鋼結構梁柱節點研究現狀及改進技術分析

摘 要：【目的】裝配式鋼節點的強度對結構整體的抗震性能有重要影響，因此需要研究節點的優化形式。【方法】分析目前裝配式結構梁柱節點的發展現狀，提出一種可修復摩擦型耗能節點，對該節點的構造形式、工作機理和創新點進行簡要闡述，通過擬靜力試驗得到節點荷載—位移滯回曲線，分析其抗震性能?！窘Y果】結果表明，該節點可以將地震作用產生的損傷集中在連接區，實現核心區塑性鉸外移，并且可以通過滑移板摩擦和鋼質鉸轉動提高節點耗能能力，震后通過更換連接區滑移板實現節點修復。【結論】研究成果能夠為可修復鋼框架節點的設計提供一定的參考。

關鍵詞：裝配式鋼結構；梁柱節點；節點優化；可修復節點；摩擦耗能

中圖分類號：TU391" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）21-0061-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.014

Research Status and Improvement Technology Analysis of Steel"Structure Beam-Column Joints

LIU Ruyue1 XIAO Sanxia2 ZHANG Xiaoxi3 LIN Yufang4 CHEN Wenxi4

（1.School of Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou 350118， China; 2.Engineering School of Fujian Jiangxia University， Fuzhou 350108， China; 3.Yongfu Construction Engineering Group Co.， Ltd.， Fuzhou 350007， China; 4.Fujian Chuangsheng Construction Co.， Ltd.， Fuzhou 350100， China）

Abstract： [Purposes] As the strength of prefabricated steel joints has a significant impact on the overall seismic performance of the structure， it is necessary to study the optimization form of the joints. [Methods] This paper will analyze the current development of beam-to-column joint for prefabricated structures， a repairable friction type energy dissipation joint was proposed， and the construction form， working mechanism， and innovative points of this joint were explained.The joint load displacement hysteresis curve through quasi-static tests， and analyze its seismic performance was analyzed. [Findings] The results show that this joint can concentrate the damage caused by seismic action on the connection area， achieving plastic hinge displacement in the core area， and improving the joint's energy consumption capacity through sliding plate friction and steel hinge rotation. After the earthquake， the joint repair is achieved by replacing the sliding plate in the connection area. [Conclusions] Research findings can provide a certain theoretical reference for the construction of repairable steel frame joints.

Keywords： fabricated steel structure; beam-to-column joint; joint optimization; repairable joints; friction energy consumption

0 引言

國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會上提出，中國二氧化碳排放將力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現“碳中和”^［1］。裝配式鋼結構作為一種具有全壽命周期意義的綠色建筑結構近幾年發展迅速，該結構具有良好的延性和抗震性能，符合我國綠色發展新理念，對我國的工業發展實現模塊化、標準化、工業化和信息化生產將起到良好的促進作用。目前，裝配式鋼框架結構的抗震性能主要受梁柱節點力學性能的影響，隨著近幾年來新型梁柱節點的研發，裝配式鋼框架梁柱節點的抗震性能相較于傳統的全焊接形式的節點有了一定的提升。但歷次地震災害調查表明，預制裝配式建筑的倒塌仍主要是由各個構件連接部位的破壞引起的，梁柱連接節點作為裝配式鋼框架結構的薄弱環節，其破壞會導致結構失效，且損壞的節點震后修復難度大。因此，研發新型梁柱連接節點以改善裝配式鋼結構的抗震性能，同時提高其可修復性成為我國目前建筑行業的主要研究方向。

1 鋼結構梁柱節點研究現狀

對于如何提高鋼結構的整體性和抗震性，國內外學者對梁柱節點的連接形式進行了諸多研究，主要有以下3個方面。

1.1 加強型節點的研究

加強型節點主要針對梁柱節點核心區部位的梁柱翼緣或梁柱腹板部位進行加強，以實現節點的抗震性能提升。許多學者^［2-4］對不同形式的擴翼緣加強型節點進行擬靜力試驗和有限元分析，結果表明，翼緣連接試件破壞形態為延性破壞，不同形式的擴翼加強型節點均可產生明顯的塑性變形， 實現塑性鉸外移， 提高試件的延性和耗能能力，采用圓弧形擴翼加強型節點因其荷載傳遞更直接等優勢，綜合性能要優于側板加強型節點。在此基礎上，張艷霞等^［5］提出一種梁端加強螺栓全拼接節點，并進行了有限元分析，結果同樣表明，該節點可以實現塑性鉸的外移，具有更好的塑性轉動能力。劉永娟等^［6］對腋板加強型節點的研究表明，該類節點能夠有效減緩梁柱連接處的應力集中，且考慮樓板作用后，其滯回性能更為優良。

