方鋼管混凝土柱—鋼梁半剛性節點研究綜述★

徐 嫚 杜麗文 張力濱 張秀華

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

方鋼管混凝土柱—鋼梁半剛性節點研究綜述★

徐 嫚 杜麗文 張力濱 張秀華

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

主要介紹了方鋼管混凝土柱—鋼梁半剛性節點連接的各種形式及其各自優缺點，總結了節點及半剛性框架的試驗和理論研究現狀，為半剛性連接節點的應用提供了合理有效的依據。

方鋼管混凝土，鋼梁，半剛性連接，節點

0 引言

鋼管混凝土是由鋼管和混凝土共同承受荷載的一種組合形式，其充分發揮了鋼和混凝土各自的長處，具有承載力高、延性好、經濟效益好及施工方便等特點[1]。雖然方鋼管混凝土的強度要稍低于圓鋼管混凝土，但方鋼管混凝土的外形比較規則，在梁柱連接時施工方便，可以縮短工期，除此之外，方鋼管混凝土的慣性矩大使其在彎曲荷載作用下具有良好的穩定性能[2]。

傳統的鋼框架設計理論均為將梁柱連接節點簡化為理想化的完全剛接或者鉸接。在豎向荷載作用下，剛接組合框架正彎矩將小于負彎矩，故剛接組合框架梁跨中截面不能充分發揮作用；而鉸接組合框架在豎向荷載下梁的跨中承受很大的正彎矩，而梁端不承受負彎矩，這樣使得梁端截面不能發揮作用，導致材料的浪費。為了克服剛接和鉸接框架的缺點，可將梁柱節點設計成為半剛性連接，使梁端負彎矩和跨中正彎矩與相應的彎矩承載力匹配，從而使梁端與跨中截面均充分發揮作用，進而節約鋼材，同時梁端具有較強的轉動能力，更容易滿足結構的抗震要求。

1 半剛性連接的形式

在往復荷載作用下，半剛性的連接節點具有較穩定的滯回性能和優良的耗能能力，是理想的抗震結構之一[3]。方鋼管混凝土柱與鋼梁半剛性節點主要是通過摩擦型高強螺栓或者連接件連接起來。

1.1 高強螺栓連接

高強螺栓連接分為不貫通式和貫通式，不貫通式連接即是螺栓先焊接在柱壁上，同時端板焊在鋼梁上，最后通過高強螺栓完成梁柱的連接。該種連接方式具有構造簡單，節點無需加強，經濟效益好等優點，且其施工方法與普通鋼筋混凝土柱梁相似。但螺栓與柱的焊接施工工藝要求很高，而且很容易造成鋼管柱壁局部屈曲，所以在實際工程中應用較少。不貫通式端板連接[3]平面圖與剖面圖如圖1所示。

貫通式連接是將長高強螺栓貫穿柱身與已經焊接端板或T型鋼的鋼梁連接起來。該連接方式剛度較大，具有好的延性和抗震性能。同時，該類節點良好地實現了在工廠使用焊接，在工地使用螺栓連接，從而使施工更加便利。

1.2 連接件連接

目前所用的連接件主要有端板，T型鋼和角鋼[4]。

端板連接是最常用的梁柱連接形式，其原理是先將端板與梁焊接后再與柱的翼緣通過高強螺栓連接在一起，端板的主要作用是將梁端反力傳給柱子。而在實際應用中端板連接根據端板的高度與梁高的關系分為短端板，齊平端板和外伸端板連接。端板的高度低于梁高為短端板，端板的高度與梁高相等為齊平端板，若高于梁高則為外伸端板。從對轉動的約束能力來看，外伸式要大于齊平式。與其他連接形式相比，端板連接的抗轉動剛度要大，端板連接對構件制作的要求非常高[5]。

T型鋼連接是在鋼梁上下翼緣的外側用高強摩擦型螺栓使T型鋼與梁柱相連，現階段T型鋼主要采用的是短T型鋼，是半剛性連接中剛性最大的，若同時在梁腹板加角鋼與柱連接時可被認為是剛性連接。

