裝配整體空間鋼網格盒式結構節點形式研究

王新峰 于紅燕

【摘 要】本文系統介紹了盒式結構及其特點，對盒式結構節點形式做了詳細的介紹，在盒式結構節點的抗震性能研究中，關于節點形式的選擇和設計原則做了詳細的探討。

【關鍵詞】盒式結構；節點形式；設計原則

1 引言

鋼結構作為一種優秀的結構類型在當今世界建筑群中被廣泛采用，并且具有廣泛的發展前景。鋼結構優點眾多，例如重量輕、強度高、剛度大、延性良好、抗震性能好、施工方便、綜合經濟指標好等，是當今建筑中無可爭議的主要結構類型之一。鋼結構體系中，裝配整體式空間鋼網格盒式結構是一種全新的結構體系，相較其它鋼結構體系提出的時間較短，是馬克儉院士于2010年提出的一種全新結構體系，并在近幾年迅速發展，由于其鋼材用量比傳統鋼結構較小，延性及抗震性能更強而得到廣泛關注和研究。裝配整體式鋼網格盒式結構體系不但被應用于工業廠房、大跨度建筑中，在多、高層住宅結構中同樣具有廣泛的應用前景，其抗震性能是該結構體系研究的必備環節，目前盒式結構體系主要在整體抗震性能的研究[1]上，而節點的抗震性能研究同樣重要，但目前該領域還處于空白，空腹桁架與柱相交節點以及帶混凝土層的空腹桁架柱相交組合節點的抗震性能研究尚屬首次提出，所以研究混凝土層對盒式結構的抗震性能影響必不可少。在盒式結構節點的擬靜力試驗中，盒式結構節點的選取尤為重要，且應分為純鋼節點和組合節點。

2 盒式結構簡介

馬克儉院士早期深入的研究了鋼筋混凝土密肋井字樓蓋，在此基礎上于2010年提出了一種全新的鋼結構體系，即整體裝配式鋼網格盒式結構體系（以下簡稱盒式結構），這種結構體系的組成部分為：豎向是由鋼密柱與H型鋼層間聯系梁組成的單層鋼網格承重墻架；橫向為"十"字拼接單元組成的空腹夾層板，上下T型鋼與剪力鍵組成拼接單元，空腹夾層板與鋼網格承重墻架相連，組成一個空間性能好，抗側移剛度大，傳力路徑清晰，抗震性能好的全新結構體系[2]。豎向鋼網格承重墻架與框架相比，豎向鋼網格承重墻架的網格小，其內力分布均勻、內力小、構件小，且抗側剛度大。

3 裝配整體式鋼網格盒式結構的特點

盒式結構新體系具有許多優點，相比目前常用的鋼框架結構和鋼框架-混凝土剪力墻結構，盒式結構在受力機理、傳力路徑、建筑功能、施工方法、節能環保和工程造價等方面更有優勢。盒式結構具體有以下優點：

（1）小尺寸的密肋鋼柱網格式墻架解決了大跨度工業與公共建筑中肥梁肥柱問題，具有"板"的力學性能，其抗側移剛度較大。當與混凝土核心筒協同作用時，形成兩道抗震防線，抗震性能更加優越；

（2）鋼空腹夾層板樓板（屋面）的單元網格長寬比一般小于1.5，網格單元受力特點相當于雙向板，力的傳遞路徑均勻合理，且能滿足撓度變形的要求；

（4）鋼結構部分維護簡單。橫向鋼網格外墻采用現澆填充石膏墻體，墻體施工簡單，保溫性能好且不易開裂，鋼構件完全包裹在石膏墻體內，完全被密封，無需再做防火防銹處理。

（5）室內無梁無柱，空間大，層高較小；

（6）水平體系和豎向體系均采用小構件單元螺栓整體裝配，每件拼裝單元重量不超過500kg，工廠制作，構件運輸方便，現場高強螺栓連接大大縮短工期，是一種適合市場推廣的鋼結構體系[3]。

