裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱半剛性節(jié)點(diǎn)研究進(jìn)展

張丹丹 劉 偉

吉林建筑大學(xué)土木結(jié)構(gòu)（130000）

0 引言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)各種受力性能好，施工快，可以批量化生產(chǎn)相關(guān)零部件再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)組裝后就可投放使用。并且拆卸也方便，還可二次利用，貫徹節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展思想。因而一直備受各界關(guān)注，更是很多工程師愿傾身研究的課題。但我國(guó)對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的探究相對(duì)美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家有些滯后。隨著近幾年我國(guó)政策的大力扶持，科學(xué)技術(shù)水平的不斷創(chuàng)新發(fā)展，裝配式鋼結(jié)構(gòu)逐漸成為熱門課題，吸引著更多專業(yè)人員去學(xué)習(xí)研討，共同把我國(guó)相關(guān)成果文獻(xiàn)變得更厚一點(diǎn)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證后能推廣應(yīng)用開來(lái)，更好方便于民。相信在看得見的未來(lái)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑將會(huì)在我國(guó)建筑施工中占據(jù)最重要的位置之一。

1 梁柱半剛性節(jié)點(diǎn)連接性能的研究方法

1.1 試驗(yàn)測(cè)定法

1.1.1 擬靜力試驗(yàn)

現(xiàn)在研究裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)中應(yīng)用最多的試驗(yàn)方法就是擬靜力試驗(yàn)。因其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性好，在工程實(shí)踐中一直備受推廣。擬靜力試驗(yàn)可忽略應(yīng)變速率的影響，表征單調(diào)或循環(huán)荷載，它是一種通過(guò)載荷控制或變形控制，使試件在進(jìn)行低周反復(fù)加載中從彈性狀態(tài)拉至破壞的一種試驗(yàn)。通過(guò)它主要研究鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的基本特性，如延性能力、剛度、耗能特性等。以往加載試驗(yàn)設(shè)備多采用千斤頂，近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技的不斷創(chuàng)新，設(shè)備也有了很大改善。電液伺服加載系統(tǒng)實(shí)施結(jié)構(gòu)的擬靜力加載較為活躍，在很多高校結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室中已投入使用[1]。

1.1.2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

振動(dòng)臺(tái)一般由臺(tái)體、監(jiān)控系統(tǒng)和輔助設(shè)備三部分組成，主要通過(guò)電動(dòng)、電液壓、壓電或其他原理獲得機(jī)械振動(dòng)。該試驗(yàn)主要研究半剛性節(jié)點(diǎn)的地震反應(yīng)和破壞機(jī)理，是一種通過(guò)模擬控制或數(shù)控再現(xiàn)地震過(guò)程和進(jìn)行人工地震波的試驗(yàn)。其中試驗(yàn)加載環(huán)節(jié)特別重要，為獲得系統(tǒng)的試驗(yàn)資料，理應(yīng)合理選取荷載，不宜過(guò)大或過(guò)小。在選擇和設(shè)計(jì)臺(tái)面的輸入運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)的周期以及所在場(chǎng)地條件。目前，在地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，大部分研究者都采用多次性加載的方案，進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1.1.3 擬動(dòng)力試驗(yàn)

擬動(dòng)力試驗(yàn)是一種通過(guò)電液伺服加載作動(dòng)器與數(shù)值分析來(lái)真實(shí)模擬地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)的量測(cè)和數(shù)據(jù)采集的試驗(yàn)。其實(shí)質(zhì)就是根據(jù)某種確定性的地震反應(yīng)進(jìn)行加載，通過(guò)計(jì)算機(jī)分步求解結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)微分方程的方法，得到結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型，進(jìn)而完成整個(gè)試驗(yàn)加載過(guò)程。

擬動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)一般由試件、試驗(yàn)臺(tái)、加載設(shè)備和數(shù)據(jù)采集儀器等組成，如圖1所示。

圖1 擬動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)

另外還需注意試驗(yàn)臺(tái)和反力墻需滿足質(zhì)量大，強(qiáng)度高，剛度性能好的要求和由計(jì)算機(jī)、加載裝置與加載控制系統(tǒng)等組成的加載設(shè)備理應(yīng)穩(wěn)定性好，可靠性高[2]。

