裝配式方鋼管梁柱連接節點的研究動態與展望

李其廉，張媛媛，潘政華

（1.河北科技大學建筑工程學院，河北 石家莊 050000；2.莒南縣建設安全工程質量服務中心，山東 臨沂 276600）

1 概述

裝配式鋼結構是用于工業建筑物的高效結構形式，一直是國內外研究的熱點。裝配式鋼結構的新型建筑技術的工業化已成為一個戰略主題，其優點是較高的建筑效率，良好的質量，符合綠色建筑的要求，順應我國建筑工業化的發展方向。在美國、日本等發達國家，裝配式建筑技術已經成熟地運用到實際工程中。而我國在此方面仍存在體系不夠成熟、研究技術滯后等方面問題，處在推廣和應用的關鍵時期。

帶有鋼管混凝土（CFST）柱的結構由于其優異的強度，延展性和施工便利性而被廣泛使用了幾十年。其中最重要的部件鋼管混凝土框架結構是梁柱連接，連接方式是提高裝配式鋼結構施工效率的關鍵。節點往往是整個框架結構中的薄弱位置，整個建筑抗震性能的關鍵取決于連接性能的好壞。方鋼管混凝土柱的優點在于鋼管提供了約束，從而增加了混凝土的剛度和強度，同時混凝土降低了管壁局部和整體屈曲的可能性。此外，鋼管柱在施工中取消了柱模板，其結構具有綠色與經濟兩大特點，具有很好的建筑適用性。因此，在多高層建筑中常用此類柱截面形式，此種裝配式鋼框架結構體系逐漸成為鋼結構建筑的未來發展方向。

通過對現階段國內外裝配式方鋼管梁柱連接節點的研究進行梳理并總結，本文將節點形式分為了套筒式、懸臂式、桁架式、梁貫通式和模塊化節點四種形式來進行綜述，希望可以為研究人員提供相關參考。

2 裝配式方鋼管梁柱連接節點研究現狀

裝配式方鋼管柱與梁連接節點的研究起著非常重要的作用，確保了整個建筑物的結構完整性，整體穩定性和堅固性。這些連接主要可分為套筒式梁柱連接、懸臂梁式梁柱連接、桁架式梁柱連接、梁貫通式梁柱連接等節點連接類型。

2.1 套筒式梁柱連接節點

在現有的鋼框架建筑中，因為在閉口截面構件中，螺栓施工困難，裝配過程難以實現，所以套筒成為了解決閉口截面中梁柱連接的有效手段。套筒將上下柱拼接在一起，可以增強節點的堅固性及方便螺栓的施工，所以，套筒連接往往應用于方鋼管柱與工字型梁的連接節點中。這包含了內套筒和外套筒。

張茗瑋等提出了一種新型方鋼管內套筒—T型件連接的節點形式，具體安裝步驟見圖1所示。采用有限元分析的方法分析發現，內套筒—T型件節點連接具有較好的延性和耗能能力。但是其鋼管內套筒—T型件連接節點的力學性能還需要通過試驗進一步研究。

圖1 鋼管內套筒-T型件梁柱連接節點

王輝提出了一種方鋼管混凝土內套筒柱—H型鋼梁裝配節點，見圖2和圖3所示。圖2和圖3節點采用循環往復荷載試驗和有限元分析分別進行了深入研究，發現節點的滯回曲線、骨架曲線走勢也基本一致，該節點具有較好的延性和塑性變形能力，在一定程度上，增加端板的厚度，能夠提高其耗能性能、承載力和剛度。

圖2 方鋼管上柱組裝示意圖

圖3 節點拼裝示意圖

龔江煒提出一種帶外置套筒的新型裝配式十字型節點，采用低周往復加載試驗對其與傳統的現澆節點比較，梁柱構件在工廠中預制，將預制好的鋼筋錯位搭接錨固于節點核心區，采用預制外部鋼套筒來提高節點的受力性能。通過對其鋼套筒的厚度、焊縫、鋼筋的錨固、截面形式以及施工等措施優化，可以提高節點的機械性能。