角鋼連接同T型鋼連接相似，即在鋼梁的上下翼緣處用螺栓固定角鋼來完成梁柱的連接。該種連接構造簡單且施工速度快。角鋼連接[3]平面圖與剖面圖如圖2所示。

總的來說，半剛性連接節點剛度靈活，受力優越，已逐漸被實際工程所應用。

2 研究現狀

目前，國內外對半剛性連接節點主要集中在以下幾個方面：1)尋求一種既簡便又實用的半剛性連接形式；2)以單獨的半剛性節點試驗為依據，探討其在實際框架中的工作性能；3)研究由構件向體系轉變。現有鋼管混凝土半剛性連接框架試驗較少，有些學者通過對半剛性連接鋼框架和賦予半剛性性質的外加強環式節點鋼管混凝土組合框架的荷載—位移曲線進行模擬研究鋼管混凝土半剛性連接組合框架的靜、動力性能。

2.1 理論研究現狀

在理論方面主要集中研究半剛性連接節點承載力的計算方法、通過有限元分析其受力性能等。

早在1996年英國的Alostaz和Schneider[6]在基于節點試驗研究的情況下通過有限元的方法分析了軸壓比對鋼管混凝土柱—鋼梁外加強環節點的性能影響。

2005年周天華等人[7]結合CECS 159∶2004矩形鋼管混凝土結構技術規程的設計規定，給出了方鋼管混凝土柱—鋼梁節點在不同抗震設防烈度下節點受彎、受剪的計算公式。并通過建立鋼“框架—剪力墻”和混凝土“斜壓短柱”的受力模型得出了能夠反映軸壓比影響的節點核心區受剪承載力疊加計算公式。

2006年杜喜凱等人[8]對矩形鋼管混凝土半剛性連接節點—雙T板節點進行了三維建模，考察了軸壓比等參數對滯回性能、延性等受力性能的影響,同時通過試驗觀察節點的屈服原理。通過有限元模型與試驗結果相對比，二者結果相符，最后模擬了在不同軸壓比下柱頂水平荷載—位移骨架曲線，從曲線中可看出當荷載達到峰值后有較長一段的加強段，則可得知雙T板具有較好的延性。節點試件的柱頂水平荷載與位移曲線如圖3所示。

2012年夏磊[4]研究了鋼管混凝土半剛性連接組合框架的靜力性能和動力性能，通過分析豎向及水平荷載對半剛性連接平面組合框架模型的影響，得出隨著節點轉動剛度的增大，在鋼管混凝土半剛性連接框架中，梁端彎矩增大，框中彎矩和撓度均減小。又通過分析地震作用下的鋼管混凝土半剛性連接組合框架，得出隨著節點剛度轉動剛度的減小，結構底層最大剪力減小，結構自振周期增大。

綜上可看出理論研究從一開始的靜力分析到后來的動力特性分析，再到有限元分析、參數分析，對半剛性連接節點研究考慮的因素越來越多，研究也越來越細致。

2.2 試驗研究現狀

1993年Mmorino等人[9]進行了方鋼管混凝土柱鋼梁貫通節點的擬靜力試驗，試驗結果得到在彎矩作用下節點具有更好的耗能能力。1999年France等人[10]對鋼管混凝土柱鋼梁端板螺栓連接節點進行擬靜力試驗，試驗結果與方鋼管柱節點對比得出節點剛度、強度提高而延性降低，破壞形式均為螺栓拔出。2004年Ricles等人[11]對10個足尺的方鋼管混凝土柱—鋼梁的內隔板節點、T型鋼加強梁翼緣節點、T型鋼螺栓連接節點進行低周反復荷載試驗。由試驗可知T型鋼加強梁翼緣節點和T型鋼螺栓連接節點滿足“強柱弱梁”原則。除此之外T型鋼螺栓連接節點能夠很好的增強螺栓孔的強度，防止破壞，減少滑移。

