鋼結構體系中節點耗能能力研究進展與關鍵技術

王軍(長春黃金設計院,吉林長春 130000)

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鋼結構體系中節點耗能能力研究進展與關鍵技術

王軍
(長春黃金設計院,吉林長春 130000)

【摘 要】為加強我國建筑事業的發展,相關技術不斷的得到研究與更新。并且在發展過程中特別注意相關的問題,例如目前我們最關注的就是環保方面的問題,在鋼結構體系的研究中也越來越注重這一點,越來越希望通過相應的手段來降低節點耗能能力。在鋼結構體系中節點的耗能能力,雖然是節點性能的一種表現,更重要的是其能夠決定著建筑的整體抗震性。要提高節點的耗能能力,可以從其不同構件入手研究。我們從鋼結構體系節點耗能能力研究進展入手,并且分析其中的關鍵技術,作出相應的闡述。

【關鍵詞】鋼結構 節點 耗能 抗震

我國改革開放以來，相應的產業以及相應的技術得到了極大的發展，經濟水平也有所提高，其中作為基礎建設中的一個重點問題，關于鋼結構的研究也在不斷的深入，不僅僅是因為鋼結構具有良好的性能，也因為鋼結構是基礎建設中不可或缺的一部分。鋼結構具有許多良好的特點，建設中，國家所需要的橫截面比較小，并且自身的抗震性能好，重量輕，相應的造價也較低。并且相應的生產也比較簡單，可以進行批量生產。鋼結構體系，對于環境的破壞程度也比較小，其相關的各種材料也可以進行回收利用。很好的滿足了當今低碳生活的倡導，可以有效地減少投入，提高各個企業的收益。由于鋼結構體系具有如上各種各樣的優點以及其性能良好，所以擁有著廣泛的應用前景。作為鋼結構體系中的關鍵構件，鋼結構體系的節點也具有重要的功能，可以通過節點形成結構整體，并且能夠保證梁和柱的協同工作。鋼結構體系的性能，以及其本身的特征會最終決定了工程的質量，嚴重影響著鋼結構體系的穩定性以及他的承載能力。本文首先展開分析，主要針對的是近年來對于鋼結構體系節點的抗震能力以及相關的技術，并且就鋼結構體系技術的發展進行相應的探究，提出相應的改革措施，降低耗能，促進發展。

1 節點耗能技術回顧

1.1 鉚釘連接

鉚釘連接的出現時間最早，甚至在利用往前一階段鐵的結構時期就開始出現了，并且成為這一時期主要的連接方式。鋼材于19世紀末期開始出現并應用于結構之間的連接，為了減少勞動力并且降低相應的支出，采用桁架式的組合構件。隨著進程的發展，勞動力等各個方面的費用支出也在不斷提高，為了節省費用改變了原來的方式采用熱軋型鋼截面構件來作為梁和柱，并且利用鉚釘連接的方式來連接梁和柱。并且也考慮要對該結構進行防火保護，所以往往在節點的外面包裹素混凝土。在過去的這一段時期內，由于環境等各種因素的影響，僅僅考慮了其關于風荷載的設計，并沒有相關抗震的設計，直到發展到1930年以后，人們才開始重視抗震問題。由于抗震作用的取值與當前的標準相比還是有很大不同的，相對較小。并且連接主要抗彎連接，冗余度較高。另外，就相關的非結構構件而言，例如常見的砌筑墻體和用作防火的混凝土其附加剛度相對較大，但是在實際的生產和建設過程中往往不會直接進行強度和耗能能力的計算，僅僅是按照相關的經驗來進行設計。就相關的研究以及實際的地震情形發展來看，往往抗彎連接的結構冗余度較高，就滯回性能差異來看，抗彎連接特別大，并且多數連接延展性以及耗能的能力都較差。就我國以前的建筑而言，抗震能力主要是由于結構的冗余度和非結構構件的附加剛度來提供的，而鋼結構的作用卻相對較小。這也就說明了單個連接的性能對于整個結構的性能的影響并不是很大。

1.2 高強螺栓

發展到1960年，以往的鉚釘連接的方式逐漸被替代，而高強螺栓技術則開始出現，及相關的細節問題和某種連接的差異性并不是很大，其中防火層的防火材料也被更新換代，當時的發展和當今的鋼結構已經具有了一定的指導意義，尤其是在抗震能力方面。人們認識到，地震作用力可能非常大，但是如果考慮結構和連接幾點的非彈性性能，用于建筑設計的地震作用會變小，并且對于結構的非彈性指揮效能研究就會開始增加。由于地震它本身特殊的作用與影響，考慮建筑物的質量以及自振周期，工程師可以減小結構的質量，這樣也就大大的緩解了地震的影響。這些變化以及因素也會影響附加剛度，例如在防火保護以及填充墻等方面。新采用的高強螺栓連接節點的技術與伊朗的鉚釘連接技術相比，雖然在技術上具有一定的類似性，但是其抗震性能更加優越。

