輕鋼框架梁柱節點的研究現狀

王雪峰 徐佳 王雪青 江卓林

摘 要：冷彎薄壁型鋼的節點連接方式多為螺栓連接或自攻螺釘連接，設計中往往被簡化為理想鉸接模型來計算，但實際上這樣的連接方式使節點可以承擔一定的彎矩，同時節點處也會產生變形。半剛性連接理論的提出，為設計人員評估輕鋼結構工作性能提供了新思路。

關鍵詞：輕鋼結構；半剛性連接；節點；冷彎薄壁型鋼

1 輕鋼結構概述

我國在“十三五”期間提出了建筑產業化，且加加快發展裝配式建筑。輕型鋼結構在建筑領域所體現出的施工速度快、工業化程度高、綜合技術經濟指標好、抗震性能好等優點，因此把輕鋼結構應用到住宅建筑和公共建筑中，符合了我國未來發展裝配式建筑的規劃政策，所以我國越來越注重對輕鋼結構在實際工程中的應用。

輕鋼結構梁柱節點的常規分析和設計中，大多數的連接方式是完全剛性或理想鉸接形式。完全剛性連接的轉動剛度是無窮大的，相鄰構件在受力情況下的位移和轉角是不會發生改變的，這就意味著產生的彎矩全部從梁傳遞到柱子。與之相反的理想鉸接則是轉動剛度為零，相鄰構件間的角度會隨不同的受力發生改變，因此柱子不會承擔梁上傳來的彎矩。所謂的半剛性連接則是結語以上所言的兩者之間，也被稱為柔性連接。采用半剛性連接方式的節點稱為半剛性節點。半剛性節點在其良好的連接性上兼顧了耗能能力強及其具有較大的屈服容量和延展容量，在保證結構的安全性的基礎上節約了用鋼量，使其符合輕鋼結構的發展理念，是一種經濟可靠的連接方式。

2 輕鋼框架梁柱節點研究現狀

重慶大學的黃川通過試驗探究了冷彎薄壁C型鋼梁柱半剛性節點的相關性能。在試驗中設計了A、B兩組試件，A組試件采用尺寸為C140×50×15mm，厚1mm的型鋼梁柱，用4顆自攻螺釘連接，B組試件采用尺寸為C180×50×15mm，厚1.5mm的型鋼梁柱，用6顆自攻螺釘連接。使用液壓千斤頂加載。將試驗結果與有限元法對比得出以下結論：（1）型鋼梁柱節點的M-θ曲線表明，該節點的彎矩和相對轉角的關系均表現出較明顯的非線性。同時說明試驗中如果型鋼梁柱節點采用自攻螺釘連接，則其不可能是完全剛接或理想鉸接的。（2）A組試件中，節點的性能趨于柔性；B組試件中，節點的性能則更趨于剛性。由此可見，節點的彎矩承載力和初始剛度的影響因素為自攻螺釘的數量及鋼板厚度。

北京建筑工程學院的閻興華通過試驗探究了輕鋼框架采用半剛性連接的梁柱節點的抗震性能[2]。試驗采用兩組試件對照的方式，選用的梁、柱試件均是H型截面，由3塊鋼板焊接而成。梁截面尺寸均為20O×8O×6×6mm，柱截面尺寸均為15O×150×8×8mm；且梁柱節點均采用8.8級M16的摩擦型高強螺栓連接， 端板厚度均為10mm。A組試件節點域未做處理，B組試件在節點域柱腹板處配置橫向及斜向加勁肋。試驗中對梁端施加循環荷載，用來模仿地震作用。通過對兩組試件的實驗結果對比，得出以下結論：（1）輕鋼結構框架梁柱節點如果采用端板加高強螺栓的連接方式，其節點強度在強軸的方向上比較易于滿足“強柱弱連”的原則，因而其抗震性能要優于弱軸方向。此時，節點的延性和承載力得到有效的提高。但是，H型鋼柱由于其自身截面的不對稱性，使得柱子在弱軸方向上很難滿足“強柱弱梁”的原則，所以在設計時應予以重視，需要采用設置鋼支撐等相關措施來加強柱子截面。（2）輕鋼框架采用高強螺栓端板連接的梁柱節點，節點會出現比較明顯的變形，在實際分析中應予以考慮；而且此時節點的變形不僅有節點域的剪切變形，還存在高強螺栓由于受到梁端彎矩而產生的拉壓變形。（3）輕鋼框架所使用的高強螺栓加端板連接的梁柱節點，因其具有良好的耗能能力、變性能力以及抗震承載能力，可在地震區的輕鋼結構建筑中予以推廣。（4）節點域需要設置抗剪加勁肋的措施是完全必要的，而且應保證施焊質量。

內蒙古科技大學曹芙波實驗探究了冷彎C型鋼節點的抗震性能[3]。試驗設計了4個T形節點，梁柱的截面形式均為雙肢C型鋼，截面的尺寸均為C160×65×20×1.8mm，彎角半徑是6mm，其中C型鋼及墊板均采用Q235鋼，使用8.8級Φ16高強螺栓來連接，4個節點的墊板厚度及螺栓間距有所不同。試驗采用液壓伺服作動器在梁端施加反復的水平荷載，用來模擬地震作用。對比實驗結果得到以下結論：（1）冷彎型鋼節點具有承載力高，承載力的退化穩定，但剛度退化嚴重，初始剛度較大，耗能性能好，延性較差的特點。（2）節點構造中采用高強螺栓的摩擦型連接能夠使整個節點的抗震性能得到很好的保證，試驗過程中，高強螺栓未發生滑移，節點板也未屈服，且C型鋼腹板處的螺栓孔沒有出現明顯的擠壓變形，使得C型鋼的抗彎承載力得到了最大限度的發揮。（3）螺栓連接使節點處梁截面不能連續，導致節點的抗彎承載力有所降低，但可以滿足規范要求的計算值，對節點的抗震性能沒有影響。

3 結束語

節點采用半剛性的設計，節約了用鋼量，又降低了工程的造價。國外的學者曾經對采用半剛性連接的輕鋼框架作出了經濟評估，評估結果顯示在保證結構安全的前提下，無側移的框架可以節省造價的5%～10%，有側移的框架則可以達到10%～25% ，收益效果是顯著的。因此，在我國更有必要大力提倡半剛性連接的設計。因為焊接工藝的質量受到操作人員技術水平的影響較大，工程質量無法得到保證，致使許多剛性節點難以滿足設計上的要求。如果采用半剛性的設計方法，在有效控制了工程質量的同時，還可以讓施工人員準確的對結構的工作性能做出評估。螺栓連接與焊接相比既能節約人力、省工省時，又可以降低工程造價，其帶來的整個社會經濟效益是巨大的。當然，我們應該看到我國現行的規范及技術水平同歐美等發達國家之間的差距，從而針對我國的實際情況，完善符合我國實際情況的半剛性設計理論，并體現在規范中，以供設計人員使用。

參考文獻：

[1] 黃川.冷彎薄壁C型鋼梁柱半剛性節點實驗及有限元分析[D].重慶：重慶大學，2003.

[2] 閻興華，郝國龍.輕鋼框架梁柱節點抗震性能的試驗研究[D].工程力學（增刊），2003.

[3] 曹芙波，魏宏剛，桑冬梅.輕型鋼結構框架節點抗震性能的研究與分析[D].鋼結構，2008（3）.

[4] 黎承.冷彎薄壁型鋼結構半剛性連接性能的研究[D].重慶：重慶大學，2004.

研究生創新基金項目：

輕鋼框架半剛性梁柱節點抗震性能研究。