1.2 削弱型節點的研究

削弱型節點主要對節點外側梁的翼緣、腹板等部位進行尺寸上的削弱，以滿足強柱弱梁的抗震設計。諸多學者^［7-11］通過對各類翼緣削弱型節點進行擬靜力試驗與有限元分析，結果表明，翼緣削弱型節點在循環往復作用下抗震性能良好，有學者還基于研究結果系統分析了各削弱參數對節點力學性能的影響，給出各參數合理取值的建議。此外梁翼緣處的焊接強度是決定剛性連接節點性能的主要因素，翼緣削弱深度的變化對狗骨式節點的延性及承載力影響更大。相關學者對于腹板削弱型節點^［12-13］的研究結果表明，通過對梁腹板進行開孔或改變高度等不同形式的削弱，能較好地緩解梁柱焊縫處的應力集中趨勢，減緩承載力下降趨勢，提高節點的耗能能力和延性，有效實現塑性鉸外移，若梁腹板開孔的構造形式選擇得當，便可通過設計合理控制節點處的塑性鉸形成位置，降低梁柱對接焊縫處發生脆性破壞的風險，使節點的抗震性能獲得顯著提高。

1.3 可修復節點的研究

隨著“可恢復功能城市”抗震理念的提出^［14］，可修復結構成了抗震領域較熱門的研究方向，其主要分為自復位結構、搖擺結構、構件可更換結構及附加耗能裝置結構^［15］，其中構件可更換結構憑借其較好的材料利用效率和拼裝的便利性，成為目前我國可修復結構研究的主要方向。在此背景下，相關學者展開了大量的研究，Shen等^［16］提出了腹板螺栓連接和端板槽鋼連接兩類可更換構件并進行一系列擬靜力試驗，結果表明：與腹板螺栓連接相比，槽鋼端板可更換連接的滯回性能更優良。邵鐵峰等^［17］提出了具有良好的滯回性能和耗能能力的一種利用角鋼連接的局部可更換鋼梁，震后通過對受損的角鋼進行更換后，試件的力學性能仍可完全恢復，該節點與普通鋼梁相比具有相同的抗彎剛度，可通過設計來控制鋼梁出現損傷的部位。張愛林等^［18］提出了一種新型裝配式開洞槽鋼梁柱節點，該節點可以通過更換既定的損傷構件恢復震損后節點的力學性能以實現修復；通過對翼緣蓋板進行削弱實現塑性鉸外移，并以螺栓間距、翼緣削弱寬度、螺栓數目等參數為設計變量對節點進行擬靜力分析，結果表明：該節點在滿足承載力的基礎上可以有效實現損傷可控，做到震后功能可恢復。

綜上所述，構件可更換類型的可修復節點的形式較為多樣，通過對節點的各個部位采用可組裝構件設計，并將節點地震損傷集中在拼接件，震后通過更換拼接件以實現節點修復。由此可見，目前該類型可修復節點具有較大的研究空間。

2 新型可修復摩擦型耗能節點

2.1 可修復摩擦型耗能節點設計原理

本研究提出一種新型可修復型摩擦耗能節點技術。在承載能力方面，新型可修復摩擦型耗能節點貫徹“強節點、弱構件”的抗震設計理念，在地震作用下，通過對連接區的翼緣滑移板進行削弱處理，以降低該處的屈服承載力，將本應在鋼節點核心區產生的塑性鉸外移，使構件的損傷破壞集中在滑移板處，震后僅通過更換滑移板即可實現節點的快速修復。對連接區腹板處采用鋼質鉸設計，由耳板處的高強螺栓抵抗連接區的彎矩，而銷軸則滿足腹板處的抗剪承載力要求。

