鋼管混凝土—鋼梁加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀

徐羊

【摘 要】隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用，其節(jié)點(diǎn)連接的可靠性也越來(lái)越引起關(guān)注。鋼管混凝土-鋼梁加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)以其傳力簡(jiǎn)單、剛度大、承載力高等優(yōu)點(diǎn)，被大量用于工程實(shí)踐。本文主要介紹了鋼管混凝土-鋼梁加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀，并指出了存在的不足及需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土；梁柱節(jié)點(diǎn)；外加強(qiáng)環(huán)；內(nèi)加強(qiáng)環(huán)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)大量地涌現(xiàn)，而對(duì)于這些大型結(jié)構(gòu)，通常需要采用承載力高、延性好、安全可靠的構(gòu)件。其中，鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)以其承載力高、塑性、韌性性能好等優(yōu)點(diǎn)受到工程應(yīng)用與研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[1]。

為了充分發(fā)揮鋼管混凝土良好的力學(xué)性能，在實(shí)際工程中梁柱節(jié)點(diǎn)的連接就顯得尤為重要，特別是當(dāng)遇到地震作用時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)對(duì)于建筑物的安全起到了決定性作用。正是因?yàn)榱褐?jié)點(diǎn)連接的重要性，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)此也展開(kāi)了深入的研究，并將研究成果制定成規(guī)范，供設(shè)計(jì)及施工人員使用，從而保證節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)滿足良好的塑形以及抗震性能要求[2]。

加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)由于其傳力路徑簡(jiǎn)潔明確，節(jié)點(diǎn)剛度大，承載力高，并且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益以及施工的便捷性，已經(jīng)在實(shí)際工程中得到大量的運(yùn)用，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)也是《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（CECS159：2004）[3]推薦的節(jié)點(diǎn)形式之一。該節(jié)點(diǎn)的原理，是利用上下加強(qiáng)環(huán)分別承受拉、壓力，形成力偶來(lái)抵抗梁端彎矩，同時(shí)利用垂直肋板、型鋼承重銷(xiāo)、穿心鋼板、明牛腿等來(lái)傳遞梁端剪力。但其缺點(diǎn)也是很明顯的，由于其只與鋼管混凝土柱表面的鋼管所焊接接觸，其剪力并未有效地傳遞到核心區(qū)混凝土上，導(dǎo)致在節(jié)點(diǎn)連接處較為薄弱，易產(chǎn)生塑性鉸進(jìn)而被破壞。因此，有必要對(duì)加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更深入的研究，并作出相應(yīng)的改進(jìn)，增強(qiáng)其在節(jié)點(diǎn)連接處的性能。

1 研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

1.1 外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

Choi等[4]對(duì)11個(gè)不同尺寸的鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，重點(diǎn)比較了“無(wú)外加強(qiáng)環(huán)板”、“無(wú)焊接的改進(jìn)T型外加強(qiáng)環(huán)板”和“外加強(qiáng)環(huán)板加環(huán)向錨固鋼筋”等不同的構(gòu)造方法下，節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。結(jié)果表明，焊接的外加強(qiáng)環(huán)板和外加強(qiáng)環(huán)板加環(huán)向錨固鋼筋等類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)都具有較高的承載能力和剛度，其滯回曲線飽滿，表現(xiàn)出良好的延性。

蔣濤等[5]進(jìn)行了矩形鋼管混凝土柱-鋼管混凝土梁節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)研究。其研究了兩種外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的連接方式，試驗(yàn)結(jié)果表明：鋼筋貫通式節(jié)點(diǎn)利用鋼筋傳遞梁端彎矩，抗震性能較好，但節(jié)點(diǎn)制作過(guò)程特別復(fù)雜，存在梁端部鋼板開(kāi)孔焊接預(yù)埋鋼筋和二次澆灌水泥砂漿的問(wèn)題。外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)荷載-位移滯回曲線表現(xiàn)出捏縮現(xiàn)象，主要由于梁端部封板剛度不足，因此節(jié)點(diǎn)的變形集中到梁端部封板上，最終導(dǎo)致梁端部封板屈曲和焊縫撕裂。這兩種節(jié)點(diǎn)連接型式均表現(xiàn)出較好的抗震性能，符合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的原則，具有一定的參考價(jià)值。

張大旭，張素梅[6]對(duì)圓形鋼管混凝土柱-鋼梁外加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)力學(xué)性能行了試驗(yàn)研究，包括強(qiáng)柱弱梁及削弱節(jié)點(diǎn)區(qū)（節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼管壁減?。﹥深?lèi)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鋼管混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)梁端荷載-位移滯回曲線進(jìn)行了理論分析，并建立了節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型，按照傳統(tǒng)和改進(jìn)的兩種分析方法，編制數(shù)值計(jì)算程序進(jìn)行了荷載-位移滯回曲線分析，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

呂西林等[7]對(duì)帶內(nèi)隔板的方鋼管混凝土柱與鋼梁節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，提出了方鋼管混凝土柱與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及構(gòu)造建議，并已納入國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范。

1.2 內(nèi)加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究

王磊[8]進(jìn)行了不同焊縫形式連接內(nèi)加強(qiáng)環(huán)和鋼管壁的節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行試驗(yàn)，考察了不同焊縫形式對(duì)節(jié)點(diǎn)受力情況和應(yīng)力分布的影響，并對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力集中問(wèn)題進(jìn)行了討論，最后還給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議。

