裝配式方鋼管梁柱連接節(jié)點(diǎn)的研究動(dòng)態(tài)與展望

李其廉，張媛媛，潘政華

（1.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 石家莊 050000；2.莒南縣建設(shè)安全工程質(zhì)量服務(wù)中心，山東 臨沂 276600）

1 概述

裝配式鋼結(jié)構(gòu)是用于工業(yè)建筑物的高效結(jié)構(gòu)形式，一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。裝配式鋼結(jié)構(gòu)的新型建筑技術(shù)的工業(yè)化已成為一個(gè)戰(zhàn)略主題，其優(yōu)點(diǎn)是較高的建筑效率，良好的質(zhì)量，符合綠色建筑的要求，順應(yīng)我國(guó)建筑工業(yè)化的發(fā)展方向。在美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，裝配式建筑技術(shù)已經(jīng)成熟地運(yùn)用到實(shí)際工程中。而我國(guó)在此方面仍存在體系不夠成熟、研究技術(shù)滯后等方面問題，處在推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵時(shí)期。

帶有鋼管混凝土（CFST）柱的結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)異的強(qiáng)度，延展性和施工便利性而被廣泛使用了幾十年。其中最重要的部件鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)是梁柱連接，連接方式是提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工效率的關(guān)鍵。節(jié)點(diǎn)往往是整個(gè)框架結(jié)構(gòu)中的薄弱位置，整個(gè)建筑抗震性能的關(guān)鍵取決于連接性能的好壞。方鋼管混凝土柱的優(yōu)點(diǎn)在于鋼管提供了約束，從而增加了混凝土的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)混凝土降低了管壁局部和整體屈曲的可能性。此外，鋼管柱在施工中取消了柱模板，其結(jié)構(gòu)具有綠色與經(jīng)濟(jì)兩大特點(diǎn)，具有很好的建筑適用性。因此，在多高層建筑中常用此類柱截面形式，此種裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)體系逐漸成為鋼結(jié)構(gòu)建筑的未來發(fā)展方向。

通過對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外裝配式方鋼管梁柱連接節(jié)點(diǎn)的研究進(jìn)行梳理并總結(jié)，本文將節(jié)點(diǎn)形式分為了套筒式、懸臂式、桁架式、梁貫通式和模塊化節(jié)點(diǎn)四種形式來進(jìn)行綜述，希望可以為研究人員提供相關(guān)參考。

2 裝配式方鋼管梁柱連接節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀

裝配式方鋼管柱與梁連接節(jié)點(diǎn)的研究起著非常重要的作用，確保了整個(gè)建筑物的結(jié)構(gòu)完整性，整體穩(wěn)定性和堅(jiān)固性。這些連接主要可分為套筒式梁柱連接、懸臂梁式梁柱連接、桁架式梁柱連接、梁貫通式梁柱連接等節(jié)點(diǎn)連接類型。

2.1 套筒式梁柱連接節(jié)點(diǎn)

在現(xiàn)有的鋼框架建筑中，因?yàn)樵陂]口截面構(gòu)件中，螺栓施工困難，裝配過程難以實(shí)現(xiàn)，所以套筒成為了解決閉口截面中梁柱連接的有效手段。套筒將上下柱拼接在一起，可以增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的堅(jiān)固性及方便螺栓的施工，所以，套筒連接往往應(yīng)用于方鋼管柱與工字型梁的連接節(jié)點(diǎn)中。這包含了內(nèi)套筒和外套筒。

張茗瑋等提出了一種新型方鋼管內(nèi)套筒—T型件連接的節(jié)點(diǎn)形式，具體安裝步驟見圖1所示。采用有限元分析的方法分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)套筒—T型件節(jié)點(diǎn)連接具有較好的延性和耗能能力。但是其鋼管內(nèi)套筒—T型件連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能還需要通過試驗(yàn)進(jìn)一步研究。

