裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點的性能分析及比選*

張孝斌，殷堯日，馮力強，劉立平，牛昌林，李英民

(1 甘肅省建設投資(控股)集團總公司， 蘭州 730000； 2 重慶大學土木工程學院， 重慶 400045； 3 甘肅建投科技研發有限公司， 蘭州 730000)

0 引言

隨著工程材料及建筑結構形式的不斷發展，裝配式鋼結構越來越廣泛地應用到各類工程實踐當中。與傳統的鋼筋混凝土結構相比，裝配式鋼結構具有重量輕、強度高、抗震性能好、施工速度快、工業化程度高，符合產業化要求，符合建筑節能發展方向[1]等優點。實際的裝配式鋼結構工程項目對裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點有需求，選擇適用的節點連接形式，是滿足工程項目的重要一步。

針對鋼管混凝土柱-鋼梁節點連接形式，國內外研究者進行了大量試驗和有限元研究。2005年，宗周紅等[2]進行了方形鋼管混凝土柱-鋼梁節點的擬靜力試驗，試驗結果表明，穿芯螺栓-加勁端板連接節點與綴板焊接連接節點的整體抗震性能優于常規栓焊節點。2007年，Wu等[3]提出了雙向螺栓連接的鋼管混凝土柱-鋼梁節點的力學模型，試驗結果表明，此類形式的節點具有良好的剛度、強度、延性以及耗能能力等抗震性能。2009年，Wang等[4]進行了4個往復加載的單邊螺栓連接的鋼管混凝土柱-鋼梁節點試驗，試驗結果表明，節點整體上保持了良好的延性和后期承載能力。同年，Ghobadi等[5]開展了在已有抗彎節點上設置T形加勁肋后節點塑性變形能力的試驗研究，試驗結果表明，水平T形加勁肋的設置可以有效地消除裂紋的擴展。2015年，張茗瑋等[6]提出了一種內套筒-T形件梁柱節點，通過對節點模型進行有限元分析，發現節點耗能能力良好，且在套管厚度大于2mm時，節點具有最好的滯回性能，但隨著內套筒的長度增加，節點的極限承載力卻有所下降。2018年，夏軍武等[7]提出了一種拼接外套筒式節點，通過試驗和有限元模型研究了節點的靜力性能，發現節點轉動能力和延性較好，但節點在套筒根部焊縫處均產生了顯著的應力集中現象，焊接質量是此類節點的關鍵。

隨著對裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點的不斷研究，選擇抗震性能更好、施工難度更低、成本更經濟的節點，是將其應用于實際工程項目的關鍵。本文基于前人研究的成果，采用歸一化方法分析裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點的抗震性能，對不同的節點抗震性能指標采用歸一化方法處理，使其僅與節點的構造類型相關，與其余參數無關，使得不同節點在抗震性能上具有可比性。

1 裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點構造形式

針對裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點的研究，本文檢索了大量相關現有文獻[8-15]，從中選擇常用的裝配式節點構造形式及試驗條件?，F有文獻中多采用柱端加載方式，常在小軸壓比條件下進行試驗。為了研究裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點的抗震性能，本文基于前人研究的成果，選取了五種不同的裝配式節點，選取的連接節點均滿足小軸壓比(0.2～0.4之間)且為柱端加載方式。在控制基本試驗條件相同的前提下，采用歸一化處理方法，分析在本文研究條件下，較適用于裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁結構的節點形式。節點構造形式示意圖如圖1所示。

圖1 裝配式節點構造形式示意圖

保證裝配式節點的可靠連接，除了考慮鋼管混凝土柱和鋼梁之間的連接，有些節點形式還需同時考慮鋼管混凝土上下柱之間的連接，采用螺栓和焊接方式進行鋼管混凝土柱和鋼梁之間的連接，可采用加強環式[8]和外肋環板式[9]結合的方式，如圖1(a)，(b)所示。在節點區運用隔板同時考慮了鋼管混凝土上下柱和鋼管混凝土柱與鋼梁的連接，可以避免在層中進行上下柱的連接，隔板可分為內隔板[10]和隔板貫通[11]兩種類型，如圖1(c)，(d)所示。也可以采用外套筒[12]進行上下柱在節點區的連接，如圖1(e)所示。各節點試驗的基本信息如表1所示。

