裝配式鋼結構住宅節(jié)點破壞研究

劉芳，閆百路 （吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春 130118）

0 前言

隨著城市化發(fā)展的加快，人們對住房需求顯著增加，促使各類住宅結構快速發(fā)展，其中鋼結構住宅就是其中之一。目前，傳統(tǒng)的住宅結構體系大多為鋼筋混凝土結構，這種結構建造多為現(xiàn)場作業(yè)，具有建造周期長、建筑高度受限、工程質量難以把控和勞動力需求大等眾多特點[1]，而裝配式鋼結構具有綠色環(huán)保、輕量化、模塊化、易于拆解循環(huán)利用、人力投入少、部分工作可在工廠完成、對環(huán)境影響較小、可適應高層或超高層建筑、建造周期短等優(yōu)點，與傳統(tǒng)建筑模式相比更具優(yōu)勢[2]。在2022 年，住建部印發(fā)《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的通知，當中提到要大力發(fā)展裝配式建筑。構建裝配式建筑標準化設計和生產體系，推動生產和施工智能化升級，擴大標準化構件和部品部件使用規(guī)模，大力推廣應用裝配式建筑，積極推進高品質裝配式鋼結構住宅建設[3]。因此，發(fā)展鋼結構住宅是大勢所趨，尤其是裝配式鋼結構住宅，將會是未來鋼結構住宅的主體形式。基于此背景，本文將對裝配式鋼結構住宅節(jié)點破壞研究成果進行介紹和分析，并進一步對節(jié)點破壞的研究做出總結。

1 節(jié)點類型

在歐洲規(guī)范Eurocode3[4]和美國鋼結構學會[5]（AISC）中分別將鋼結構節(jié)點連接分為剛性連接、半剛性連接和鉸接連接。其中剛性連接是完全約束，半剛性連接和鉸接連接是局部約束。

2 節(jié)點破壞研究現(xiàn)狀

日、美的震后調查報告顯示[6]，在同等級別的地震烈度和震幅作用下，盡管日美兩國鋼結構存在構造方式上的不同，但節(jié)點破壞形式卻表現(xiàn)相同。經(jīng)過對節(jié)點破壞的大量研究和試驗，造成節(jié)點破壞的原因有以下幾點：①焊縫質量，由于工程上對焊接節(jié)點質量控制不嚴格、沒有成熟的工藝和較為系統(tǒng)的操作步驟等原因造成節(jié)點焊縫存在缺陷，使焊接節(jié)點的承載能力往往達不到設計的要求；②三向應力的集中，節(jié)點在承受三向應力的作用下，連接處容易出現(xiàn)應力分布復雜和應力值過大的現(xiàn)象；③高溫因素的影響，由于火災的影響，使節(jié)點構件達到耐高溫極限，造成節(jié)點構件發(fā)生燒熔現(xiàn)象，節(jié)點構件的優(yōu)勢未能發(fā)揮出來而引起的節(jié)點破壞。

2.1 焊縫質量

張軍等[7]通過對梁柱節(jié)點擬靜力試驗的研究，得到了節(jié)點破壞過程、破壞模式、承載能力和滯回性能。試驗表明，不同角鋼鋼肢厚度和破壞模式對節(jié)點的剛度會產生不同程度的影響；其中不同角鋼形式對節(jié)點承載能力的影響較小，而厚度的提高會大大降低節(jié)點的延性。文獻等[8-10]通過對承受梁端加載的裝配式鋼結構住宅鉸接節(jié)點的研究，采用足尺十字形梁柱節(jié)點為簡化對象，分析了箱型柱厚度、軸壓比和斜支撐對節(jié)點性能的影響，還將試驗結果與有限元模擬進行了對比。試驗表明，柱截面尺寸變大，柱子承載能力也將加強，從而其破壞位置將從柱端向梁端轉變。

李亮亮[11]、陳學森[12]、烏蘭托亞[13]等人通過對螺紋錨固單邊螺栓連接節(jié)點的拉伸試驗，獲得了節(jié)點的破壞特征，以及不同鋼管壁厚對節(jié)點破壞模式和承載能力的影響規(guī)律；并且還建立了有限元模型來驗證其結果的可靠性。相關文獻[14-18]等通過對高強度螺栓連接的內套管加強節(jié)點的研究，結果表明，鋼管柱在循環(huán)荷載作用下只承受螺栓上的軸向拉力，并且使節(jié)點出現(xiàn)向內的屈服狀態(tài)。

