方鋼管混凝土柱—鋼梁半剛性節(jié)點(diǎn)研究綜述★

徐 嫚 杜麗文 張力濱 張秀華

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

方鋼管混凝土柱—鋼梁半剛性節(jié)點(diǎn)研究綜述★

徐 嫚 杜麗文 張力濱 張秀華

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

主要介紹了方鋼管混凝土柱—鋼梁半剛性節(jié)點(diǎn)連接的各種形式及其各自優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了節(jié)點(diǎn)及半剛性框架的試驗(yàn)和理論研究現(xiàn)狀，為半剛性連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用提供了合理有效的依據(jù)。

方鋼管混凝土，鋼梁，半剛性連接，節(jié)點(diǎn)

0 引言

鋼管混凝土是由鋼管和混凝土共同承受荷載的一種組合形式，其充分發(fā)揮了鋼和混凝土各自的長(zhǎng)處，具有承載力高、延性好、經(jīng)濟(jì)效益好及施工方便等特點(diǎn)[1]。雖然方鋼管混凝土的強(qiáng)度要稍低于圓鋼管混凝土，但方鋼管混凝土的外形比較規(guī)則，在梁柱連接時(shí)施工方便，可以縮短工期，除此之外，方鋼管混凝土的慣性矩大使其在彎曲荷載作用下具有良好的穩(wěn)定性能[2]。

傳統(tǒng)的鋼框架設(shè)計(jì)理論均為將梁柱連接節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為理想化的完全剛接或者鉸接。在豎向荷載作用下，剛接組合框架正彎矩將小于負(fù)彎矩，故剛接組合框架梁跨中截面不能充分發(fā)揮作用；而鉸接組合框架在豎向荷載下梁的跨中承受很大的正彎矩，而梁端不承受負(fù)彎矩，這樣使得梁端截面不能發(fā)揮作用，導(dǎo)致材料的浪費(fèi)。為了克服剛接和鉸接框架的缺點(diǎn)，可將梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成為半剛性連接，使梁端負(fù)彎矩和跨中正彎矩與相應(yīng)的彎矩承載力匹配，從而使梁端與跨中截面均充分發(fā)揮作用，進(jìn)而節(jié)約鋼材，同時(shí)梁端具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，更容易滿足結(jié)構(gòu)的抗震要求。

1 半剛性連接的形式

在往復(fù)荷載作用下，半剛性的連接節(jié)點(diǎn)具有較穩(wěn)定的滯回性能和優(yōu)良的耗能能力，是理想的抗震結(jié)構(gòu)之一[3]。方鋼管混凝土柱與鋼梁半剛性節(jié)點(diǎn)主要是通過摩擦型高強(qiáng)螺栓或者連接件連接起來。

1.1 高強(qiáng)螺栓連接

高強(qiáng)螺栓連接分為不貫通式和貫通式，不貫通式連接即是螺栓先焊接在柱壁上，同時(shí)端板焊在鋼梁上，最后通過高強(qiáng)螺栓完成梁柱的連接。該種連接方式具有構(gòu)造簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)無需加強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，且其施工方法與普通鋼筋混凝土柱梁相似。但螺栓與柱的焊接施工工藝要求很高，而且很容易造成鋼管柱壁局部屈曲，所以在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。不貫通式端板連接[3]平面圖與剖面圖如圖1所示。

貫通式連接是將長(zhǎng)高強(qiáng)螺栓貫穿柱身與已經(jīng)焊接端板或T型鋼的鋼梁連接起來。該連接方式剛度較大，具有好的延性和抗震性能。同時(shí)，該類節(jié)點(diǎn)良好地實(shí)現(xiàn)了在工廠使用焊接，在工地使用螺栓連接，從而使施工更加便利。

