淺談方鋼管裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點連接

唐 成, 黃滟雯, 馬旺旺

(1.西華大學建筑與土木工程學院，四川成都 610000； 2.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川攀枝花 617000； 3.四川攀鋼鋼構(gòu)有限公司，四川攀枝花617000)

[定稿日期]2017-09-07

目前國內(nèi)對裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點的研究較為豐富，其中對H型鋼柱和梁連接節(jié)點研究較多。但H型鋼作為結(jié)構(gòu)立柱存在一些不足，如H形截面柱兩個主軸截面的剛度和穩(wěn)定性相差較大，且無法滿足結(jié)構(gòu)柱變截面要求。方鋼管柱與 H 型鋼柱相比，兩個主軸截面剛度相同，截面慣性矩大，能根據(jù)軸力的大小調(diào)整截面尺寸。但鋼管柱是封閉型截面，在與梁進行螺栓連接時不具備操作空間，施工具有一定的困難，在工程結(jié)構(gòu)應(yīng)用中受到限制。不過隨著對裝配式節(jié)點的不斷深入研究，其應(yīng)用必將得到快速的發(fā)展。

1 方鋼管柱與鋼梁節(jié)點研究發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1 外套筒式連接

文獻[1]提出了一種外套筒式梁柱連接節(jié)點，并設(shè)計3個十字形節(jié)點進行抗震試驗研究，節(jié)點構(gòu)造如圖1所示。

1.鋼管柱 2.H型梁 3.外套管 4.T形連接件 5.加勁肋 6.高強度螺栓圖1 外套筒式節(jié)點形式

為了研究外套管厚度對節(jié)點抗震性能的影響，改變節(jié)點的外套管厚度，進行低周往復(fù)加載試驗研究。試驗研究表明: 節(jié)點在往復(fù)荷載的作用下，滯回曲線介于梭形與弓形之間，整體較為飽滿，且位移延性系數(shù)大于4，表現(xiàn)出較好的延性和耗能能力；等效粘滯阻尼系數(shù)與能量耗散系數(shù)隨著外套管厚度的增加有所提高；通過有限元軟件ANSYS 對節(jié)點進行數(shù)值模擬分析，因模擬分析并未考慮螺栓滑移、材料缺陷等因素，使得節(jié)點滯回曲線最終呈梭形，未出現(xiàn)捏縮段。

文獻[2]在研究外套管厚度對節(jié)點抗震性能影響的基礎(chǔ)之上，進一步分析其它因素對節(jié)點性能的影響。借助有限元軟件ANSYS建立節(jié)點模型，模擬分析外套管厚度、T 型件腹板、翼緣厚度及是否設(shè)置加勁肋等對節(jié)點力學性能的影響。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明：當小于8 mm時，外套管厚度的增加使得節(jié)點的承載能力與剛度提高較為明顯；增加T 型件翼緣和腹板厚度，使得節(jié)點屈服承載力顯著增加，但極限承載力基本保持不變；加勁肋的設(shè)置可以提高節(jié)點的承載力，降低節(jié)點延性。外套筒式節(jié)點施工時需要在鋼管柱及外套管上開設(shè)施工孔，完成螺栓的緊固，拼裝完成后補焊施工孔。

1.2 模塊化式連接

文獻[3]就模塊化裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)中常見的梁柱節(jié)點，設(shè)計了焊接、栓接和栓焊混合連接三類節(jié)點連接方式，節(jié)點構(gòu)造如圖2所示。

節(jié)點主要由箱形柱、柱座、桁架梁組成，柱由焊接在箱形柱與柱座端部的法蘭盤螺栓連接，桁架梁與法蘭盤分別采用焊接、栓接與栓焊混合連接。

利用有限元軟件ABAQUS對三類節(jié)點進行靜力分析和滯回性能分析，得到焊接、栓接與栓焊混合連接節(jié)點的極限承載力、耗能能力和破壞機理。模擬分析結(jié)果表明: 焊接節(jié)點具有較大剛度和承載能力，但其塑性變形主要集中在節(jié)點域，不能滿足“強節(jié)點弱構(gòu)件”的建筑抗震要求。同時，因為桁架梁與柱座焊接，導致柱座先于桁架梁出現(xiàn)屈服，亦不滿足“強柱弱梁”的設(shè)計要求；栓接節(jié)點在蓋板與桁架梁弦桿連接處形成耗能區(qū)，使得桁架梁的應(yīng)力大于節(jié)點域應(yīng)力值，保護了節(jié)點域，其耗能能力因為貼板接觸面的滑移有所下降；栓焊混合節(jié)點表現(xiàn)出承載能力低和延性耗能能力高的特性，其因為分別采用螺栓和焊接連接的桁架梁發(fā)生平面外的扭轉(zhuǎn)破壞。