1.2 理論研究

裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)理論研究的方法主要有三種，分別是曲線擬合法、塑性分析法和解析法。曲線擬合是塑性分析的基礎(chǔ)，前者需要通過(guò)多次試驗(yàn)獲取詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)，建立計(jì)算彎矩-轉(zhuǎn)角的非線性方程再進(jìn)行曲線擬合環(huán)節(jié)。另外應(yīng)注意分析節(jié)點(diǎn)性能時(shí)把解析出的曲線轉(zhuǎn)換成公式，方便使用。后者需檢驗(yàn)測(cè)的數(shù)據(jù)，結(jié)合理論知識(shí)進(jìn)一步研究分析找到更精準(zhǔn)的曲線，更加全面到位地展示半剛性節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。解析法跟前兩者有所出入，其一般是通過(guò)推導(dǎo)、計(jì)算整理得出一種更為合理的擬合曲線。解析法能夠簡(jiǎn)潔明了對(duì)半剛性節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)行相關(guān)分析，但不足之處是應(yīng)用范圍小且實(shí)驗(yàn)中易產(chǎn)生誤差。

1.3 有限元分析法

有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬。目前最常用軟件為ABAQUS、ADINA、ANSYS、MSC。一開始其主要為航空航天相關(guān)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算服務(wù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，逐步廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。有限元分析法也是裝配式鋼結(jié)構(gòu)半剛性節(jié)點(diǎn)研究必不可少的手段之一，因其可以較好地模擬節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)。它主要通過(guò)有限元軟件建立數(shù)值模型，在一定條件下獲得半剛性節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的性能分析。然后結(jié)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)板與節(jié)點(diǎn)有限元模擬對(duì)比、驗(yàn)證其模型參數(shù)設(shè)置的數(shù)據(jù)是否具有可靠性[3]。

2 梁柱半剛性節(jié)點(diǎn)連接的主要形式

2.1 頂?shù)捉卿撨B接

頂?shù)捉卿摴?jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度隨著轉(zhuǎn)角呈明顯的非線性變化，被看作半剛性連接中最典型的類型。其構(gòu)造形式簡(jiǎn)單即將位于梁上下翼緣處的兩個(gè)角鋼通過(guò)螺栓連接把梁柱結(jié)合在一起。它的節(jié)點(diǎn)連接傳力明確，施工快，目前已在工程上逐漸投入使用（如圖2所示）。

圖2 頂?shù)捉卿撨B接

1989年，Azizinamini等通過(guò)靜載和循環(huán)荷載試驗(yàn)結(jié)合初始剛度的分析模型表明頂?shù)捉卿摴?jié)點(diǎn)耗能性能好。2003年，顧強(qiáng)等通過(guò)梁端位移循環(huán)加載試驗(yàn)表明頂?shù)捉卿撛诤奢d強(qiáng)時(shí)的滯回曲線產(chǎn)生捏攏現(xiàn)象。2007年，郝際平等通過(guò)單調(diào)加載試驗(yàn)研究梁柱弱軸連接的抗彎性能，表明頂?shù)捉卿摼邆湟欢ㄗ冃文芰Γ休d能力好，塑性強(qiáng)。

2.2 雙腹板頂?shù)捉卿撨B接

雙腹板頂?shù)捉卿撨B接的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線實(shí)際加載時(shí)一直呈非線性特性，因而也被視為半剛性節(jié)點(diǎn)連接的典型情況。2005年吳蕓等[4]通過(guò)非線性有限元跟循環(huán)加載試驗(yàn)相對(duì)比分析，表明雙腹板頂?shù)捉卿摽拐鹦阅芎?。?007年，王國(guó)兵等[5]通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)模型做低周荷載試驗(yàn)并跟模擬結(jié)果進(jìn)行分析，也得出其具備良好的抗震性。2006年，溫柔等[6]通過(guò)有限元分析法得出影響雙腹板頂?shù)捉卿摽拐鹦阅艿囊蛩亍?997年，鄭廷銀等[7]采用單調(diào)加載的方式和2013年，王光云[8]采用低周往復(fù)加載試驗(yàn)又結(jié)合ABAQUS軟件模擬分析，表明設(shè)置加勁肋能提高節(jié)點(diǎn)的受彎承載力。2017年，王鵬等[9]通過(guò)單調(diào)加載和循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)得出在頂?shù)捉卿撎幉贾眉觿爬哂绊懽畲笫枪?jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度（如圖3所示）。

圖3 雙腹板頂?shù)捉卿撨B接

2.3 端板連接

螺栓端板連接是半剛性梁柱節(jié)點(diǎn)最常見的一種形式，一般根據(jù)受力情況分為兩類，受力較小時(shí)端板平齊，反之為外伸式。端板連接實(shí)質(zhì)上主要承受彎矩，受力情況復(fù)雜。2002年，施龍杰等[10]通過(guò)數(shù)值計(jì)算跟相關(guān)試驗(yàn)研究對(duì)兩類端板式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，表明外伸式端板連接承載力更好，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力強(qiáng)，方便施工和設(shè)計(jì)，更值得推廣受到實(shí)際工程的青睞（如圖4所示）。

2.4 套筒式裝配式梁柱連接節(jié)點(diǎn)

