裝配式鋼結構梁柱半剛性節點研究進展

張丹丹 劉 偉

吉林建筑大學土木結構（130000）

0 引言

裝配式鋼結構各種受力性能好，施工快，可以批量化生產相關零部件再運至現場組裝后就可投放使用。并且拆卸也方便，還可二次利用，貫徹節能環保的可持續發展思想。因而一直備受各界關注，更是很多工程師愿傾身研究的課題。但我國對于裝配式鋼結構建筑的探究相對美國和日本等發達國家有些滯后。隨著近幾年我國政策的大力扶持，科學技術水平的不斷創新發展，裝配式鋼結構逐漸成為熱門課題，吸引著更多專業人員去學習研討，共同把我國相關成果文獻變得更厚一點，經過試驗驗證后能推廣應用開來，更好方便于民。相信在看得見的未來，裝配式鋼結構建筑將會在我國建筑施工中占據最重要的位置之一。

1 梁柱半剛性節點連接性能的研究方法

1.1 試驗測定法

1.1.1 擬靜力試驗

現在研究裝配式鋼結構節點中應用最多的試驗方法就是擬靜力試驗。因其經濟實用性好，在工程實踐中一直備受推廣。擬靜力試驗可忽略應變速率的影響，表征單調或循環荷載，它是一種通過載荷控制或變形控制，使試件在進行低周反復加載中從彈性狀態拉至破壞的一種試驗。通過它主要研究鋼結構節點的基本特性，如延性能力、剛度、耗能特性等。以往加載試驗設備多采用千斤頂，近年來隨著經濟的發展，科技的不斷創新，設備也有了很大改善。電液伺服加載系統實施結構的擬靜力加載較為活躍，在很多高校結構實驗室中已投入使用[1]。

1.1.2 振動臺試驗

振動臺一般由臺體、監控系統和輔助設備三部分組成，主要通過電動、電液壓、壓電或其他原理獲得機械振動。該試驗主要研究半剛性節點的地震反應和破壞機理，是一種通過模擬控制或數控再現地震過程和進行人工地震波的試驗。其中試驗加載環節特別重要，為獲得系統的試驗資料，理應合理選取荷載，不宜過大或過小。在選擇和設計臺面的輸入運動時，需要考慮結構的周期以及所在場地條件。目前，在地震模擬振動臺試驗中，大部分研究者都采用多次性加載的方案，進行試驗研究。

1.1.3 擬動力試驗

擬動力試驗是一種通過電液伺服加載作動器與數值分析來真實模擬地震對結構的作用，同時進行結構反應的量測和數據采集的試驗。其實質就是根據某種確定性的地震反應進行加載，通過計算機分步求解結構非線性地震反應微分方程的方法，得到結構恢復力模型，進而完成整個試驗加載過程。

擬動力試驗系統一般由試件、試驗臺、加載設備和數據采集儀器等組成，如圖1所示。

圖1 擬動力試驗系統

另外還需注意試驗臺和反力墻需滿足質量大，強度高，剛度性能好的要求和由計算機、加載裝置與加載控制系統等組成的加載設備理應穩定性好，可靠性高[2]。

1.2 理論研究

裝配式鋼結構節點理論研究的方法主要有三種，分別是曲線擬合法、塑性分析法和解析法。曲線擬合是塑性分析的基礎，前者需要通過多次試驗獲取詳細的節點相關的參數數據，建立計算彎矩-轉角的非線性方程再進行曲線擬合環節。另外應注意分析節點性能時把解析出的曲線轉換成公式，方便使用。后者需檢驗測的數據，結合理論知識進一步研究分析找到更精準的曲線，更加全面到位地展示半剛性節點的力學性能。解析法跟前兩者有所出入，其一般是通過推導、計算整理得出一種更為合理的擬合曲線。解析法能夠簡潔明了對半剛性節點連接進行相關分析，但不足之處是應用范圍小且實驗中易產生誤差。

1.3 有限元分析法

有限元分析利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬。目前最常用軟件為ABAQUS、ADINA、ANSYS、MSC。一開始其主要為航空航天相關的結構強度計算服務，隨著計算機技術的迅猛發展，逐步廣泛應用于各領域。有限元分析法也是裝配式鋼結構半剛性節點研究必不可少的手段之一，因其可以較好地模擬節點的受力狀態。它主要通過有限元軟件建立數值模型，在一定條件下獲得半剛性節點在荷載作用下的性能分析。然后結試驗結構板與節點有限元模擬對比、驗證其模型參數設置的數據是否具有可靠性[3]。

2 梁柱半剛性節點連接的主要形式

2.1 頂底角鋼連接

頂底角鋼節點的轉動剛度隨著轉角呈明顯的非線性變化，被看作半剛性連接中最典型的類型。其構造形式簡單即將位于梁上下翼緣處的兩個角鋼通過螺栓連接把梁柱結合在一起。它的節點連接傳力明確，施工快，目前已在工程上逐漸投入使用（如圖2所示）。

圖2 頂底角鋼連接

1989年，Azizinamini等通過靜載和循環荷載試驗結合初始剛度的分析模型表明頂底角鋼節點耗能性能好。2003年，顧強等通過梁端位移循環加載試驗表明頂底角鋼在荷載強時的滯回曲線產生捏攏現象。2007年，郝際平等通過單調加載試驗研究梁柱弱軸連接的抗彎性能，表明頂底角鋼具備一定變形能力，承載能力好，塑性強。