2.2 三向應力的集中

謝甫哲等[19]通過對不同類型節(jié)點在彈塑性狀態(tài)下的靜力和動力非線性分析的研究，得出剛性連接節(jié)點在彈塑性階段以剪切變形為主，且對比出新型剛接節(jié)點組件模型能充分表達出節(jié)點的受力情況，而傳統(tǒng)剛接節(jié)點組件模型在結構小變形的彈塑性作用下可以較好顯示出節(jié)點的受力狀態(tài)。孟哲等[20]以裝配式住宅鉸接節(jié)點為研究對象，采用模擬仿真的方式對節(jié)點進行研究，試驗論證了節(jié)點在單軸受力狀態(tài)下，X和Y向水平傾覆力能力比傳統(tǒng)的方式更突出，且兩者的破壞形式幾乎相同，均呈現(xiàn)于斜壓破壞形式。

魏麗等[21]利用5 種等強度設計方法對裝配式鋼結構梁柱的剛性節(jié)點進行了研究。利用ABAQUS 對不同設計方法的節(jié)點進行數(shù)值模擬，進一步研究了梁翼緣拼接板長寬厚、預留長度和梁腹拼接板厚度等參數(shù)對節(jié)點的影響；還總結出在節(jié)點承受低周反復荷載和單調靜力荷載作用下合理取值范圍。郭瑞霞等[22]通過有限元ANSYS 軟件對裝配式鋼結構住宅半剛性節(jié)點的非線性模擬分析，獲得了節(jié)點在受力狀況和塑性變形下的破壞過程；將理論結果與有限元分析結果進行對比，得出非線性模擬研究充分體現(xiàn)了半剛性節(jié)點承載能力的變化規(guī)律和該方法的可行性。張愛林等[23]通過利用軟件ANSYS 分析了齊平板半剛性節(jié)點在靜力荷載和循環(huán)荷載作用下的受力情況，試驗結果表明，通過改變柱翼緣和端板的厚度、螺栓排列組合和節(jié)點區(qū)域加肋等方法，可使節(jié)點的彎矩值發(fā)生改變，并推出改善柱翼緣厚度和加勁肋對提升節(jié)點承載能力具有明顯的優(yōu)勢。

2.3 高溫因素的影響

Ding等[24-25]為了探討如何促進組合節(jié)點耐火極限的設計方法，對高溫下不同連接形式對鋼管混凝土柱-鋼梁復合節(jié)點的耐火極限以及其溫度場分布的影響規(guī)律進行了研究分析。研究結果顯示：在火災作用下試件溫度的分布規(guī)律吻合較好，且組合節(jié)點的耐火極限因連接方式存在明顯差異。相關文獻[26-27]等通過對平齊短板組合節(jié)點的研究，結果表明組合節(jié)點在高溫條件下，節(jié)點的強度、剛度和破壞模式會發(fā)生變化，并且節(jié)點破壞是先從高溫區(qū)域開始，逐漸向低溫區(qū)域發(fā)展。

王廣勇等[28]為研究荷載比對節(jié)點在火災下力學性能的影響，采用軟件ABAQUS 建立精細化模型。結果發(fā)現(xiàn)，節(jié)點的變形和破壞主要是由于梁和柱的溫度高于核心區(qū)的溫度。強旭紅等[29-30]通過ABAQUS 有限元軟件建立影響高強鋼端板連接節(jié)點的有限元模型，研究表明：在火災條件下，端板強度的增加可以提高節(jié)點的承載能力，因此在設計環(huán)節(jié)中提高螺栓強度防止節(jié)點在火災后轉變?yōu)榇嘈缘氖Ｊ健?/p>

3 結論與展望

綜上所述，國內外學者基于理論和試驗模型對節(jié)點進行了廣泛的研究，在裝配式鋼結構住宅節(jié)點上取得了較多的研究成果，也進一步形成了比較系統(tǒng)的知識體系。一方面，鋼結構節(jié)點的研究還存在較大的局限性：

①大跨度鋼管焊接節(jié)點方面，一般都是集中考慮節(jié)點脆性破壞的研究，對這種連接方式研究成果較少；

②焊縫質量，在施工過程如何避免節(jié)點出現(xiàn)焊縫缺陷和殘余應力等問題的研究；

③節(jié)點加固措施，以往研究主要從改變節(jié)點附近構件的尺寸等參數(shù)或者采用新型的節(jié)點連接方式等方法，這類研究的結果較多未能形成明確的準則；

④火災中節(jié)點破壞的研究，由于鋼材自身耐高溫性能較差，大多數(shù)研究者選擇以鋼材作為研究對象，針對節(jié)點研究理論成果較少。

另一方面，由于裝配式高層住宅人員密集、功能復雜、消防手段的發(fā)展滯后于高層建筑的建造技術發(fā)展，因此，在防災減災領域研究裝配式鋼結構高層住宅的抗火問題將具有重大研究價值。