程實踐。本文主要介紹了鋼管混凝土-鋼梁加強環式節點研究現狀，并指出了存在的不足及需要進一步研究的問題。

【關鍵詞】鋼管混凝土；梁柱節點；外加強環；內加強環

0 引言

隨著我國經濟和科學技術的不斷發展，高層建筑、大跨度結構大量地涌現，而對于這些大型結構，通常需要采用承載力高、延性好、安全可靠的構件。其中，鋼管混凝土組合結構以其承載力高、塑性、韌性性能好等優點受到工程應用與研究領域的廣泛關注[1]。

為了充分發揮鋼管混凝土良好的力學性能，在實際工程中梁柱節點的連接就顯得尤為重要，特別是當遇到地震作用時，梁柱節點對于建筑物的安全起到了決定性作用。正是因為梁柱節點連接的重要性，國內外研究人員對此也展開了深入的研究，并將研究成果制定成規范，供設計及施工人員使用，從而保證節點的構造設計滿足良好的塑形以及抗震性能要求[2]。

加強環式節點由于其傳力路徑簡潔明確，節點剛度大，承載力高，并且具有良好的經濟效益以及施工的便捷性，已經在實際工程中得到大量的運用，同時該節點也是《鋼管混凝土結構設計與施工規程》（CECS159：2004）[3]推薦的節點形式之一。該節點的原理，是利用上下加強環分別承受拉、壓力，形成力偶來抵抗梁端彎矩，同時利用垂直肋板、型鋼承重銷、穿心鋼板、明牛腿等來傳遞梁端剪力。但其缺點也是很明顯的，由于其只與鋼管混凝土柱表面的鋼管所焊接接觸，其剪力并未有效地傳遞到核心區混凝土上，導致在節點連接處較為薄弱，易產生塑性鉸進而被破壞。因此，有必要對加強環式節點進行更深入的研究，并作出相應的改進，增強其在節點連接處的性能。

1 研究現狀及進展

1.1 外加強環式節點試驗研究

Choi等[4]對11個不同尺寸的鋼管混凝土柱-鋼梁節點在往復荷載作用下的力學性能進行了試驗研究，重點比較了“無外加強環板”、“無焊接的改進T型外加強環板”和“外加強環板加環向錨固鋼筋”等不同的構造方法下，節點的力學性能。結果表明，焊接的外加強環板和外加強環板加環向錨固鋼筋等類型的節點都具有較高的承載能力和剛度，其滯回曲線飽滿，表現出良好的延性。

蔣濤等[5]進行了矩形鋼管混凝土柱-鋼管混凝土梁節點的擬靜力試驗研究。其研究了兩種外加強環式節點的連接方式，試驗結果表明：鋼筋貫通式節點利用鋼筋傳遞梁端彎矩，抗震性能較好，但節點制作過程特別復雜，存在梁端部鋼板開孔焊接預埋鋼筋和二次澆灌水泥砂漿的問題。外加強環式節點荷載-位移滯回曲線表現出捏縮現象，主要由于梁端部封板剛度不足，因此節點的變形集中到梁端部封板上，最終導致梁端部封板屈曲和焊縫撕裂。這兩種節點連接型式均表現出較好的抗震性能，符合節點設計中“強節點，弱構件”的原則，具有一定的參考價值。

張大旭，張素梅[6]對圓形鋼管混凝土柱-鋼梁外加強環節點的各項力學性能行了試驗研究，包括強柱弱梁及削弱節點區（節點區鋼管壁減薄）兩類節點，根據試驗結果，對鋼管混凝土梁柱節點梁端荷載-位移滯回曲線進行了理論分析，并建立了節點恢復力模型，按照傳統和改進的兩種分析方法，編制數值計算程序進行了荷載-位移滯回曲線分析，理論計算結果與試驗數據吻合良好。

呂西林等[7]對帶內隔板的方鋼管混凝土柱與鋼梁節點連接進行了試驗研究和理論分析，提出了方鋼管混凝土柱與鋼梁連接節點的設計及構造建議，并已納入國家設計規范。

1.2 內加強環式節點試驗研究

王磊[8]進行了不同焊縫形式連接內加強環和鋼管壁的節點試件進行試驗，考察了不同焊縫形式對節點受力情況和應力分布的影響，并對梁柱節點處應力集中問題進行了討論，最后還給出了相應的設計建議。

李強[9]對大量Y形、K形內加強環式節點進行了比較系統的分析與研究，并給出了集中因子的影響因素，提出了相應的設計建議。

1.3 外加強環式節點數值模擬研究

Alostaz和Schneider[10]利用有限元方法分析了鋼管混凝土柱--鋼梁節點在不同構造措施下的抗震性能。節點的構造類型主要選取了焊接節點、預埋式焊接節點、內埋鉚釘式節點、貫穿腹板式節點、貫通鋼梁式節點、翼緣貫通式節點和腹板貫通式節點等。研究了鋼管徑厚比、軸壓比及梁端的彎矩剪力比等參數對節點力學性能的影響。結果表明：直接焊接節點承載力不高，而將鋼梁內力傳遞給核心混凝土組件的節點具有更高的承載力和剛度；不同節點構造措施對其力學性能的提高效果不同，其中穿心鋼梁式構造是實現理想剛接節點最有效的方法。