圖1 鋼管內(nèi)套筒-T型件梁柱連接節(jié)點(diǎn)

王輝提出了一種方鋼管混凝土內(nèi)套筒柱—H型鋼梁裝配節(jié)點(diǎn)，見圖2和圖3所示。圖2和圖3節(jié)點(diǎn)采用循環(huán)往復(fù)荷載試驗(yàn)和有限元分析分別進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的滯回曲線、骨架曲線走勢(shì)也基本一致，該節(jié)點(diǎn)具有較好的延性和塑性變形能力，在一定程度上，增加端板的厚度，能夠提高其耗能性能、承載力和剛度。

圖2 方鋼管上柱組裝示意圖

圖3 節(jié)點(diǎn)拼裝示意圖

龔江煒提出一種帶外置套筒的新型裝配式十字型節(jié)點(diǎn)，采用低周往復(fù)加載試驗(yàn)對(duì)其與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)比較，梁柱構(gòu)件在工廠中預(yù)制，將預(yù)制好的鋼筋錯(cuò)位搭接錨固于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，采用預(yù)制外部鋼套筒來提高節(jié)點(diǎn)的受力性能。通過對(duì)其鋼套筒的厚度、焊縫、鋼筋的錨固、截面形式以及施工等措施優(yōu)化，可以提高節(jié)點(diǎn)的機(jī)械性能。

圖4 鋼套筒尺寸詳圖

劉堅(jiān)等提出了一種新型外套管式鋼管混凝土柱—鋼梁?jiǎn)芜吢菟ǘ税暹B接節(jié)點(diǎn)，可以加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域中鋼管柱壁的強(qiáng)度。通過建立有限元模型進(jìn)行單調(diào)加載，對(duì)其連接節(jié)點(diǎn)的破壞和損傷機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出M—θ模型。Liu等提出了一種基于鋼—混凝土部分組合結(jié)構(gòu)的新型插裝式裝配式混凝土梁柱連接方式見圖5所示，以預(yù)制連接的核心區(qū)域，通過對(duì)七個(gè)插入式裝配連接標(biāo)本和一個(gè)現(xiàn)澆接頭進(jìn)行低周往復(fù)載荷試驗(yàn)比較，并分析了試件的響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)這種類型的裝配連接的能量消耗能力和初始剛度比整個(gè)現(xiàn)澆接頭略低，但是裝配連接的承載能力更高。

圖5 插件組裝連接3D模型

2.2 懸臂式梁柱連接節(jié)點(diǎn)

懸臂短梁式裝配式梁柱連接節(jié)點(diǎn)是指懸臂梁段與柱在預(yù)制場(chǎng)加工，后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)用螺栓進(jìn)行拼接。這樣既保證懸臂梁段與柱之間的焊接質(zhì)量，且具有較好的裝配性能。

趙晨甫等將T型方鋼管柱和H型鋼梁通過端板用高強(qiáng)螺栓拼接在一起，形成懸臂式裝配式梁柱連接結(jié)構(gòu)見圖6所示。郭志鵬等提出了帶Z字形懸臂梁段和削弱梁段的梁柱節(jié)點(diǎn)見圖7所示，該節(jié)點(diǎn)適用于模塊化裝配式鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，其先在工廠將鋼梁和樓板組裝模塊化，再在施工現(xiàn)場(chǎng)將梁板模塊和柱子模塊裝配形成該梁柱節(jié)點(diǎn)。張愛林等提出了一種帶懸臂梁段裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱—柱法蘭連接節(jié)點(diǎn)見圖8所示，該節(jié)點(diǎn)由圓鋼管上柱、帶法蘭圓鋼管下柱、普通梁段及其之間的連接件組成。

