鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)技術(shù)綜述

劉 康

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

自20 世紀(jì)70 年代鋼管混凝土柱在建筑領(lǐng)域得到大力推廣后，關(guān)于鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)的專利的技術(shù)要點(diǎn)與該領(lǐng)域的整體技術(shù)要點(diǎn)是一致的，鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究解決的技術(shù)問題可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：（1）增加強(qiáng)度；（2）提高抗震性能；（3）提高混凝土澆筑質(zhì)量；（4）提高節(jié)點(diǎn)安裝的便捷性；（5）降低造價(jià)。通過對鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)的相關(guān)專利進(jìn)行了分析研究，歸納出了該領(lǐng)域?yàn)榱私鉀Q前述五個(gè)技術(shù)問題而主要進(jìn)行的四個(gè)改進(jìn)方向，由圖1 可以看出，主要改進(jìn)方向包括：（1）鋼管混凝土柱的截面形式；（2）梁的材質(zhì)與形狀；（3）連接件的結(jié)構(gòu)；（4）加工工藝。本文主要根據(jù)節(jié)點(diǎn)受力形式對鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類，并分析其技術(shù)發(fā)展。

圖1 各國鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)技術(shù)專利申請量

連接件的結(jié)構(gòu)是解決相關(guān)問題的最主要的改進(jìn)方向，各改進(jìn)方向彼此相互關(guān)聯(lián)，因此，在對鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)技術(shù)分析時(shí)，以連接件的結(jié)構(gòu)的改進(jìn)為技術(shù)主線，同時(shí)結(jié)合鋼管混凝土柱的截面形式、梁的材質(zhì)與形狀、加工工藝等方面進(jìn)行分析。

1 鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)的技術(shù)發(fā)展

1.1 鋼管混凝土柱與梁的鉸接節(jié)點(diǎn)技術(shù)

鉸接節(jié)點(diǎn)的受力與構(gòu)造相對比較簡單，但只能夠傳遞較小的彎矩，鉸接節(jié)點(diǎn)主要應(yīng)用于梁端剪力的傳遞，因此，針對鉸接節(jié)點(diǎn)的研究較少，且主要集中在鋼管混凝土應(yīng)用的早期，鉸接節(jié)點(diǎn)按梁的形式分為鋼梁鉸接節(jié)點(diǎn)和混凝土梁鉸接節(jié)點(diǎn)，最初典型的鉸接節(jié)點(diǎn)就是將鋼梁腹板與柱體螺栓相連。1975 年新日本制鐵株式會(huì)社發(fā)明了一種方鋼管混凝土柱與I 型鋼梁的鉸接節(jié)點(diǎn)[1]，但是該節(jié)點(diǎn)側(cè)板的焊接要求較高且連接處抗剪性能較差；隨后日本鋼管株式會(huì)社發(fā)明了一種鋼管混凝土柱與I 型鋼梁的鉸接節(jié)點(diǎn)[2]，I 型鋼梁僅通過一端的腹板與固定在柱體上下環(huán)板間的肋板用螺栓相連接，該肋板三面焊接，抗剪性能得到了加強(qiáng)，同時(shí)由于設(shè)置了環(huán)板，該形式的連接節(jié)點(diǎn)能夠適應(yīng)不同截面形狀的鋼管混凝土柱。

近年隨著技術(shù)發(fā)展，又衍生出了一種在兩個(gè)同心設(shè)置的鋼管之間灌注混凝土的新型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，其與傳統(tǒng)的鋼管混凝土柱相比具有承載力高、自重小、防火性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此，適應(yīng)復(fù)式中空鋼管混凝土柱的鉸接節(jié)點(diǎn)也應(yīng)運(yùn)而生[3]；此外，各種型材在梁柱中的廣泛應(yīng)用，也促進(jìn)了節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性發(fā)展，如韓國MYONG HWA ENG 公司發(fā)明了一種通過型材拼裝而成的梁柱的鉸接節(jié)點(diǎn)[4]，該鋼管混凝土柱的管體由L 型鋼和Y 型鋼拼裝而成，梁由T 型鋼組裝而成?？梢钥闯?，隨著技術(shù)發(fā)展，鉸接節(jié)點(diǎn)本身的連接結(jié)構(gòu)并未發(fā)生較大變化，都是通過端板與梁腹板螺栓連接，主要是適應(yīng)日趨豐富的梁柱形式。

1.2 鋼管混凝土柱與梁的半剛接節(jié)點(diǎn)技術(shù)