2.2 雙腹板頂底角鋼連接

雙腹板頂底角鋼連接的彎矩-轉角關系曲線實際加載時一直呈非線性特性，因而也被視為半剛性節點連接的典型情況。2005年吳蕓等[4]通過非線性有限元跟循環加載試驗相對比分析，表明雙腹板頂底角鋼抗震性能好。而2007年，王國兵等[5]通過對節點模型做低周荷載試驗并跟模擬結果進行分析，也得出其具備良好的抗震性。2006年，溫柔等[6]通過有限元分析法得出影響雙腹板頂底角鋼抗震性能的因素。1997年，鄭廷銀等[7]采用單調加載的方式和2013年，王光云[8]采用低周往復加載試驗又結合ABAQUS軟件模擬分析，表明設置加勁肋能提高節點的受彎承載力。2017年，王鵬等[9]通過單調加載和循環加載實驗得出在頂底角鋼處布置加勁肋影響最大是節點的初始轉動剛度（如圖3所示）。

圖3 雙腹板頂底角鋼連接

2.3 端板連接

螺栓端板連接是半剛性梁柱節點最常見的一種形式，一般根據受力情況分為兩類，受力較小時端板平齊，反之為外伸式。端板連接實質上主要承受彎矩，受力情況復雜。2002年，施龍杰等[10]通過數值計算跟相關試驗研究對兩類端板式節點進行對比分析，表明外伸式端板連接承載力更好，節點轉動能力強，方便施工和設計，更值得推廣受到實際工程的青睞（如圖4所示）。

2.4 套筒式裝配式梁柱連接節點

由于螺栓不易施工，閉口截面構件不適合進行裝配，有學者就提出研究了用套筒來解決這個問題。2010年，李黎明[11]用T型件和螺栓連接，并把外套筒放在方鋼管柱外壁，進行低周反復荷載試驗表明，該節點延性好，具備一定的抗震能力。而且增加外套筒厚度可提高節點剛度。2015年，張銘瑋[12]等提出驗證了內套筒式的可行性，將套筒放于鋼柱內側通過有限元分析得出其厚度增大，能提高節點耗能和承載力。2017年楊松森等[13]在李黎明的基礎上，研究了將外伸端板組件代替T型件完成梁柱節點的連接。該節點安裝快，因其外伸端板組件在施工時還可臨時性兼顧鋼梁的支托。另外設計中還需注意可提高節點剛度和耗能能力的方法，比如采取合適的螺栓直徑跟外套筒壁厚或縮小套筒與柱壁間隙。同年馬強強等在前人的基礎上采用對拉螺栓連接，提出一種裝配式梁柱內套筒組合新型連接節點。通過相關試驗研究表明該節點的可行性及其承載力，延性和抗震性能都很好，還具備一定的耗能能力。只是試驗中對拉螺栓遠不如高強螺栓可靠，易被拉斷。

圖4 外伸端板連接

圖5 齊平端板連接

3 裝配式鋼結構梁柱節點設計原則

3.1 強柱弱梁

強柱弱梁可提高結構的變形能力，是目前裝配式鋼結構梁柱設計時最常見的一種形式。它是通過有足夠承載力的柱體肩負承重結構的角色，來緩解梁部的受力。為了保證工程整體的穩定性，柱端所受彎矩要高于梁端，并且在可控范圍內，可增加施工時柱體的截面面積，進而擴大接觸面承載范圍來提高裝配式鋼結構柱體的承載力。

3.2 強節點弱構件

單論體積的話，節點在鋼結構中所占比例小，但它卻是非常重要的存在，因其能連接結構內部各個配件，還是受力的關鍵部位。為防止裝配式鋼結構整體倒塌的現象，在設計時需遵循“強節點弱構件”的原則。其實質是柱端受彎承載力大于梁端。這是因為如果一旦節點失效，則與其相連的水平方向和豎直方向上的構件會同時失效。節點承擔來自剪切，扭轉和軸向三種作用力，受力體系復雜，如若節點強度小，則會導致節點之間連接失敗，影響鋼結構承重能力。因此為保證整體穩定性，要強化節點同時弱化鋼制構件。

3.3 節點域

節點域是指結構中梁柱連接處的柱腹板被柱翼緣以及柱中橫向加勁肋所圍成的區域，其承受多向作用力，易破壞。節點域進行至彈塑性階段時可能會出現剪切變形，極其薄弱。因此要采取加強保護措施增強節點塑性能力，從而使裝配式鋼結構更穩定可靠。如結構布置合理，加大柱腹板的厚度和調整梁截面等。

4 結語

文章結合相關文獻簡要綜述了半剛性梁柱節點的幾種主要形式，目前主要通過試驗法跟有限元分析法論證研究節點的受力性能跟抗震性。半剛性連接的剛度介于剛接和鉸接之間，呈明顯的非線性特性。實際工程中的絕大數節點做不到完全剛接或理想鉸接化，所以某種意義上現在的梁柱節點都為半剛性連接。我國對其研究成果相較于起步早的國家少之又少，但半剛性梁柱節點的探究又是裝配式鋼結構發展歷程中的重中之重，因而與之相關的類型及其性能的提高有待繼續探索完善，為建筑領域畫下濃厚一筆。