圖6 懸臂式裝配式梁柱模型

圖7 梁端連接構(gòu)造

圖8 端板式裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

以上的三種懸臂梁式梁柱連接節(jié)點(diǎn)，對(duì)力學(xué)性能研究如下。

①圖6中有貼板和無貼板的模型，文獻(xiàn)進(jìn)行了有限元模擬分析和低周往復(fù)荷載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：改變梁柱截面尺寸、梁端板的長(zhǎng)度以及增加貼板，影響節(jié)點(diǎn)的承載力、初始剛度、剛度和強(qiáng)度退化穩(wěn)定等。

②圖7中通過對(duì)節(jié)點(diǎn)試件有限元分析發(fā)現(xiàn)：該節(jié)點(diǎn)具有良好的滯回性能、耗能性、延性，可以在懸臂梁段翼緣開大孔或者方鋼柱內(nèi)隔板替換為三角形垂直加勁肋。

③圖8主要對(duì)5個(gè)節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行數(shù)值研究分析表明：翼緣連接蓋板螺栓數(shù)量對(duì)于節(jié)點(diǎn)承載力并沒有較大的影響，而對(duì)其產(chǎn)生較大影響的是翼緣連接蓋板連接剛度和試件極限承載力。

懸臂梁式梁柱的連接節(jié)點(diǎn)常通過螺栓和焊縫進(jìn)行連接，存在焊縫斷裂以及螺栓凹屈的現(xiàn)象，因此在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)節(jié)點(diǎn)域進(jìn)行加強(qiáng)，如設(shè)置加勁肋、T型件翼緣板等構(gòu)造措施。

2.3 桁架式梁柱連接節(jié)點(diǎn)

桁架梁柱連接在我國(guó)裝配式鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中應(yīng)用較為普遍，但是在鋼結(jié)構(gòu)中的桁架梁柱連接節(jié)點(diǎn)的研究較少。

李普等對(duì)兩個(gè)足尺的試件裝配式方鋼管柱桁架梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單調(diào)和往復(fù)荷載下的試驗(yàn)，并進(jìn)行對(duì)比研究見圖9所示。S.Afshan等將電纜運(yùn)用到高強(qiáng)度的鋼拱形桁架梁中，其中桁架由三部分組成，并在底部和頂部弦上具有兩個(gè)螺栓連接組件見圖10所示。為了降低節(jié)點(diǎn)域的剪切力，Piero等首次嘗試將耗散摩擦連接應(yīng)用到梁柱節(jié)點(diǎn)見圖11所示，該節(jié)點(diǎn)由半預(yù)制混合鋼桁架混凝土梁(HSTCB)和鋼筋混凝土柱組成。

①圖9中對(duì)兩個(gè)足尺的試件裝配式方鋼管柱桁架梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單調(diào)和往復(fù)荷載下的試驗(yàn)并進(jìn)行對(duì)比研究，構(gòu)件的破壞都是從梁內(nèi)腹桿的壓屈開始的，兩試件的柱未發(fā)現(xiàn)破壞，破壞均屬于梁破壞。

圖9 桁架梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

②圖10中通過試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究發(fā)現(xiàn)：包埋和預(yù)應(yīng)力可以延遲下弦桿的屈服，并提高桁架的承載能力，最終破壞的是頂部弦桿的面內(nèi)或面外屈曲。說明這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)非常適合大跨度的應(yīng)用。

圖10 拱形桁架試驗(yàn)構(gòu)件示意圖

③圖11在框架結(jié)構(gòu)的HSTCB與柱節(jié)點(diǎn)中引入摩擦阻尼器的方法，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)域中的原件所承受的剪切力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了作用于梁的剪切力。

圖11 帶耗散摩擦連接的桁架式梁柱節(jié)點(diǎn)

桁架式梁柱節(jié)點(diǎn)形式具有較好的延性性能，近年來很多學(xué)者通過添加連接件，更好地提高了節(jié)點(diǎn)的剛度和承載力，符合規(guī)范中的抗震設(shè)計(jì)要求，能夠在實(shí)際工程中應(yīng)用和推廣。