1.2 連接件連接

目前所用的連接件主要有端板，T型鋼和角鋼[4]。

端板連接是最常用的梁柱連接形式，其原理是先將端板與梁焊接后再與柱的翼緣通過高強(qiáng)螺栓連接在一起，端板的主要作用是將梁端反力傳給柱子。而在實(shí)際應(yīng)用中端板連接根據(jù)端板的高度與梁高的關(guān)系分為短端板，齊平端板和外伸端板連接。端板的高度低于梁高為短端板，端板的高度與梁高相等為齊平端板，若高于梁高則為外伸端板。從對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的約束能力來看，外伸式要大于齊平式。與其他連接形式相比，端板連接的抗轉(zhuǎn)動(dòng)剛度要大，端板連接對(duì)構(gòu)件制作的要求非常高[5]。

T型鋼連接是在鋼梁上下翼緣的外側(cè)用高強(qiáng)摩擦型螺栓使T型鋼與梁柱相連，現(xiàn)階段T型鋼主要采用的是短T型鋼，是半剛性連接中剛性最大的，若同時(shí)在梁腹板加角鋼與柱連接時(shí)可被認(rèn)為是剛性連接。

角鋼連接同T型鋼連接相似，即在鋼梁的上下翼緣處用螺栓固定角鋼來完成梁柱的連接。該種連接構(gòu)造簡(jiǎn)單且施工速度快。角鋼連接[3]平面圖與剖面圖如圖2所示。

總的來說，半剛性連接節(jié)點(diǎn)剛度靈活，受力優(yōu)越，已逐漸被實(shí)際工程所應(yīng)用。

2 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對(duì)半剛性連接節(jié)點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：1)尋求一種既簡(jiǎn)便又實(shí)用的半剛性連接形式；2)以單獨(dú)的半剛性節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)為依據(jù)，探討其在實(shí)際框架中的工作性能；3)研究由構(gòu)件向體系轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)有鋼管混凝土半剛性連接框架試驗(yàn)較少，有些學(xué)者通過對(duì)半剛性連接鋼框架和賦予半剛性性質(zhì)的外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)鋼管混凝土組合框架的荷載—位移曲線進(jìn)行模擬研究鋼管混凝土半剛性連接組合框架的靜、動(dòng)力性能。

2.1 理論研究現(xiàn)狀

在理論方面主要集中研究半剛性連接節(jié)點(diǎn)承載力的計(jì)算方法、通過有限元分析其受力性能等。

早在1996年英國的Alostaz和Schneider[6]在基于節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究的情況下通過有限元的方法分析了軸壓比對(duì)鋼管混凝土柱—鋼梁外加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)的性能影響。

2005年周天華等人[7]結(jié)合CECS 159∶2004矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的設(shè)計(jì)規(guī)定，給出了方鋼管混凝土柱—鋼梁節(jié)點(diǎn)在不同抗震設(shè)防烈度下節(jié)點(diǎn)受彎、受剪的計(jì)算公式。并通過建立鋼“框架—剪力墻”和混凝土“斜壓短柱”的受力模型得出了能夠反映軸壓比影響的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力疊加計(jì)算公式。

2006年杜喜凱等人[8]對(duì)矩形鋼管混凝土半剛性連接節(jié)點(diǎn)—雙T板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了三維建模，考察了軸壓比等參數(shù)對(duì)滯回性能、延性等受力性能的影響,同時(shí)通過試驗(yàn)觀察節(jié)點(diǎn)的屈服原理。通過有限元模型與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，二者結(jié)果相符，最后模擬了在不同軸壓比下柱頂水平荷載—位移骨架曲線，從曲線中可看出當(dāng)荷載達(dá)到峰值后有較長(zhǎng)一段的加強(qiáng)段，則可得知雙T板具有較好的延性。節(jié)點(diǎn)試件的柱頂水平荷載與位移曲線如圖3所示。

2012年夏磊[4]研究了鋼管混凝土半剛性連接組合框架的靜力性能和動(dòng)力性能，通過分析豎向及水平荷載對(duì)半剛性連接平面組合框架模型的影響，得出隨著節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的增大，在鋼管混凝土半剛性連接框架中，梁端彎矩增大，框中彎矩和撓度均減小。又通過分析地震作用下的鋼管混凝土半剛性連接組合框架，得出隨著節(jié)點(diǎn)剛度轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的減小，結(jié)構(gòu)底層最大剪力減小，結(jié)構(gòu)自振周期增大。