(a) 焊接連接

(b) 螺栓連接

(c) 栓焊混合接

1.3 端板式連接

文獻[4]就預(yù)制裝配式鋼框架體系的特點及在設(shè)計過程中梁柱節(jié)點連接問題，提出四種便于現(xiàn)場施工的端板梁柱連接節(jié)點。該類型節(jié)點采用冷成型鋼管柱和熱軋型工字形梁拼裝而成，節(jié)點通過梁端焊接的端板與柱由螺栓連接。四種節(jié)點分為兩類：一類為端板直接與柱壁板由螺栓直接相連，節(jié)點一、節(jié)點二區(qū)別在于是否在柱的內(nèi)側(cè)設(shè)置橫隔板；另一類為在柱壁板上與梁翼緣相對應(yīng)位置處焊接外環(huán)板，并在外環(huán)板的外側(cè)焊接柱端板，節(jié)點三、節(jié)點四分別采用平齊式端板連接與外伸式端板連接。節(jié)點構(gòu)造如圖3所示。

(a) 節(jié)點一

(b) 節(jié)點二

(c) 節(jié)點三

(d) 節(jié)點四

1.梁端板 2.鋼管柱 3.工字梁 4.端板加勁肋 5.橫隔板 6.外環(huán)板 7.柱端板

圖3 端板式節(jié)點

在進行理論分析研究的同時，利用有限元軟件ABAQUS 建立四種節(jié)點有限元模型并加以模擬分析。結(jié)果表明: 四種節(jié)點的初始剛度存在明顯的差異，節(jié)點一初始剛度最小，節(jié)點四最大，按照歐洲規(guī)范對節(jié)點的劃分，除節(jié)點一為鉸接節(jié)點，其余均為半剛性節(jié)點；在荷載的作用下，節(jié)點一柱受拉表面向外明顯突出，受壓表面部分向內(nèi)凹陷，連接端板也因受拉產(chǎn)生較大的變形。與節(jié)點一相比，節(jié)點二因橫隔板的限制，柱表面的變形較節(jié)點一小，通過對比可以得出橫隔板的設(shè)置能有效地減小柱的變形；由節(jié)點三與節(jié)點四的應(yīng)力應(yīng)變對比分析，采用平齊式端板連接的節(jié)點三在柱端板和外環(huán)板均發(fā)生明顯的變形，梁受拉處的端板出現(xiàn)分離，腹板與柱外環(huán)板由螺栓相連對應(yīng)高度范圍內(nèi)大面積屈服，而節(jié)點四的梁柱端板變形較小，剛度與承載力較前三種節(jié)點最大。

1.4 內(nèi)套筒式連接

文獻[5]提出了一種內(nèi)套筒-T型件梁柱節(jié)點連接形式，將套筒置于鋼管內(nèi)作為柱與柱、柱與梁的連接部分，節(jié)點構(gòu)造如圖4所示。

1.上鋼管柱 2.下鋼管柱 3.內(nèi)套筒 4.鋼梁 5.T型連接件 6.高強度對拉螺栓 7.高強螺栓 8.圍焊縫圖4 內(nèi)套筒式-T型件梁柱節(jié)點(螺栓型)

利用有限元軟件ANSYS 建立節(jié)點模型，在梁端施加低周往復(fù)荷載，對其承載能力、滯回性能和骨架曲線等性能進行模擬分析。研究結(jié)果表明：在往復(fù)荷載作用下，節(jié)點的滯回曲線呈弓形，反映出節(jié)點具有良好的塑性變形能力和較好吸收地震能量。在節(jié)點到達屈服后，因為連接構(gòu)件的高強度螺栓產(chǎn)生相對滑移，使得節(jié)點的滯回曲線呈現(xiàn)一定地捏縮段。節(jié)點最終因為T型連接件翼緣發(fā)生較大的受彎屈曲塑性變形而破壞。