4 盒式結構節點簡介

目前裝配整體式空間網格結構主要以全焊的剛性連接為主，由雙T型鋼組成的空腹水平受力體系與鋼柱相連接組成，具有類似桁架體系的受力特點，由抗剪剛度較大的方鋼管形成的剪力鍵抵抗水平剪力，并連接上下T型鋼共同抵抗荷載作用，使得空腹桁架與柱相交節點的抗震性能不同于常規的梁柱節點。鋼網格空腹桁架與柱相交節點是聯系水平受力體系和豎向受力體系的關鍵部位，主要有邊跨單向的T字形節點，包括強軸方向節點和弱軸方向節點，中間跨十字形雙向節點以及角柱強軸和弱軸兩個方向的L形節點。考慮到焊接質量，殘余應力，殘余變形以及費用的影響因素，工程中常通常采用熱軋T型鋼，也可由熱軋H型鋼在工廠在腹板切開而來，這樣可以得到不同腹板高度的T型鋼，T型鋼上下翼緣采用全融透的坡口焊與柱翼緣連接，其它部位采用雙面角焊縫連接，在桁架單元1/2位置截斷，預留螺栓孔，在施工現場用高強螺栓將拼裝單元通過上下兩塊鋼板將上下翼緣和腹板連成整體。空腹桁架與柱相交節點傳力明確，構造簡單，施工方便，并具有良好的承載能力，能使結構安全可靠的工作，是一種經濟合理的節點形式。

5 盒式結構節點的設計原則

盒式結構節點的擬靜力試驗沒有相關資料，參考已有其他節點形式，為避免空腹桁架與H型鋼柱翼緣的焊縫連接的脆性破壞，應保證塑性鉸區域遠離H型鋼柱；由于盒式結構采取空腹桁架的形式，空腹的存在一定程度上削弱了其承載力，抗剪能力的下降尤為明顯，為保證其必要的承載力，組成空腹桁架的上下T型鋼截面的選擇尤為重要；同時應保證盒式結構節點進入塑性階段后的變形能力和耗能能力；盒式結構節點亦應嚴格恪守"強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件"的設計原則。

因此，理想中的盒式結構節點實驗是讓靠近H型鋼柱翼緣的空腹桁架一端首先出現屈服，繼續加載過程中此處逐漸形成塑性鉸區域，以耗散地震的能量，塑性鉸區域遠離節點根部，保護了焊縫和節點核心區，避免焊縫處的脆性破壞，塑性鉸的出現，增大了節點的耗能能力以及節點屈服后的變形能力。由以上考慮，本次試驗所有節點的設計原則是：

（1）塑性鉸盡可能出現在空腹桁架的根部或空腹桁架上下T形截面型鋼與加勁板相交附近最薄弱位置，避免空腹桁架與H型鋼柱交接處的焊縫先破壞；

（2）為了不使空腹桁架和H型鋼柱太早發生剪切破壞，組成空腹桁架的上下T型鋼的腹板尺寸及空腹高度應該給予注意；

（3）對于盒式結構節點，空腹的存在削弱了空腹桁架的抗剪能力，盒式結構節點本質上更接近削弱型節點，節點核心區相對空腹桁架其剛度要大很多，但是由于節點核心區受力復雜應當給與重視，避免節點核心區先于空腹桁架端破壞；

（4）保證焊縫質量，需符合"強焊縫，弱鋼材"的原則，保證節點域與空腹桁架連接處焊縫的安全。

盒式結構在水平荷載下，拼接單元形成的網格每段空腹桁架都有一個反彎點，反彎點兩側應力分布相似，由于鋼節點的材料性能及盒式結構節點的特點，應該采用足尺試件[4]，空腹桁架的長度取1/2空腹桁架的跨度，節點核心區上下H型鋼柱取1/2柱高，節點的選取是由盒式結構節點在水平方向承受荷載時彎矩的反彎點位置來決定的，且宜采用T字型試件。

參考文獻：

[1] 譚增輝，馬克儉，梁影. 裝配整體式空間鋼網格盒式結構高層節能住宅建筑的研究與應用[J]. 貴州大學學報（自然科學版），2012，06：126-130.

[2] 宋帥，麻鳳海，陳志鵬，欒煥強，魏艷輝. 裝配整體式空間鋼網格正交斜放盒式結構在多層大跨度工業建筑中的設計與應用[J]. 建筑結構，2014，13：15-18.

[3] 馬克儉，張華剛，肖建春，成復秀，盧亞琴. 新型建筑結構體系的開拓與發展[J]. 貴州工業大學學報（自然科學版），2008，04：13-27+43.

[4] 中華人民共和國建設部，型鋼混凝土組合結構技術規程（JGJ 138-2001 J 130-2001），中華人民共和國行業標準，北京：中國建筑工業出版社，2002-01-01.