而在理論并不完善的初期，我國則先從理想化的剛性節點著手研究。1999年在我國同濟大學余勇、呂西林等人[12]對方鋼管混凝土柱鋼梁帶內隔板十字形連接節點進行了研究，對十字形構件進行靜力拉伸，最后大部分是梁的翼緣被拉斷，所以柱—鋼梁連接處的極限承載力沒能得出，但根據屈服線理論提出了此類節點受拉承載力的計算公式具體機制原理如圖4所示。在此基礎上，2002年天津大學趙莉華等人[13]在進行內隔板式節點拉伸試驗時對余勇等人提出的受拉屈服承載力方程進行了驗證。梁柱連接的M—θ曲線見圖5。

2004年宗周紅[14]將研究落到半剛節點上，對矩形鋼管混凝土加勁端板和雙T板連接節點的柱端進行低周反復荷載擬靜力試驗，對比二者在不同軸壓比作用下對破壞機制、滯回曲線等的影響。經過試驗對比發現二者破壞現象基本相同，均是鋼梁的翼緣先發生屈服緊隨其后的是鋼梁的腹板，而柱從始至終未發生屈服，實測狀況如表1所示。同時得出軸壓比對轉角滯回曲線的影響較峰值荷載要小，且對于峰值荷載而言，高軸壓比試件要大于低軸壓比試件。

表1 節點實測特征荷載及位移值的比較[15]

2005年葉康[15]對鋼框架半剛性連接的彎矩—轉角關系進行了總結，論述了幾種常用的梁柱連接特性，并且給出了能夠模擬連接特性的計算公式。同時明確半剛性受力性能對結構的承載力和變形都有較大的影響，所以確定半剛性連接的約束關系對半剛性連接框架至關重要。如圖5表示出了幾種常用的半剛性連接的彎矩—轉角曲線，模擬連接特性的計算公式如下:

多項式模型：

θr=C1(KM)1+C2(KM)3+C3(KM)5。

其中，K為取決于連接類型和幾何尺寸標準化參數；C1，C2，C3均為曲線擬合常數。

冪函數模型：

θr=aMb。

其中，a,b均為曲線擬合參數，a>0，b>0。

其中，Rki為初始連接剛度；Mu為連接的極限彎矩承載力；n為曲線的形狀參數。

指數模型：

其中，M0為擬合的連接彎矩初始值；Rkf為連接應變硬化剛度；a為標量系數；Cj為由曲線回歸分析求得的曲線擬合常數。

在接下來幾年，許文蓓等人[16-18]提出了穿心高強螺栓—Π型板節點，并對其抗震性能進行研究，分析了受力性能的影響因素等。從單向加載靜力試驗到對節點循環加載試驗，這些結果不僅能很好的證實理論研究而且可以為半剛性連接節點的應用提供有效的依據。

3 結語和期望

在荷載作用下，節點實際連接性能更接近于半剛性連接，因此近年來對半剛節點的研究越來越多。已有研究表明半剛性連接考慮了節點區域變形的影響，使桿件內應力集中得到緩解，同時半剛性連接具有良好的耗能性能，延性要比其他連接形式好很多。當然在半剛性連接節點具有以上優點的同時也存在著很多有待解決的問題：

1)由于不同形式的半剛性連接節點受力性能不同，且目前對各類半剛性節點研究不夠系統成熟，因此，我國規范還未能對其進行詳細規定。

2)現階段各種半剛性連接方式處于單獨研究過程中，并未對研究結果進行統一分析。同時，由于半剛性連接節點形式的多樣性和復雜性，造成了半剛性節點廣泛應用受阻，因此要想大量實際使用有待進一步研究。

3)現已提出的新型半剛性連接節點需要做大量的試驗及有限元分析，從而確定其精確的M—θ曲線。

4)現有研究主要集中于半剛性連接節點，并用節點試驗推測其在真實框架中的性能，但推測能否反映真實情況，有待進一步研究；目前，雖然有學者做過框架試驗，但這類試驗數量較少，試驗數據有限，所以不能進行系統化推測。