將受力狀態(tài)下鋼管混凝土柱的軸線與梁的軸線之間的夾角發(fā)生變化的梁柱節(jié)點(diǎn)稱為半剛接節(jié)點(diǎn)，會(huì)造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重新分布，結(jié)構(gòu)的受力情形比較復(fù)雜，且產(chǎn)生的變形較大，針對半剛接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用需慎重對待，因此，其發(fā)展時(shí)間相對鉸接節(jié)點(diǎn)較晚，應(yīng)用較少。但半剛接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)也很突出，日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)（2003）總結(jié)的半剛接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）因?yàn)樵试S節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生相對變形，從而能緩和桿件內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象；（2）半剛接節(jié)點(diǎn)在受地震荷載作用時(shí)，能夠通過變形耗能，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)位移過大的風(fēng)險(xiǎn)；（3）更加便于災(zāi)后修復(fù)工作的實(shí)施；（4）與完全剛接節(jié)點(diǎn)或鉸接節(jié)點(diǎn)相比，半剛接節(jié)點(diǎn)更接近結(jié)構(gòu)的實(shí)際工況；（5）施工和質(zhì)量管理更易操作，隨著受力分析手段先進(jìn)化，近年來半剛接節(jié)點(diǎn)的研究有增多的趨勢。傳統(tǒng)的半剛接節(jié)點(diǎn)主要采用摩擦型高強(qiáng)螺栓和/或連接件實(shí)現(xiàn)連接，而連接件主要有端板、T 型鋼和角鋼。目前，國內(nèi)外針對半剛接節(jié)點(diǎn)的研究方向大體一致，主要集中在如下幾方面：（1）如何半剛接節(jié)點(diǎn)的裝配更方便，受力性能更優(yōu)異；（2）通過半剛接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，模擬分析實(shí)際工況下半剛接節(jié)點(diǎn)的工作性能；（3）研究從單獨(dú)的構(gòu)件向整個(gè)體系方向轉(zhuǎn)變。

2006 年新日本制鐵株式會(huì)社發(fā)明了一種螺桿半穿心方鋼管混凝土柱與工字梁的連接節(jié)點(diǎn)[5]，其通過并排的螺桿與連接板焊接，再通過連接板螺栓連接工字鋼梁，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的彈性連接，由于該連接方式采用螺桿插入鋼管混凝土柱中，既保證了連接剛度又減少了對鋼管強(qiáng)度的削弱，同年清水建設(shè)株式會(huì)社發(fā)明了一種錨筋半穿心方鋼管混凝土柱與型鋼混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)[6]，其梁端直接與半穿心的錨筋端部焊接。

2009 年清華大學(xué)發(fā)明了一種采用單向緊固螺栓進(jìn)行緊固連接的中空夾層鋼管混凝土柱－鋼梁節(jié)點(diǎn)（CN101624842A），其在兩個(gè)同心設(shè)置的鋼管之間灌注混凝土形成鋼管混凝土柱，鋼梁通過端板組件與鋼管混凝土柱固定連接，其中端板組件的一側(cè)緊貼外鋼管管壁，另一側(cè)和鋼梁相連，再利用單向緊固螺栓組件依次穿過端板組件、外鋼管和內(nèi)鋼管，從而將鋼梁螺栓連接到鋼管混凝土柱上，該連接節(jié)點(diǎn)傳力路徑明確，可以有效承擔(dān)彎矩、軸力和剪力，力學(xué)性能良好，并且可以根據(jù)不同需要設(shè)計(jì)成剛接、半剛接或鉸接節(jié)點(diǎn)，可以看出，該發(fā)明將同心鋼管混凝土柱與鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)做了靈活設(shè)計(jì)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)按需在剛接、半剛接或鉸接節(jié)點(diǎn)三種不同形式下的切換；此外，夏磊研究團(tuán)隊(duì)還研究了采用鋼管混凝土半剛性連接節(jié)點(diǎn)的框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力、靜力性能，并通過分析水平及豎向荷載對框架結(jié)構(gòu)的影響，得出隨著鋼管混凝土半剛性連接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的增大，鋼管混凝土半剛接節(jié)點(diǎn)框架中的彎矩和撓度均減小，梁端彎矩增大，又對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用力分析，得出隨著半剛接節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的逐漸減小，框架結(jié)構(gòu)底層所承受的最大剪力減小，框架結(jié)構(gòu)整體的自振周期增大[7]。

1.3 鋼管混凝土柱與梁的剛接節(jié)點(diǎn)技術(shù)

剛接節(jié)點(diǎn)是目前研究最為成熟的鋼管混凝土柱與梁的節(jié)點(diǎn)形式，主要包括外加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)、內(nèi)加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)、環(huán)梁式節(jié)點(diǎn)、錨定式節(jié)點(diǎn)、十字板節(jié)點(diǎn)、鋼筋貫通式剛接節(jié)點(diǎn)、鋼牛腿節(jié)點(diǎn)等形式。