綜上可看出理論研究從一開始的靜力分析到后來的動(dòng)力特性分析，再到有限元分析、參數(shù)分析，對(duì)半剛性連接節(jié)點(diǎn)研究考慮的因素越來越多，研究也越來越細(xì)致。

2.2 試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

1993年Mmorino等人[9]進(jìn)行了方鋼管混凝土柱鋼梁貫通節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果得到在彎矩作用下節(jié)點(diǎn)具有更好的耗能能力。1999年France等人[10]對(duì)鋼管混凝土柱鋼梁端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與方鋼管柱節(jié)點(diǎn)對(duì)比得出節(jié)點(diǎn)剛度、強(qiáng)度提高而延性降低，破壞形式均為螺栓拔出。2004年Ricles等人[11]對(duì)10個(gè)足尺的方鋼管混凝土柱—鋼梁的內(nèi)隔板節(jié)點(diǎn)、T型鋼加強(qiáng)梁翼緣節(jié)點(diǎn)、T型鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。由試驗(yàn)可知T型鋼加強(qiáng)梁翼緣節(jié)點(diǎn)和T型鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)滿足“強(qiáng)柱弱梁”原則。除此之外T型鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)能夠很好的增強(qiáng)螺栓孔的強(qiáng)度，防止破壞，減少滑移。

而在理論并不完善的初期，我國則先從理想化的剛性節(jié)點(diǎn)著手研究。1999年在我國同濟(jì)大學(xué)余勇、呂西林等人[12]對(duì)方鋼管混凝土柱鋼梁帶內(nèi)隔板十字形連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究，對(duì)十字形構(gòu)件進(jìn)行靜力拉伸，最后大部分是梁的翼緣被拉斷，所以柱—鋼梁連接處的極限承載力沒能得出，但根據(jù)屈服線理論提出了此類節(jié)點(diǎn)受拉承載力的計(jì)算公式具體機(jī)制原理如圖4所示。在此基礎(chǔ)上，2002年天津大學(xué)趙莉華等人[13]在進(jìn)行內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn)時(shí)對(duì)余勇等人提出的受拉屈服承載力方程進(jìn)行了驗(yàn)證。梁柱連接的M—θ曲線見圖5。

2004年宗周紅[14]將研究落到半剛節(jié)點(diǎn)上，對(duì)矩形鋼管混凝土加勁端板和雙T板連接節(jié)點(diǎn)的柱端進(jìn)行低周反復(fù)荷載擬靜力試驗(yàn)，對(duì)比二者在不同軸壓比作用下對(duì)破壞機(jī)制、滯回曲線等的影響。經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)二者破壞現(xiàn)象基本相同，均是鋼梁的翼緣先發(fā)生屈服緊隨其后的是鋼梁的腹板，而柱從始至終未發(fā)生屈服，實(shí)測(cè)狀況如表1所示。同時(shí)得出軸壓比對(duì)轉(zhuǎn)角滯回曲線的影響較峰值荷載要小，且對(duì)于峰值荷載而言，高軸壓比試件要大于低軸壓比試件。

表1 節(jié)點(diǎn)實(shí)測(cè)特征荷載及位移值的比較[15]

2005年葉康[15]對(duì)鋼框架半剛性連接的彎矩—轉(zhuǎn)角關(guān)系進(jìn)行了總結(jié)，論述了幾種常用的梁柱連接特性，并且給出了能夠模擬連接特性的計(jì)算公式。同時(shí)明確半剛性受力性能對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力和變形都有較大的影響，所以確定半剛性連接的約束關(guān)系對(duì)半剛性連接框架至關(guān)重要。如圖5表示出了幾種常用的半剛性連接的彎矩—轉(zhuǎn)角曲線，模擬連接特性的計(jì)算公式如下:

多項(xiàng)式模型：

θr=C1(KM)1+C2(KM)3+C3(KM)5。

其中，K為取決于連接類型和幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)；C1，C2，C3均為曲線擬合常數(shù)。