2.4 梁貫通式梁柱連接節(jié)點(diǎn)

將梁連接到柱的另一種方法是將梁法蘭、腹板或整個(gè)橫截面穿過鋼管，這些可以被稱為“直通梁”連接。即在節(jié)點(diǎn)域中梁保持連續(xù)貫通的狀態(tài)與柱相連接的一種形式稱為梁貫通式方鋼管柱連接。

最初在日本開發(fā)了一種新型的耐損傷結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，稱為TOCBBTF（僅受拉同心支撐的直通框架）。TOCBBTF框架通常由冷彎型鋼方管柱、H型鋼貫通梁和使用扁鋼筋的細(xì)長(zhǎng)X型支撐組成，支撐的抗壓強(qiáng)度忽略不計(jì)。Wang等對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，柱用高強(qiáng)度螺栓固定在端板的通梁上，支撐用扣板連接到柱上。圖12中節(jié)點(diǎn)采用ABAQUS進(jìn)行Pushover分析和準(zhǔn)靜態(tài)分析并發(fā)現(xiàn)，支撐和框架之間的剛度比對(duì)TOCBBTF的地震響應(yīng)有顯著影響，循環(huán)響應(yīng)的特征在于線性響應(yīng)，節(jié)點(diǎn)在低層建筑時(shí)表現(xiàn)出出色的延展性。

圖12 貫通式梁柱節(jié)點(diǎn)組件的有限元模型

劉浩晉等對(duì)分層裝配式支撐鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)化建筑梁貫通式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研制改進(jìn)和性能試驗(yàn)，此節(jié)點(diǎn)連接中，柱為方鋼管，梁翼緣大于截面橫向尺寸，并采用端板和高強(qiáng)螺栓連接于H形鋼梁的翼緣上。梁貫通式節(jié)點(diǎn)破壞模式有兩種模式：柱截面破壞和梁翼緣破壞。

梁貫通式梁柱節(jié)點(diǎn)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、易于裝配化預(yù)制等優(yōu)點(diǎn)，由于其有利于裝配式鋼結(jié)構(gòu)的推廣，特別適宜于低多層鋼結(jié)構(gòu)住宅。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于裝配式方鋼管梁柱連接節(jié)點(diǎn)的研究，對(duì)各類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了綜述。近幾年，梁柱連接節(jié)點(diǎn)的研究成為熱點(diǎn)，但是還存在許多問題亟待改善。

①套筒式梁柱連接的研究主要集中在套筒的厚度和高度、外環(huán)板的長(zhǎng)度和厚度、柱套筒與梁間的縫隙等定性參數(shù)的改變，應(yīng)進(jìn)一步對(duì)連接件的力學(xué)性能等進(jìn)行深入的研究，可以建立相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，為進(jìn)一步制定節(jié)點(diǎn)相關(guān)的規(guī)范作準(zhǔn)備。

②懸臂式梁柱連接的節(jié)點(diǎn)試件容易焊縫撕裂、脆性破壞等，嚴(yán)重影響了節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)，建議加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施和施工質(zhì)量。

③桁架式梁柱裝配式節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用廣泛，但是其研究成果較少。研究者可以針對(duì)桁架梁的高度、腹桿布置方式等因素對(duì)節(jié)點(diǎn)抗彎性能展開研究。

④在國(guó)內(nèi)外研究中，均認(rèn)為梁貫通式節(jié)點(diǎn)柱由于其違背“強(qiáng)柱弱梁”的原則，所以很難實(shí)現(xiàn)在高層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，對(duì)于其是否可以在高層中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，還需進(jìn)一步地開展研究，可能是未來研究的熱點(diǎn)。

⑤新型裝配式梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還較少，實(shí)現(xiàn)在地震、爆炸、雪荷載等偶然作用下的梁柱連接節(jié)點(diǎn)的抗側(cè)力性能以及破壞后的檢測(cè)和加固是以后研究的重點(diǎn)。