新型方鋼管梁柱全螺栓套筒節點研究

李然，馬倩玲，楊秀紅，林峰，顏孫杰

（1.北京建筑大學土木與交通工程學院，北京100044；2.國材（北京）建筑科學研究院有限公司，北京100038）

1 引言

輕型鋼結構住宅用鋼量少，具有工廠化程度高、施工周期短、節能環保等優點，滿足住宅產業化發展需求。 近年來，隨著國家綠色發展戰略的實施，輕型鋼結構發展迅速[1]。

方鋼管截面形式對稱，具有各向等強、承載力高、安全可靠等優點，在輕型鋼結構中具有廣闊的工程應用前景[2]。 方鋼管梁柱連接節點可采用焊接或螺栓連接，與焊接相比，螺栓連接施工效率高，連接質量可控，但方鋼管截面封閉，不易進行全螺栓連接[3]。 因此，國內外學者探索研究了單向螺栓及對穿螺栓等連接形式， 以達到方鋼管柱閉口截面構件的全螺栓連接。 楊曉杰等[3]進行了矩形鋼管柱與H 形梁通過對穿螺栓連接節點的擬靜力試驗，試驗結果表明，高強對穿螺栓連接節點具有較強的耗能能力；王燕等[4]提出采用高強螺栓和對穿螺栓組合連接的裝配式鋼結構梁柱節點： 先通過高強螺栓連接下柱與梁端板，再使用對穿螺栓連接上柱與整體結構，鋼梁上、下翼緣的軸力可通過對穿螺栓直接傳遞到鋼管柱的對側，因此該節點具有較高的承載力；單向螺栓包括膨脹單向螺栓、傘式展開螺栓、 彈開式單邊緊固螺栓等， 但這些單向螺栓成本高、構造復雜，難以實際推廣應用[5]。

基于上述問題，開發一種低成本、構造簡單的高強螺栓連接節點具有重要的工程意義。 本文設計采用柔性內套筒連接的方鋼管梁柱節點， 其中內套筒分為柱內套筒及梁內套筒兩種形式，通過高強螺栓連接內套筒及方鋼管梁柱，分別形成端板節點及懸臂梁節點。 柔性內套筒可使高強螺栓達到更好的緊固效果，還可完成封閉截面的全螺栓連接，豐富了裝配式輕型鋼結構體系中方鋼管梁柱連接節點形式， 在低層建筑中具有良好的應用前景。

2 新型方鋼管梁柱全螺栓套筒節點概述

2.1 柱內套筒端板節點EP-1

端板連接是鋼框架結構中最典型的梁柱連接形式之一，但應用在方鋼管梁柱節點上受到封閉截面空間限制[6]。采取柱內套筒連接方鋼管柱及端板，可以解決上述連接問題。 柱內套筒由4 塊內襯板與2 個帽件構成，內襯板內側焊有螺母，兩個帽件將內襯板連接后組成柔性柱內套筒，如圖1 所示；端板與梁在工廠焊接，現場組裝節點時只需使用高強螺栓連接。

圖1 柱內套筒示意圖

節點安裝時， 首先將柱內套筒和下柱通過螺栓進行臨時固定，再將方鋼管上柱精準對接到柱內套筒上端，隨后初擰柱外貼板的高強螺栓進行固定，最后安裝帶有端板的方鋼管梁。高強螺栓從外到內依次穿過連接端板、方鋼管上（下）柱及內套筒，固定在內套筒預焊螺母上，如圖2 所示。

圖2 節點EP-1 設計示意圖

2.2 柱內套筒端板加勁節點EP-2

加勁肋能夠保護梁柱連接處焊縫等薄弱環節， 提高梁柱節點的極限荷載和剛度、改善節點的抗震性能[7]。因此，在柱內套筒端板節點EP-1 的基礎上， 提出柱內套筒端板加勁節點EP-2， 如圖3 所示。 節點EP-2 端板的上下兩側均設置加勁肋，加勁肋的位置與梁豎向方鋼管壁相連，形狀采用多邊形，厚度與方鋼管壁厚度相同， 加勁肋的長度和寬度與端板的外伸尺寸相同。