5)現有半剛性連接節點形式均具有各自不同程度的缺點，需要進一步探討更合理，受力性能更優越，施工更加便捷的連接形式。

[1] 鐘善桐.鋼管混凝土結構[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2] 韓林海，楊有福.現代鋼管混凝土結構技術[M].第2版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

[3] 衛 廣.新型方鋼管混凝土柱—鋼梁半剛性節點抗震性能研究[D].天津：河北工業大學,2012.

[4] 夏 磊.鋼管混凝土半剛性連接框架結構力學性能研究[D].蘭州：蘭州理工大學,2012.

[5] 樊建慧,黃炳生,吳文平.方鋼管混凝土柱—鋼梁半剛性節點研究綜述[J].江蘇建筑，2007(4):31-33.

[6] Alostaz Y M，Schneider S P .Analytical behavior of connections to concrete-filled steel tubes[J].Journal of Constructional Steel Research，1996，40(2)：95-127.

[7] 周天華,聶少鋒,盧林楓,等.帶內隔板的方鋼管混凝土柱—鋼梁節點設計研究[J].建筑結構學報,2005,26(5):23-29,39.

[8] 杜喜凱,王鐵成,周毅姝,等.鋼管混凝土半剛性節點有限元建模方法的研究[J].河北農業大學學報,2006,29(4):113-117.

[9] Mmorino S,Kawaguchi J,Yasuzaki C.Behavior of concrete filled steel tubular three-dimensional subassemblies[A].Proceedings of the Composite Construction in Steel and Concrete[C].1993:726-741.

[10] France J E,Davison J B,Kirby P A.Moment-capacity and rotational stiffness of endplate connections to concrete-filled tubular columns with flow drilled connectors[J].Journal of Constructional Steel Research,1990(50):35-48.

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[12] 余 勇,呂西林,田中清,等.方鋼管混凝土柱與鋼梁連接的拉伸試驗研究[J].結構工程師,1999(1):23-28.

[13] 趙莉華,陳志華,劉錫良.方鋼管混凝土內隔板式節點的拉伸試驗研究[A].第十一屆全國結構工程學術會議論文集第Ⅰ卷[C].2002:488-491.

[14] 宗周紅,林于東,林 杰.矩形鋼管混凝土柱與鋼梁半剛性節點的抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報,2004,25(6):29-36.

[15] 葉 康,李國強,張 彬.鋼框架半剛性連接研究綜述[J].結構工程師,2005,21(4):68-71,76.

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[17] 劉 嗥.新型方鋼管混凝土柱—鋼梁全螺栓連接節點受力性能試驗研究[D].天津：河北工業大學碩士學位論文,2010.

[18] 武 楠.新型方鋼管混凝土柱—鋼梁全螺栓連接節點靜力有限元分析[D].天津：河北工業大學,2012.

On survey of concrete-filled square steel tubes column-steal beam semi-rigid node★

Xu Man Du Liwen Zhang Libin Zhang Xiuhua

(CivilandEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

This article mainly introduce the forms of concrete-filled square steel tubes column-steel beam nodes, and analysis the advantages and disadvantages of all kinds of nodes, as the same time summarizes the node and semi-rigid framework test and theoretical study of the current situation, so as to provide reasonable and effective reference for application of semi-rigid connection node.

concrete-filled square steel tubes， steel beam， semi-rigid connection， node

2015-02-09

★：國家自然科學青年基金(項目編號:51408106)；黑龍江省教育廳科學技術研究項目(項目編號:12533011)

徐 嫚(1982- )，女，講師； 杜麗文(1990- )，女，在讀碩士； 張力濱(1972- )，男，副教授； 張秀華(1970- )，女，碩士生導師，副教授

1009-6825(2015)11-0024-03

TU375.2

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