李強(qiáng)[9]對(duì)大量Y形、K形內(nèi)加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析與研究，并給出了集中因子的影響因素，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議。

1.3 外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬研究

Alostaz和Schneider[10]利用有限元方法分析了鋼管混凝土柱--鋼梁節(jié)點(diǎn)在不同構(gòu)造措施下的抗震性能。節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造類(lèi)型主要選取了焊接節(jié)點(diǎn)、預(yù)埋式焊接節(jié)點(diǎn)、內(nèi)埋鉚釘式節(jié)點(diǎn)、貫穿腹板式節(jié)點(diǎn)、貫通鋼梁式節(jié)點(diǎn)、翼緣貫通式節(jié)點(diǎn)和腹板貫通式節(jié)點(diǎn)等。研究了鋼管徑厚比、軸壓比及梁端的彎矩剪力比等參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：直接焊接節(jié)點(diǎn)承載力不高，而將鋼梁內(nèi)力傳遞給核心混凝土組件的節(jié)點(diǎn)具有更高的承載力和剛度；不同節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施對(duì)其力學(xué)性能的提高效果不同，其中穿心鋼梁式構(gòu)造是實(shí)現(xiàn)理想剛接節(jié)點(diǎn)最有效的方法。

Chang-Koon Chol等[11]利用ADINA軟件中的一種新的實(shí)體單元建模，模擬端板螺栓連接鋼框架節(jié)點(diǎn)。結(jié)果表明：有限元模型可以準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際構(gòu)件的真實(shí)響應(yīng)；同時(shí)，該方法也可以用來(lái)進(jìn)行大規(guī)模參數(shù)分析，并分析和設(shè)計(jì)一般的鋼結(jié)構(gòu)。

1.4 內(nèi)加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬研究

張?chǎng)蝃12]對(duì)12個(gè)內(nèi)加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)建立了有限元模型，利用ANSYS軟件中PUSHOVER對(duì)12個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)，主要考察其滯回性能及剛度退化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著內(nèi)加強(qiáng)環(huán)厚度的增大，節(jié)點(diǎn)區(qū)承載力明顯提高，當(dāng)加強(qiáng)環(huán)的厚度與梁翼緣厚度相同時(shí)，加強(qiáng)環(huán)受力較好，且較為經(jīng)濟(jì)；隨著鋼管混凝土柱端軸壓力的增大，節(jié)點(diǎn)的承載力有所提高，軸壓比在0.4～0.8范圍時(shí)，內(nèi)加強(qiáng)環(huán)的應(yīng)力均未超過(guò)屈服應(yīng)力，具有一定的安全儲(chǔ)備；隨著鋼管壁厚的增加，梁柱連接處的剛度變大，節(jié)點(diǎn)的承載力提高，但是結(jié)構(gòu)的延性大幅降低，因此，建議含鋼率宜控制在0.052～0.074。

2 現(xiàn)階段存在的問(wèn)題

梁柱節(jié)點(diǎn)的性能是影響結(jié)構(gòu)整體性能的關(guān)鍵所在，節(jié)點(diǎn)既要可靠，使其能在水平與豎向荷載的作用下有效的傳遞彎矩和剪力，又要有利于施工，方便現(xiàn)場(chǎng)操作?，F(xiàn)階段使用較多的梁柱節(jié)點(diǎn)形式主要有三種：外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)、內(nèi)加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)和貫穿加強(qiáng)板式節(jié)點(diǎn)。雖然上述3類(lèi)節(jié)點(diǎn)基本能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求，但此類(lèi)節(jié)點(diǎn)還存在以下問(wèn)題：

（1）外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)施工比較方便，但加勁鋼板用鋼量大，現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量較大，施工不便，并且影響施工質(zhì)量。因此，可考慮進(jìn)行工廠預(yù)先焊接后直接裝配使用，此方面還需要深入研究。

（2）內(nèi)加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)和貫穿加強(qiáng)板式節(jié)點(diǎn)的鋼板用量較外隔板要少，但焊縫施工不方便，尤其是在小尺寸鋼管內(nèi)施焊幾乎不可能，不利于在構(gòu)件截面尺寸較小的住宅建筑中使用。

（3）加強(qiáng)環(huán)只是與鋼管柱外部相連，與核心區(qū)混凝土并未建立有效連接，因此節(jié)點(diǎn)的抗剪、抗彎性能較為薄弱。因此，需要設(shè)計(jì)一種與核心區(qū)混凝土建立可靠連接的節(jié)點(diǎn)方案，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)抗剪承載力，從而提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性及抗震性能。

（4）長(zhǎng)期受力性能、疲勞性能研究目前還鮮有報(bào)道，此方面還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于上述加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)在各方面的力學(xué)性能優(yōu)異，并且施工較為方便，現(xiàn)階段已推廣應(yīng)用，但其中還存在一系列的問(wèn)題，需要對(duì)其采取一些改進(jìn)措施，從而使其具有更好的運(yùn)用價(jià)值。以上問(wèn)題的解決，將會(huì)大大促進(jìn)鋼管混凝土-鋼梁加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)用與發(fā)展。

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