圖3 節點EP-2 設計示意圖

節點EP-2 的安裝步驟與節點EP-1 相同， 但端板安裝時，扭矩扳手需避開加勁肋，確保螺栓預緊力達到設計值。

2.3 梁內套筒懸臂梁節點CB-1

懸臂梁節點具有良好的延性，實現了塑性鉸的外移，節點耗能包括滑移耗能、 螺栓桿和孔壁擠壓耗能及拼接區板件的屈服耗能，耗能能力良好[8]，可較好地適用于裝配式輕型鋼結構。因此，提出梁內套筒懸臂梁節點CB-1，內套筒由3 塊內襯板、1 塊帶齒條內襯板與2 個帽件構成， 帶齒條內襯板開有槽道，槽道內側設鋸齒狀構造，兩個帽件將內襯板連接后組成柔性梁內套筒，如圖4 所示。 安裝時可以采用專用工具通過齒條調整內套筒位置，解決懸臂梁方鋼管封閉截面連接問題。

梁內套筒在工廠加工完成并提前放置在鋼梁內， 構件基本屬于“光桿”構件。 安裝時，首先進行方鋼管柱及懸臂短梁的裝配連接，再對接懸臂短梁及放置柔性內套筒的方鋼管梁，通過齒輪驅動內套筒到合適的位置，與方鋼管短梁、梁外貼板通過高強螺栓連接。 高強螺栓從外到內依次穿過梁外貼板、方鋼管梁及梁內套筒，固定在梁內套筒預焊螺母上，如圖5 所示。

2.4 梁內套筒懸臂梁攻絲節點CB-2

節點CB-2 的梁內套筒在4 個內襯板上鉆孔攻絲， 以攻絲鋼板來代替螺母，兩個帽件將內襯板連接成柔性梁內套筒，如圖6 示， 梁外貼板和內套筒與懸臂短梁連接安裝方式與節點CB-1 相同。

圖6 沖絲梁內套筒示意圖

3 節點優勢

1）承載力高。 方鋼管截面形式對稱，各向等強，抗扭剛度大，結構整體穩定性好。

2）全螺栓連接。 無須現場焊接，保障施工質量、提高施工效率；與現有的采用單向螺栓的節點相比，新型方鋼管梁柱全螺栓套筒節點造價低、可靠性高，符合住宅產業化的發展趨勢。

3）結構標準化設計。 全部構件在工廠加工，實現標準化設計、批量化生產；構件出廠后，基本是“光桿”構件，可提高運輸效率及現場裝配效率。

4）用鋼量少。 采用此節點的3 層以下輕型鋼結構房屋用鋼量約35 kg/m2，且具有材料可回收、綠色環保等特點，不僅適用于低層住宅，還可應用在地震災后的安置房屋。

4 技術控制要點

4.1 節點焊接加工

焊接加工是裝配式輕鋼結構的關鍵技術環節， 直接影響結構的穩定性。 內套筒預焊螺母、端板與方鋼管梁的焊接操作對節點質量尤為重要，因此，工廠需嚴格按照要求進行焊接。焊接完成后，工廠應采取檢驗等質量控制措施，確保焊接達到預期效果，以便后續的裝配式輕型鋼結構施工順利進行。

4.2 攻絲加工

攻絲的加工質量是施工時梁內套筒與高強螺栓有效對接的關鍵，因此，進行攻絲加工時需嚴格把控生產質量。 加工完成后，工廠在組裝內套筒前要對攻絲絲扣進行質量檢驗，保證安裝時內套筒與方鋼管的有效對接。

4.3 高強螺栓

出廠前應按規定對高強螺栓進行性能檢驗； 在貯存過程中，注意防潮防腐、防污染；高強螺栓安裝前要保證結構表面及墊片整體干燥和清潔； 安裝時高強螺栓預緊力應嚴格按照規范取值， 避免因扭矩值過高或過小導致的螺栓斷裂或緊固不足等問題。

5 結語

裝配式新型方鋼管梁柱全螺栓套筒節點現場無須焊接施工，全部采用高強螺栓快速安裝，保障施工質量、提高安裝效率，可以實現標準化設計、批量化生產，有利于推進裝配式輕型鋼結構住宅產業化進程。 后續可通過試驗研究此節點的抗震性能，進而優化結構設計方法。