由于螺栓不易施工，閉口截面構(gòu)件不適合進(jìn)行裝配，有學(xué)者就提出研究了用套筒來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。2010年，李黎明[11]用T型件和螺栓連接，并把外套筒放在方鋼管柱外壁，進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)表明，該節(jié)點(diǎn)延性好，具備一定的抗震能力。而且增加外套筒厚度可提高節(jié)點(diǎn)剛度。2015年，張銘瑋[12]等提出驗(yàn)證了內(nèi)套筒式的可行性，將套筒放于鋼柱內(nèi)側(cè)通過(guò)有限元分析得出其厚度增大，能提高節(jié)點(diǎn)耗能和承載力。2017年楊松森等[13]在李黎明的基礎(chǔ)上，研究了將外伸端板組件代替T型件完成梁柱節(jié)點(diǎn)的連接。該節(jié)點(diǎn)安裝快，因其外伸端板組件在施工時(shí)還可臨時(shí)性兼顧鋼梁的支托。另外設(shè)計(jì)中還需注意可提高節(jié)點(diǎn)剛度和耗能能力的方法，比如采取合適的螺栓直徑跟外套筒壁厚或縮小套筒與柱壁間隙。同年馬強(qiáng)強(qiáng)等在前人的基礎(chǔ)上采用對(duì)拉螺栓連接，提出一種裝配式梁柱內(nèi)套筒組合新型連接節(jié)點(diǎn)。通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)研究表明該節(jié)點(diǎn)的可行性及其承載力，延性和抗震性能都很好，還具備一定的耗能能力。只是試驗(yàn)中對(duì)拉螺栓遠(yuǎn)不如高強(qiáng)螺栓可靠，易被拉斷。

圖4 外伸端板連接

圖5 齊平端板連接

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則

3.1 強(qiáng)柱弱梁

強(qiáng)柱弱梁可提高結(jié)構(gòu)的變形能力，是目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱設(shè)計(jì)時(shí)最常見的一種形式。它是通過(guò)有足夠承載力的柱體肩負(fù)承重結(jié)構(gòu)的角色，來(lái)緩解梁部的受力。為了保證工程整體的穩(wěn)定性，柱端所受彎矩要高于梁端，并且在可控范圍內(nèi)，可增加施工時(shí)柱體的截面面積，進(jìn)而擴(kuò)大接觸面承載范圍來(lái)提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)柱體的承載力。

3.2 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件

單論體積的話，節(jié)點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)中所占比例小，但它卻是非常重要的存在，因其能連接結(jié)構(gòu)內(nèi)部各個(gè)配件，還是受力的關(guān)鍵部位。為防止裝配式鋼結(jié)構(gòu)整體倒塌的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)時(shí)需遵循“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的原則。其實(shí)質(zhì)是柱端受彎承載力大于梁端。這是因?yàn)槿绻坏┕?jié)點(diǎn)失效，則與其相連的水平方向和豎直方向上的構(gòu)件會(huì)同時(shí)失效。節(jié)點(diǎn)承擔(dān)來(lái)自剪切，扭轉(zhuǎn)和軸向三種作用力，受力體系復(fù)雜，如若節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度小，則會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間連接失敗，影響鋼結(jié)構(gòu)承重能力。因此為保證整體穩(wěn)定性，要強(qiáng)化節(jié)點(diǎn)同時(shí)弱化鋼制構(gòu)件。

3.3 節(jié)點(diǎn)域

節(jié)點(diǎn)域是指結(jié)構(gòu)中梁柱連接處的柱腹板被柱翼緣以及柱中橫向加勁肋所圍成的區(qū)域，其承受多向作用力，易破壞。節(jié)點(diǎn)域進(jìn)行至彈塑性階段時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)剪切變形，極其薄弱。因此要采取加強(qiáng)保護(hù)措施增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)塑性能力，從而使裝配式鋼結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定可靠。如結(jié)構(gòu)布置合理，加大柱腹板的厚度和調(diào)整梁截面等。

4 結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)簡(jiǎn)要綜述了半剛性梁柱節(jié)點(diǎn)的幾種主要形式，目前主要通過(guò)試驗(yàn)法跟有限元分析法論證研究節(jié)點(diǎn)的受力性能跟抗震性。半剛性連接的剛度介于剛接和鉸接之間，呈明顯的非線性特性。實(shí)際工程中的絕大數(shù)節(jié)點(diǎn)做不到完全剛接或理想鉸接化，所以某種意義上現(xiàn)在的梁柱節(jié)點(diǎn)都為半剛性連接。我國(guó)對(duì)其研究成果相較于起步早的國(guó)家少之又少，但半剛性梁柱節(jié)點(diǎn)的探究又是裝配式鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程中的重中之重，因而與之相關(guān)的類型及其性能的提高有待繼續(xù)探索完善，為建筑領(lǐng)域畫下濃厚一筆。