冪函數(shù)模型：

θr=aMb。

其中，a,b均為曲線擬合參數(shù)，a>0，b>0。

其中，Rki為初始連接剛度；Mu為連接的極限彎矩承載力；n為曲線的形狀參數(shù)。

指數(shù)模型：

其中，M0為擬合的連接彎矩初始值；Rkf為連接應(yīng)變硬化剛度；a為標(biāo)量系數(shù)；Cj為由曲線回歸分析求得的曲線擬合常數(shù)。

在接下來幾年，許文蓓等人[16-18]提出了穿心高強(qiáng)螺栓—Π型板節(jié)點(diǎn)，并對(duì)其抗震性能進(jìn)行研究，分析了受力性能的影響因素等。從單向加載靜力試驗(yàn)到對(duì)節(jié)點(diǎn)循環(huán)加載試驗(yàn)，這些結(jié)果不僅能很好的證實(shí)理論研究而且可以為半剛性連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用提供有效的依據(jù)。

3 結(jié)語和期望

在荷載作用下，節(jié)點(diǎn)實(shí)際連接性能更接近于半剛性連接，因此近年來對(duì)半剛節(jié)點(diǎn)的研究越來越多。已有研究表明半剛性連接考慮了節(jié)點(diǎn)區(qū)域變形的影響，使桿件內(nèi)應(yīng)力集中得到緩解，同時(shí)半剛性連接具有良好的耗能性能，延性要比其他連接形式好很多。當(dāng)然在半剛性連接節(jié)點(diǎn)具有以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在著很多有待解決的問題：

1)由于不同形式的半剛性連接節(jié)點(diǎn)受力性能不同，且目前對(duì)各類半剛性節(jié)點(diǎn)研究不夠系統(tǒng)成熟，因此，我國規(guī)范還未能對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。

2)現(xiàn)階段各種半剛性連接方式處于單獨(dú)研究過程中，并未對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一分析。同時(shí)，由于半剛性連接節(jié)點(diǎn)形式的多樣性和復(fù)雜性，造成了半剛性節(jié)點(diǎn)廣泛應(yīng)用受阻，因此要想大量實(shí)際使用有待進(jìn)一步研究。

3)現(xiàn)已提出的新型半剛性連接節(jié)點(diǎn)需要做大量的試驗(yàn)及有限元分析，從而確定其精確的M—θ曲線。

4)現(xiàn)有研究主要集中于半剛性連接節(jié)點(diǎn)，并用節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)推測(cè)其在真實(shí)框架中的性能，但推測(cè)能否反映真實(shí)情況，有待進(jìn)一步研究；目前，雖然有學(xué)者做過框架試驗(yàn)，但這類試驗(yàn)數(shù)量較少，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，所以不能進(jìn)行系統(tǒng)化推測(cè)。

5)現(xiàn)有半剛性連接節(jié)點(diǎn)形式均具有各自不同程度的缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步探討更合理，受力性能更優(yōu)越，施工更加便捷的連接形式。

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On survey of concrete-filled square steel tubes column-steal beam semi-rigid node★

Xu Man Du Liwen Zhang Libin Zhang Xiuhua

(CivilandEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

This article mainly introduce the forms of concrete-filled square steel tubes column-steel beam nodes, and analysis the advantages and disadvantages of all kinds of nodes, as the same time summarizes the node and semi-rigid framework test and theoretical study of the current situation, so as to provide reasonable and effective reference for application of semi-rigid connection node.

concrete-filled square steel tubes， steel beam， semi-rigid connection， node

2015-02-09

★：國家自然科學(xué)青年基金(項(xiàng)目編號(hào):51408106)；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):12533011)

徐 嫚(1982- )，女，講師； 杜麗文(1990- )，女，在讀碩士； 張力濱(1972- )，男，副教授； 張秀華(1970- )，女，碩士生導(dǎo)師，副教授

1009-6825(2015)11-0024-03

TU375.2

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