在能量耗散方面，新型可修復摩擦型耗能節點主要的耗能方式為翼緣滑移板在地震作用下沿豎縫槽孔的滑移和腹板鋼質鉸的轉動產生摩擦耗能。當螺栓與連接板螺栓孔壁發生擠壓接觸，高強螺栓由摩擦型向承壓型轉變，節點承載力有所上升，螺栓與耗能滑移板產生擠壓變形，此時利用耗能滑移板的塑性變形進行耗能；通過耗能節點耗散能量起到保護作用，保護核心區免受塑性損傷；鋼質鉸在其受力發生轉動過程中使上下滑移板在受力過程中分別承受相反的抵抗軸力，能夠更好地耗散能量。

節點在地震作用下的荷載—位移曲線如圖1所示，其中a為節點的屈服位移，a ～ b為位移段節點滑移，c為當滑移板螺栓滑移至孔壁產生擠壓后承載力上升狀態下的節點峰值位移，d為節點的極限位移。

2.2 可修復摩擦型耗能節點的構造形式

新型可修復型摩擦耗能節點由帶有懸臂梁的鋼柱、連接區和普通梁段構成，其中連接區由內外拼接蓋板、經削弱處理的滑移板、L型板、鋼質鉸組成，其中鋼質鉸由端板、耳板和銷軸組成，耳板間通過高強螺栓連接；柱與普通梁段腹板處間隔一定距離焊接加勁肋，梁、柱和鋼質鉸三部分通過高強螺栓進行連接，詳細構造如圖2所示。滑移板鋼材采用Q235鋼，其余鋼材選用Q355鋼。

2.3 可修復摩擦型耗能節點的組裝

可修復摩擦型耗能節點通過連接區將帶有懸臂梁的鋼柱與普通梁段連接。組裝時，先將由端板、耳板和銷軸組成的鋼質鉸通過角鋼與左右梁腹板連接，完成節點初步拼接，之后通過內外蓋板和高強螺栓連接上下滑移板，實現節點的整體拼裝，如圖3所示。

2.4 可修復摩擦型耗能節點的抗震性能

試驗得到的節點荷載—位移滯回曲線如圖4所示。由圖4可知，節點荷載—位移滯回曲線較為飽滿，節點耗能能力較好。當節點達到峰值荷載后開始下降，加載過程中節點滑移板出現摩擦滑移，曲線趨勢趨于平穩。隨著位移增大，滑移板螺栓接觸到孔壁，節點由摩擦型節點轉為承壓型節點，承載力出現上升段。試驗結束時，節點位移角約為4%，說明節點具有較好的變形能力。

2.5 可修復摩擦型耗能節點的創新性

①節點連接區滑移板上設有豎縫開孔，腹板耳板銷軸四周設有長弧形螺栓孔，滿足拼接板間的相對滑移，有利于提高耗能區的耗能能力和變形能力，保證節點核心區不發生塑性損傷。

②節點的彎矩是可控的，其中腹板鋼質鉸處的彎矩可全部由各耳板間的摩擦力抵抗，通過鋼質鉸處高強螺栓數量和螺栓預緊力進行控制。

③節點的連接區構件均可拆卸拼裝，便于節點震后更換損傷構件，實現節點功能的可修復。

3 結論

①裝配式鋼節點的優化形式一直是國內外學者不斷探尋的課題，現有的節點加強方案在滿足要求的同時仍有較大的優化空間。本研究提出的可修復摩擦型耗能節點各部件均可在工廠預制裝配，符合國家提出的“雙碳”目標的要求，具有良好的應用前景。

②對連接區翼緣進行削弱，采用鋼質鉸的形式替代腹板削弱其抗彎能力，以較好地實現地震作用下節點核心區塑性鉸外移。通過將塑性鉸外移至連接區，從而有效地將節點的損傷集中在滑移板，震后通過更換滑移板可實現節點的快速修復。

③通過對連接區翼緣和腹板處進行優化設計，形成了在地震作用下，滑移板先屈服、后滑移、再承壓的工作機制，實現了節點的多重耗能機制。

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收稿日期：2023-03-12

基金項目：國家自然科學基金項目（51878174）。

作者簡介：劉如月（1991— ），女，博士，講師，研究方向：裝配式結構、組合結構、工程結構抗震研究。