當(dāng)采用鋼梁時(shí)，為了保證節(jié)點(diǎn)工作的整體性和可靠性，可在梁的翼緣平面位置設(shè)置加強(qiáng)環(huán)，1994 年清水建設(shè)株式會(huì)社發(fā)明了一種鋼管混凝土柱與I 型鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)[8]，柱體外圍在鋼梁上下翼緣處形成了向外延伸的上下環(huán)板，鋼梁的上下翼板分別與上下環(huán)板相連接，鋼梁腹板與上下環(huán)板間的肋板螺栓連接。Choi 等研究比較了“無加強(qiáng)環(huán)板”“無焊接T 型外加強(qiáng)環(huán)板”和“環(huán)向錨筋外加強(qiáng)環(huán)板”等構(gòu)造的工作性能，結(jié)果表明，具有外加強(qiáng)環(huán)板的節(jié)點(diǎn)比無加強(qiáng)環(huán)板的節(jié)點(diǎn)的剛度高，此外，焊接外加強(qiáng)環(huán)板和環(huán)向錨筋外加強(qiáng)環(huán)板等類型的節(jié)點(diǎn)都還表現(xiàn)出了良好的延性[9]。

戶田建設(shè)株式會(huì)社（2006）發(fā)明了一種帶逸氣孔的內(nèi)加強(qiáng)環(huán)[10]，設(shè)置在內(nèi)加強(qiáng)環(huán)四周的逸氣孔減少了鋼管混凝土柱內(nèi)氣體的積聚，從而防止了混凝土澆筑不密實(shí)的現(xiàn)象；為了不縮減樓梯間的有效寬度以及不影響美觀與視線，武鋼技術(shù)中心科技大廈在管柱體直徑只有500mm 的情況下，仍然采用內(nèi)加強(qiáng)環(huán)板，并且為了方便管內(nèi)混凝土的澆搗，在內(nèi)環(huán)上各開了四個(gè)φ25 透氣孔[11]。

此后，我國華東建筑設(shè)計(jì)研究院發(fā)明了一種分段式的內(nèi)加強(qiáng)環(huán)[12]，在承力大的部位的內(nèi)加強(qiáng)環(huán)選用較厚板材，在承力小部位采內(nèi)加強(qiáng)環(huán)用厚度較薄的板材，通過這種厚度上差異化設(shè)置，加強(qiáng)環(huán)的寬度可以＜0.25倍鋼管混凝土柱直徑，從而解決內(nèi)加強(qiáng)環(huán)寬度過大影響向鋼管柱內(nèi)澆筑混凝土的問題，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種分段式內(nèi)加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)形式具有安全、合理的受力性能，其經(jīng)濟(jì)性也得到顯著提升。

2 鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)的專利分析

國內(nèi)外專利申請情況：通過對相關(guān)專利文獻(xiàn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土與梁的連接節(jié)點(diǎn)的專利申請以日本居多，始于20 世紀(jì)70 年代，進(jìn)入90 年代專利申請量達(dá)到高峰，申請主體為日本的幾大建筑公司，我國的相關(guān)專利申請自2000 年以來逐漸增多，參見圖1。

日本申請人中以幾大建筑公司和鋼鐵公司為主，包括鹿島建設(shè)株式會(huì)社、清水建設(shè)株式會(huì)社、株式會(huì)社竹中工務(wù)店、日本鋼管株式會(huì)社和新日本制鐵株式會(huì)社等，而我國申請人則以高校為主體。（兩國專利對比如表1）

表1 中國與日本專利申請對比

3 總結(jié)

本文對鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了梳理，對三大類型——鉸接節(jié)點(diǎn)、半剛接節(jié)點(diǎn)和剛接節(jié)點(diǎn)的技術(shù)發(fā)展歷程進(jìn)行了詳盡的分析。

然后，對中日兩國的專利布局特點(diǎn)及其原因進(jìn)行了分析。從技術(shù)發(fā)展的角度來看，2007 年之前，日本引領(lǐng)了鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)明了類型多變的節(jié)點(diǎn)形式，包括摩擦型高強(qiáng)螺栓半剛接節(jié)點(diǎn)、連接件半剛接節(jié)點(diǎn)、外加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)、內(nèi)加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)、環(huán)梁節(jié)點(diǎn)、錨定式節(jié)點(diǎn)、十字板節(jié)點(diǎn)、鋼筋貫通式節(jié)點(diǎn)及鋼牛腿節(jié)點(diǎn)等類型；2007 年之后，中國開始加大該領(lǐng)域的研究，對上述各類型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了豐富和改進(jìn)。

本文通過分析鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)技術(shù)演變發(fā)展過程，對于該技術(shù)的趨勢進(jìn)行了展望：（1）遵循“ 強(qiáng)柱弱梁,節(jié)點(diǎn)更強(qiáng)”的原則；（2）提高節(jié)點(diǎn)抗震性能；（3）提高混凝土澆筑質(zhì)量；（4）提高安裝的便捷性；（5）降低造價(jià)。