各節點試驗基本信息 表1

2 節點承載力對比分析

為了對本文總結的五種裝配式節點的承載力進行對比分析，在保證柱端加載和小軸壓比的條件下，采用歸一化方法對荷載-位移曲線進行處理。首先通過參考相關文獻[16-17]，確定荷載-位移曲線中的屈服點、峰值點和極限點的位置，然后取峰值點的數據作為等式的分母，其他點的數據作為分子，得到節點的荷載比-位移比曲線。節點的荷載-位移曲線體現了從加載開始到結束時荷載與位移之間的關系，反映了節點剛度隨荷載的變化情況。通過獲取各節點的正向加載與反向加載下的數值，經歸一化處理后，發現荷載比-位移比曲線與荷載-位移曲線相比接近且基本重合，不僅保留了原荷載-位移曲線的變化趨勢，還能達到歸一化的目的，為了使節點的性能便于比較分析，僅取正向荷載比-位移比曲線作為本文的研究對象。本文總結的五種連接節點的荷載-位移曲線如圖2所示。

圖2 裝配式節點的荷載-位移曲線

圖2中五種節點連接形式的荷載-位移曲線差別很大，因為各節點的材料、尺寸、連接形式等條件不同，無法直接對各節點進行比較。本文參照對應文獻[8-12]中的試驗數據，通過在網格紙上描點確定各關鍵點的坐標，采用歸一化方法對荷載-位移曲線進行處理，得到五種裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點的荷載比-位移比曲線，如圖3所示。

圖3 裝配式節點的荷載比-位移比曲線

由圖3可知，五種裝配式節點連接形式在屈服階段的變化規律基本吻合，隔板貫通式節點的初始剛度最大但其屈服點承載力較小，外肋環板式節點的初始剛度最小但其屈服點承載力較大，加強環式和內隔板式節點的初始剛度較大且屈服點承載力大，外套筒式節點的初始剛度和內隔板式相當，但其屈服點承載力小于內隔板式節點；在達到峰值荷載后，加強環式節點的承載力下降最為緩慢，其延性相對較好，內隔板式節點一開始下降緩慢，隨著內隔板的破壞，承載力突然發生下降，且下降幅度較大，但其破壞前的承載力仍大于其他三種節點形式，外肋環板式和外套筒式節點承載力下降速度基本相當，剛度退化較快，延性一般，隔板貫通式節點承載力下降快，剛度退化明顯。從結構承載能力和延性角度出發，裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁結構在小軸壓比下，建議采用加強環式和內隔板式節點。

3 節點耗能能力對比分析

通過對五種裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點運用歸一化方法處理，得到各節點的滯回環面積比-位移比曲線，以反映各節點的耗能和變形能力。圖4為本文總結的五種裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點的滯回環面積比-位移比曲線。

圖4 裝配式節點的滯回環面積比-位移比曲線

如圖4所示，五種裝配式節點連接形式在屈服階段的變化規律基本吻合，說明這些節點在屈服階段的變形能力基本相當。在達到峰值荷載后，加強環式節點的滯回環面積比最大，其極限點處的滯回環面積比是峰值點處的兩倍以上，遠大于其他節點形式，內隔板式節點的滯回環面積比僅次于加強環式節點，外肋環板式節點的滯回環面積比小于加強環式和內隔板式，但大于其他兩種節點形式，外套筒式和隔板貫通式節點相對較小，表明在剛度退化階段，加強環式節點的耗能性能最好，內隔板式節點和外肋環板式節點均表現出了較好的耗能能力，隔板貫通式節點的耗能性能最差。所以，從結構變形能力和耗能性能角度出發，裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁結構在小軸壓比下，建議采用變形能力好且具有較好耗能性能的加強環式和內隔板式節點，加強環式節點可以設置外肋端板來提高節點的變形能力。

4 施工難易

研究五種不同裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點的適用性，除了對比分析各節點的抗震性能外，還需要對節點的施工難易程度進行對比，以滿足節點的可裝配性和實用性。本文總結的五種裝配式節點均能實現加工廠加工后現場進行裝配的要求，但各節點施工難易程度不同，下面對各節點進行分析并從施工難易程度進行對比。