1.3 栓焊混合連接

在發展中漸漸出現了一種新型的連接方式，也就是焊接技術，在發展中也得到了極大的推廣與利用。在實際的生產與工程中，主要采用的焊接方式有兩種，一種是梁翼緣與柱子翼緣全熔透焊接，另一種是梁腹板與柱翼緣螺栓連接的方式，通常稱其為栓焊混合連接。在我國以及世界發展過程中，該技術的研究還是相對比較成熟的，并且具有良好的優點。不僅僅施工方便，而且具有良好的經濟效益其滯回性能曲線飽滿，剛度和強度穩定。另外，這種連接可以在梁上發展塑性，避免了連接部位脆性破壞發生。栓焊混合連接很快成為了標準的抗震連接形式。1988年統一建筑規范(UBC，1988)提高了腹板的抗剪承載力設計值.抗剪承載力提高是基于實驗中發現板域屈服可提供穩定可靠的耗能能力，具有更好的延性性能，大約從1988年開始，允許板域首先屈服，然后梁上再發展塑性。

1.4 新時代發展

從21世紀開始，新技術開始出現，其中的典型代表就是預制混凝土框架結構中采用的后張拉技術。以技術在發展中被應用于鋼框架的結構中。在結構的運用中開發了后張框架的節點。節點具有良好的性能，可以有效地降低能耗，并且可以有效地保證工程的質量。避免相鄰的梁和柱的損傷以及變形。為促進我國相關事業的發展，國內研究者也進行研究，主要涉及以下幾個方面：隔板貫通式節點、焊接和螺栓連接鋼框架的節點域、鋼結構半剛性端板連接、腹板雙角鋼梁柱節點以及長圓孔變型性高強螺栓節點，并進行了相應的理論以及并進行了效用理論與實踐的研究。Yoo等、 Ber man等/ Okazak i等先后對中心支撐框架和屈曲約束支撐框架中支撐與梁、柱連接的板節點以及偏心支撐框架中連桿與柱的連接節點進行了試驗和理論分析， 提出了保證其足夠轉動能力的構造改進措施。

2 當前節點形式的選擇

與輕鋼結構的各種良好的特點使得其迅速發展，并且在發展中形成了形式多樣的輕鋼結構。關于輕鋼結構形式的發展，也是由于其優越性造成的，例如企業不僅僅能夠節約鋼材，并且相應的工程造價也非常低，工程的施工時間比較短，除此之外，其余外形外觀均比較好，形成了極強的競爭優勢。在這一體系和門式剛架中，要進行合理有效科學的設計，其中最重要的一部分就是關于連接節點的設計，只有保證了連接節點的科學設計，才能夠有效地保證結構的整體性以及結構的可靠度，甚至可以降低成本，提高工作效率。在輕型門式剛架中，主要采用的是高強度螺栓的端板連接，并且利用該技術來連柱以及構件。由于節點屬于關鍵技術，所以在之前就應該進行節點的選擇，在技術的選擇過程中應該注意結構構件的選用，可

以根據傳力特性來進行選擇，一般主要有鋼節點、半鋼節點以及鉸節點，在選擇中要保證其合理性與科學性。

下面就節點涉及的相關問題進行簡要敘述。

2.1 節點設計注意事項

在節點設計的過程中要綜合考慮各種因素，首先要考慮施工空間與構件吊裝順序。在工程中往往會出現這種情況，到達施工現場之后主要構件不能夠有效地安裝，這是應該注意的問題。另外還應該注意要使工人方便的進行現場定位，并且可以對節點進行臨時加固。

2.2 節點中使用螺栓分析

關于螺栓連接主要有兩種方式，一種是普通的螺栓連接，用一種是高強度螺栓連接。普通的螺栓連接和高強度的螺栓連接是有一定區別的，首先普通的螺栓連接往往用于較次要的部位，這樣的部位往往要求的抗剪性較低。而高強度螺栓連接的優越性，主要體現在高強度。其主要分為兩類，一類是摩擦型，一類是承壓型。其中摩擦型應用相對較廣泛，常用8.8s和10.9s兩個強度等級。高強螺栓最小規格為M12，常用M16～M30。超大規格的螺栓性能不穩定，設計中應慎重使用。

2.3 考慮基建設計中制造廠工藝水平

就長期的實踐與理論研究可以發現，目前最常用的輕型鋼結構，主要采用最經濟的短板連接方式，可以有效地避免現場焊接的這種現象，也成為了目前抗彎連接最主要的形式。該技術主要分為三大類，一是剛性節點，二是非剛性節點，最后還有一類是鉸接節點.。但是由于半剛性節點它本身具有一定的弊端，所以利用的也相對較少。并且在時代的發展過程中，各種新型的節點連接方式不斷出現，給該領域注入了強勁的動力。因此在節點的選擇過程中，一定要做到綜合考慮，做到合理科學。

3 利用節點耗能能力的關鍵問題

在節點的構件當中，其中重要的一部分是破壞模式，其影響著耗能的能力。甚至破壞模式的順序以及他發展的程度也會影響各項指數。分析節點破壞模式與構件破壞模式之間的影響和制約機制。實現節點耗能有效利用的構造措施。

4 結語

在結構梁柱節點中，節點具有重要的作用，相關研究也在不斷深入，而加強其耗能功能也具有重要的意義，降低能耗的基礎上有助于提高中期的抗震性能。希望相關的研究能夠對于該領域的發展起到一個推動作用，不斷改進與創新。

參考文獻:

[1]陳以一,王偉,趙憲忠.鋼結構體系中節點耗能能力研究進展與關鍵技術[J].建筑結構學報,2010,06:81-88.

[2]張冬芳.復式鋼管混凝土柱—鋼梁節點力學性能研究[D].長安大學,2013.