Chang-Koon Chol等[11]利用ADINA軟件中的一種新的實體單元建模，模擬端板螺栓連接鋼框架節點。結果表明：有限元模型可以準確地反應實際構件的真實響應；同時，該方法也可以用來進行大規模參數分析，并分析和設計一般的鋼結構。

1.4 內加強環式節點數值模擬研究

張鑫[12]對12個內加強環式節點建立了有限元模型，利用ANSYS軟件中PUSHOVER對12個節點進行了抗震性能試驗，主要考察其滯回性能及剛度退化情況。試驗結果表明，隨著內加強環厚度的增大，節點區承載力明顯提高，當加強環的厚度與梁翼緣厚度相同時，加強環受力較好，且較為經濟；隨著鋼管混凝土柱端軸壓力的增大，節點的承載力有所提高，軸壓比在0.4～0.8范圍時，內加強環的應力均未超過屈服應力，具有一定的安全儲備；隨著鋼管壁厚的增加，梁柱連接處的剛度變大，節點的承載力提高，但是結構的延性大幅降低，因此，建議含鋼率宜控制在0.052～0.074。

2 現階段存在的問題

梁柱節點的性能是影響結構整體性能的關鍵所在，節點既要可靠，使其能在水平與豎向荷載的作用下有效的傳遞彎矩和剪力，又要有利于施工，方便現場操作。現階段使用較多的梁柱節點形式主要有三種：外加強環式節點、內加強環式節點和貫穿加強板式節點。雖然上述3類節點基本能夠滿足實際工程應用的需求，但此類節點還存在以下問題：

（1）外加強環式節點施工比較方便，但加勁鋼板用鋼量大，現場焊接工作量較大，施工不便，并且影響施工質量。因此，可考慮進行工廠預先焊接后直接裝配使用，此方面還需要深入研究。

（2）內加強環式節點和貫穿加強板式節點的鋼板用量較外隔板要少，但焊縫施工不方便，尤其是在小尺寸鋼管內施焊幾乎不可能，不利于在構件截面尺寸較小的住宅建筑中使用。

（3）加強環只是與鋼管柱外部相連，與核心區混凝土并未建立有效連接，因此節點的抗剪、抗彎性能較為薄弱。因此，需要設計一種與核心區混凝土建立可靠連接的節點方案，增強節點抗剪承載力，從而提高整個結構的安全性及抗震性能。

（4）長期受力性能、疲勞性能研究目前還鮮有報道，此方面還有待進一步研究。

3 結束語

由于上述加強環節點在各方面的力學性能優異，并且施工較為方便，現階段已推廣應用，但其中還存在一系列的問題，需要對其采取一些改進措施，從而使其具有更好的運用價值。以上問題的解決，將會大大促進鋼管混凝土-鋼梁加強環節點的運用與發展。

【參考文獻】

[1]王建群.鋼管混凝土柱——鋼梁節點受力性能分析[D].蘭州：蘭州理工大學，2006.

[2]謝芳.鋼管混凝土柱——鋼梁節點類型及優缺點分析[J].科技創新導報，2013（24）：31-32.

[3]中國工程建設標準化協會標準.鋼管混凝土結構設計與施工規程（CECS159：2004）[S].北京：中國計劃出版社，2004.

[4]Choi， shimis， IBEom， C Het Alan. experimental study on the strength and stiffness of concrete filled steel column connections with external stiffener rings[C].Proceeding of 4th Pacific Structure Steel Conference， Vol.2， Pergamon，U.K.，2010a：1-8.

[5]蔣濤.薄壁矩形鋼管混凝土結構的理論和試驗研究[D].上海：同濟大學，2003.

[6]張大旭，張素梅.鋼管混凝土梁柱節點動力性能試驗研究[J].哈爾濱建筑大學學報，2011，34（1）：21-27.

[7]呂西林，李學平，余勇.方鋼管混凝土柱與鋼梁連接的設計方法[J].同濟大學學報，2002，30（1）：1-5.

[8]王磊.內加強環式鋼管混凝土節點內環焊縫研究及節點改進[D].廣州：華南理工大學，2012.

[9]李強.圓鋼管相貫加強環節點承載力與變形性能研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2005.

[10]Choi， Shimis， IBEom， C Het Alen. Elastic-plastic behavior of the beam to concrete filled circular steel column connections with external stiffener rings[C]. Building for the 21st Century， Y.C.Loo（Editor）， Griffith University Gold Coast Campus， Australia， 2010b：451-456.

[11]Chang-Koon Chol， Gi-Taek Chung. Refined three-dimensional finite element model for end-plate connection. Journal of Structural Engineering，2011，122（11）：341-352[Z].

[12]張鑫.鋼管混凝土結構內加強環式節點受力性能研究[D].西安：西安科技大學，2010.

[責任編輯：湯靜]