加強環式節點的施工難度在于通過加強環板開孔，在鋼管混凝土柱中澆灌混凝土，并保證鋼管上下柱中間混凝土的貫通性良好，H型鋼梁上下翼緣與加強環板之間的焊接，也是施工過程中需要確保的工序，此類節點的施工難度較低。外肋環板式節點是在加強環式節點的基礎上采用連接件進行上下翼緣與鋼管柱表面的連接，并在連接件上設置豎向加勁肋以提高節點的抗震性能，外部加勁肋與環板之間采用焊接，節點的施工難度較低，但與加強環式節點的施工工序相比略多。內隔板式節點施工時需要在鋼管內設置內隔板，由于鋼管柱尺寸的限制，管內焊接內隔板和澆筑混凝土都有一定的難度，并且在鋼管表面的同一位置上焊接多次，導致焊接熱效應過大，焊接處容易發生脆性破壞，施工難度較高。隔板貫通式節點施工時需要將打斷的鋼管柱分別焊接在隔板的上下兩面，對焊接的要求較高，施工難度較大。外套筒式節點在施工過程中難以保證套筒與鋼管柱表面的無縫接觸，不可避免地在施工過程中會留有縫隙，最后會導致鋼管柱與套筒間被拉裂，施工難度大于其他節點。綜上所述，以難度等級高、較高、中等、較低、低對本文提出的五種裝配式節點的施工難易程度進行分類，如表2所示。由表2可知，從施工難易程度的角度考慮，加強環式節點和外肋環板式節點是較優的選擇。

各節點的施工難易程度 表2

5 成本對比

在實際工程案例中，除了考慮到節點的抗震性能和施工難易外，工程成本也是綜合衡量一種節點形式是否具有實用性的一項指標。本文綜合所總結的五種裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點形式，對各節點的成本進行估算，按單位極限承載力成本對各節點的造價成本進行對比，得出較為經濟實用的節點形式。鋼材按市場單價6 000元/t，混凝土按500元/m3計算，各節點的螺栓、端板、焊接成本與工人施工成本之和按鋼材與混凝土成本之和的兩倍考慮。通過對所檢索文獻[8-12]的試驗模型的材料進行估算，得出成本工程量，如表3所示。

各節點成本工程量統計 表3

各節點成本除鋼材和混凝土以外，螺栓、端板、焊接材料以及施工成本之和按等于材料成本計算，得出各節點的單位極限承載力成本如表4所示。

各節點的單位極限承載力成本 表4

由表4可知，外肋環板式節點的單位極限承載力成本最低，和未設置肋板的加強環式節點相比，其成本僅僅是加強環式節點的40%左右，可見，加肋會大大降低節點的單位極限承載力成本。外套筒式節點的單位極限承載力成本是外肋環板式節點的三倍多，在相同的承載力要求下，其成本遠遠大于外肋環板式節點，且在本文總結的五種裝配式節點中，成本最高。內隔板式節點的單位極限承載力成本略低于外套筒式節點，隔板貫通式節點的單位極限承載力成本大致為外肋環板式節點的兩倍。所以，從成本對比結果來看，外肋環板式節點是最為經濟的節點形式。

6 結論

本文采用歸一化方法得到了五種裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點的荷載比-位移比曲線、滯回環面積比-位移比曲線，對裝配式節點承載力、結構延性、耗能性能、剛度退化等指標進行對比分析，探討了不同裝配式節點的抗震性能差異，同時對不同節點的施工難易程度進行了對比，并對單位極限承載力成本進行了估算，得出如下主要結論：

(1)本文總結的五種裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點，從抗震性能的角度出發，在小軸壓比及柱端加載條件下，建議采用加強環式和內隔板式節點，加強環式節點可設置外肋端板以提高節點的變形能力。

(2)加強環式節點和外肋環板式節點的施工難度相對較低，從施工難易角度來考慮時，在鋼管柱尺寸較小時，建議采用加強環式節點，在鋼管柱尺寸較大時，應適當增加外肋環板來提高環式節點的抗震性能。

(3)從單位極限承載力成本來看，在相同的承載力要求下，外肋環板式節點是最為經濟的選擇，且明顯優于其他節點形式。

(4)本文總結的五種裝配式節點連接形式，僅考慮了滿足小軸壓比及柱端加載條件下節點的性能對比，為相同前提條件下的裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節點的選擇提供了參考，其他不同條件下的節點性能尚需進一步研究。