圖4 鋼套筒尺寸詳圖

劉堅等提出了一種新型外套管式鋼管混凝土柱—鋼梁單邊螺栓端板連接節點，可以加強節點區域中鋼管柱壁的強度。通過建立有限元模型進行單調加載，對其連接節點的破壞和損傷機理進行了分析，并提出M—θ模型。Liu等提出了一種基于鋼—混凝土部分組合結構的新型插裝式裝配式混凝土梁柱連接方式見圖5所示，以預制連接的核心區域，通過對七個插入式裝配連接標本和一個現澆接頭進行低周往復載荷試驗比較，并分析了試件的響應特性，發現這種類型的裝配連接的能量消耗能力和初始剛度比整個現澆接頭略低，但是裝配連接的承載能力更高。

圖5 插件組裝連接3D模型

2.2 懸臂式梁柱連接節點

懸臂短梁式裝配式梁柱連接節點是指懸臂梁段與柱在預制場加工，后運輸至施工現場用螺栓進行拼接。這樣既保證懸臂梁段與柱之間的焊接質量，且具有較好的裝配性能。

趙晨甫等將T型方鋼管柱和H型鋼梁通過端板用高強螺栓拼接在一起，形成懸臂式裝配式梁柱連接結構見圖6所示。郭志鵬等提出了帶Z字形懸臂梁段和削弱梁段的梁柱節點見圖7所示，該節點適用于模塊化裝配式鋼結構的節點，其先在工廠將鋼梁和樓板組裝模塊化，再在施工現場將梁板模塊和柱子模塊裝配形成該梁柱節點。張愛林等提出了一種帶懸臂梁段裝配式鋼結構梁柱—柱法蘭連接節點見圖8所示，該節點由圓鋼管上柱、帶法蘭圓鋼管下柱、普通梁段及其之間的連接件組成。

圖6 懸臂式裝配式梁柱模型

圖7 梁端連接構造

圖8 端板式裝配式鋼結構梁柱節點

以上的三種懸臂梁式梁柱連接節點，對力學性能研究如下。

①圖6中有貼板和無貼板的模型，文獻進行了有限元模擬分析和低周往復荷載試驗發現：改變梁柱截面尺寸、梁端板的長度以及增加貼板，影響節點的承載力、初始剛度、剛度和強度退化穩定等。

②圖7中通過對節點試件有限元分析發現：該節點具有良好的滯回性能、耗能性、延性，可以在懸臂梁段翼緣開大孔或者方鋼柱內隔板替換為三角形垂直加勁肋。

③圖8主要對5個節點試件進行數值研究分析表明：翼緣連接蓋板螺栓數量對于節點承載力并沒有較大的影響，而對其產生較大影響的是翼緣連接蓋板連接剛度和試件極限承載力。

懸臂梁式梁柱的連接節點常通過螺栓和焊縫進行連接，存在焊縫斷裂以及螺栓凹屈的現象，因此在抗震設計時，需對節點域進行加強，如設置加勁肋、T型件翼緣板等構造措施。

2.3 桁架式梁柱連接節點

桁架梁柱連接在我國裝配式鋼結構項目中應用較為普遍，但是在鋼結構中的桁架梁柱連接節點的研究較少。

李普等對兩個足尺的試件裝配式方鋼管柱桁架梁節點進行單調和往復荷載下的試驗，并進行對比研究見圖9所示。S.Afshan等將電纜運用到高強度的鋼拱形桁架梁中，其中桁架由三部分組成，并在底部和頂部弦上具有兩個螺栓連接組件見圖10所示。為了降低節點域的剪切力，Piero等首次嘗試將耗散摩擦連接應用到梁柱節點見圖11所示，該節點由半預制混合鋼桁架混凝土梁(HSTCB)和鋼筋混凝土柱組成。