針對內(nèi)套筒厚度和長度對節(jié)點性能的影響，設(shè)置了7組試件進行數(shù)值模擬分析，研究結(jié)果表明: 隨著內(nèi)套筒厚度的增大，節(jié)點的滯回性能有明顯的提升，滯回曲線由反S形逐漸變?yōu)楣危页休d能力、剛度和效黏滯阻尼系數(shù)均有所提高；隨著內(nèi)套筒長度的增加，連接的T型件翼緣長度也隨之增加，高強度螺栓對T 型件翼緣變形的約束能力削弱，上部 T 型件翼緣中部發(fā)生屈曲的同時還發(fā)生端部翹曲，試件的等效黏滯阻尼系數(shù)減小，耗能能力減弱，梁柱間相對轉(zhuǎn)角變大。節(jié)點因為使用對拉螺栓連接上部柱，避免了在柱壁上開設(shè)施工孔，達到了現(xiàn)場全裝配式的要求。但是實際運用中仍存在一定的困難，如組裝完下部構(gòu)件后，內(nèi)套管、上鋼管柱及其兩側(cè)的T型件需通過對拉螺栓緊固連接，如何在施工中做到快速方便的連接仍有待解決。同時，對于內(nèi)套筒式連接，構(gòu)件制作精度要求極高。

文獻[6]通過理論推導了內(nèi)套筒組合螺栓連接節(jié)點的初始剛度，在理論研究的基礎(chǔ)之上設(shè)計了3個試件研究其抗震性能,節(jié)點構(gòu)造如圖5所示。

研究結(jié)果表明：節(jié)點具有較好的承載力、剛度、耗能能力和良好的抗震性能；隨著內(nèi)套筒厚度的增加，節(jié)點的初始剛度、屈服承載力和極限承載力均呈增加趨勢，同時節(jié)點域的剪切變形逐漸減小，但增加內(nèi)套筒厚度導致節(jié)點的延性降低、剛度退化程度增大；改變外伸端板的厚度對節(jié)點初始剛度影響較小，增大內(nèi)套筒與柱之間的間隙導致節(jié)點初始剛度顯著降低；通過螺栓型節(jié)點與焊接型節(jié)點的性能對比分析可知，螺栓型節(jié)點在耗能能力和剛度等方面優(yōu)于焊接型節(jié)點，承載能力和節(jié)點域剪切變形較焊接型節(jié)點差。

1.外伸端板 2.水平蓋板 3.端板加勁肋圖5 內(nèi)套筒式-T型件梁柱節(jié)點(焊接型)

1.5 懸臂式連接

文獻[7]根據(jù)懸臂梁的拼接，提出了三種帶Z字形拼接梁柱節(jié)點，節(jié)點構(gòu)造如圖6所示。針對節(jié)點是否設(shè)置梁段削弱段及削弱段的位置制作了3組試件，研究節(jié)點的破壞模式和初始剛度。試驗結(jié)果表明：帶Z字形懸臂梁段拼接節(jié)點的最終破壞模式存在一定的差異，節(jié)點一因為懸臂梁在靠近拼接區(qū)域的下翼緣發(fā)生局部屈曲產(chǎn)生破壞，節(jié)點三表現(xiàn)為懸臂梁削弱段局部屈曲破壞，節(jié)點二在靠近拼接區(qū)域的懸臂梁下翼緣和削弱段產(chǎn)生局部屈曲破壞，因為拼接區(qū)的滑移和削弱段的存在，節(jié)點在破壞前均發(fā)生明顯的塑性變形，屬于延性破壞；懸臂梁設(shè)置的削弱段對節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度影響較小，降低了節(jié)點的屈服彎矩。

(a) 節(jié)點一

(b) 節(jié)點二

(c) 節(jié)點三

2 結(jié)束語

文中介紹了裝配式方鋼管柱與鋼梁連接節(jié)點的國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展歷程，方鋼管應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)較H型鋼性能更優(yōu)，但其在施工上存在一定困難，對方鋼管裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點還需深入研究。

[1] 李黎明,陳以一,李寧,等.外套管式冷彎方鋼管與H型鋼梁連接節(jié)點的抗震性能[J]. 吉林大學學報： 工學版,2010(1):67-71.

[2] 李黎明,陳以一,李寧,等.新型外套管式梁柱節(jié)點多因素分析研究[J]. 工程力學,2009(11):60-67.

[3] 劉學春,徐阿新,倪真,等.模塊化裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點極限承載力分析與抗震性能研究[J]. 工業(yè)建筑,2014(8):23-26.

[4] 陳學森.多層裝配式鋼框架體系和研究[C]//第24屆全國結(jié)構(gòu)工程學術(shù)會議論文集,2015:4.

[5] 張茗瑋.裝配式鋼管內(nèi)套筒-T型件梁柱連接節(jié)點力學性能分析[D].青島理工大學,2015.

[6] 馬強強.裝配式梁柱內(nèi)套筒組合螺栓連接節(jié)點力學性能研究[D].青島理工大學,2016.

[7] 張愛林,郭志鵬,劉學春,等.懸臂梁段不同拼接方式下延性節(jié)點靜力性能分析[J]. 北京工業(yè)大學學報,2017(5):770-779.