①圖9中對兩個足尺的試件裝配式方鋼管柱桁架梁節點進行單調和往復荷載下的試驗并進行對比研究，構件的破壞都是從梁內腹桿的壓屈開始的，兩試件的柱未發現破壞，破壞均屬于梁破壞。

圖9 桁架梁柱節點構造

②圖10中通過試驗和數值分析，研究發現：包埋和預應力可以延遲下弦桿的屈服，并提高桁架的承載能力，最終破壞的是頂部弦桿的面內或面外屈曲。說明這種結構系統非常適合大跨度的應用。

圖10 拱形桁架試驗構件示意圖

③圖11在框架結構的HSTCB與柱節點中引入摩擦阻尼器的方法，發現節點域中的原件所承受的剪切力遠遠超過了作用于梁的剪切力。

圖11 帶耗散摩擦連接的桁架式梁柱節點

桁架式梁柱節點形式具有較好的延性性能，近年來很多學者通過添加連接件，更好地提高了節點的剛度和承載力，符合規范中的抗震設計要求，能夠在實際工程中應用和推廣。

2.4 梁貫通式梁柱連接節點

將梁連接到柱的另一種方法是將梁法蘭、腹板或整個橫截面穿過鋼管，這些可以被稱為“直通梁”連接。即在節點域中梁保持連續貫通的狀態與柱相連接的一種形式稱為梁貫通式方鋼管柱連接。

最初在日本開發了一種新型的耐損傷結構系統，稱為TOCBBTF（僅受拉同心支撐的直通框架）。TOCBBTF框架通常由冷彎型鋼方管柱、H型鋼貫通梁和使用扁鋼筋的細長X型支撐組成，支撐的抗壓強度忽略不計。Wang等對其進行了改進，柱用高強度螺栓固定在端板的通梁上，支撐用扣板連接到柱上。圖12中節點采用ABAQUS進行Pushover分析和準靜態分析并發現，支撐和框架之間的剛度比對TOCBBTF的地震響應有顯著影響，循環響應的特征在于線性響應，節點在低層建筑時表現出出色的延展性。

圖12 貫通式梁柱節點組件的有限元模型

劉浩晉等對分層裝配式支撐鋼結構工業化建筑梁貫通式節點進行了研制改進和性能試驗，此節點連接中，柱為方鋼管，梁翼緣大于截面橫向尺寸，并采用端板和高強螺栓連接于H形鋼梁的翼緣上。梁貫通式節點破壞模式有兩種模式：柱截面破壞和梁翼緣破壞。

梁貫通式梁柱節點具有構造簡單、施工方便、易于裝配化預制等優點，由于其有利于裝配式鋼結構的推廣，特別適宜于低多層鋼結構住宅。

3 結語

本文結合國內外學者對于裝配式方鋼管梁柱連接節點的研究，對各類節點進行了綜述。近幾年，梁柱連接節點的研究成為熱點，但是還存在許多問題亟待改善。

①套筒式梁柱連接的研究主要集中在套筒的厚度和高度、外環板的長度和厚度、柱套筒與梁間的縫隙等定性參數的改變，應進一步對連接件的力學性能等進行深入的研究，可以建立相應的試驗數據庫，為進一步制定節點相關的規范作準備。

②懸臂式梁柱連接的節點試件容易焊縫撕裂、脆性破壞等，嚴重影響了節點的破壞形態，建議加強節點的構造措施和施工質量。

③桁架式梁柱裝配式節點在現實生活中應用廣泛，但是其研究成果較少。研究者可以針對桁架梁的高度、腹桿布置方式等因素對節點抗彎性能展開研究。

④在國內外研究中，均認為梁貫通式節點柱由于其違背“強柱弱梁”的原則，所以很難實現在高層結構中的應用，對于其是否可以在高層中實現應用，還需進一步地開展研究，可能是未來研究的熱點。

⑤新型裝配式梁柱連接節點設計還較少，實現在地震、爆炸、雪荷載等偶然作用下的梁柱連接節點的抗側力性能以及破壞后的檢測和加固是以后研究的重點。