鋼框架裝配式梁柱連接節點抗震設計研究

張志立 張琳 焦亞輝 王杰

中建八局第四建設有限公司

摘要：裝配式鋼結構符合建筑工業化發展趨勢，是一種綠色建筑，節點設計是整個鋼結構設計研究的核心環節，提高鋼框架梁柱連接節點的抗震性能是整個鋼結構抗震設計的重要內容。鋼框架梁柱節點抗震性能的研究對于鋼框架改善結構延性、防止節點發生脆性破壞、提高結構抗震能力有著重要的理論和實踐意義。本文主要介紹了近年來國內外對鋼框架梁柱連接的研究現狀，對裝配式H形截面梁與柱連接削弱型和加強型梁柱節點的抗震研究進展進行了綜述，鋼框架的塑性鉸在遠離梁柱連接焊縫的梁翼緣上形成，達到塑性鉸外移的設計目的，有效地保護梁柱節點的薄弱部位，提高結構的延性性能，避免發生脆性破壞，以實現抗震規范中“強節點弱構件”的設計思想，最后針對裝配式連接節點提出了尚待研究和解決的問題。

關鍵詞：裝配式鋼結構;抗震設計;梁柱節點;加強型節點

裝配式鋼結構符合建筑工業化發展趨勢，是一種綠色建筑，裝配式鋼結構建筑將呈現設計多樣化、構件標準化、制作工廠化、施工機械化、功能現代化的建筑工業化發展趨勢。裝配式建筑是指將建筑結構的部分或全部構件經工廠加工制造后運輸至現場，通過可靠的連接方式安裝而成。在裝配式鋼結構設計中，鋼框架結構建筑設計的一個重要環節就是梁柱節點設計問題，如圖1所示。一方面，節點構造形式對節點的強度、剛度以及整體結構的受力和變形均有直接影響;另一方面，梁柱連接節點是鋼結構現場施工的重要環節，節點的構造形式對施工進度和鋼結構建造成本也會產生直接影響。工程界在20世紀90年代以前一直認為這種節點具有良好的塑性耗能能力和良好的抗震性能。然而，在1994年美國北嶺地震和1995年日本阪神地震中，許多節點出現了嚴重的脆性破壞[1]，即在框架還沒有塑性發展之前，梁端連接抗力大大低于梁截面的抗力，從而使連接焊縫首先開裂，進而發生脆性破壞。這兩次震害對節點的破壞使得人們去重新審識鋼框架結構的抗震性能，并開始重視研究鋼框架結構中梁柱栓焊連接節點的抗震設計。

鋼框架加強型節點是近幾年來國內外專家研究較多的新型梁柱連接節點，其工作原理是在距離梁端柱翼緣表面一定范圍內將梁翼緣局部擴大，使鋼框架的塑性鉸在遠離梁柱連接焊縫的梁翼緣上形成，達到塑性鉸外移的設計目的，有效的保護梁柱節點薄弱部位，提高結構的延性性能，避免發生脆性破壞，實現抗震規范中“強節點弱構件”的設計思想。

圖1? 普通栓焊節點

Fig.1? ?General bolt welding joints

一、截面加強型梁柱連接節點的設計

根據其節點加強方式的不同，加強型梁柱節點主要有板式加強型節點、梁端翼緣放大型節點、肋板加強型節點和梁端加腋型節點。

（一）板式加強型節點

根據加強板尺寸和位置的不同，板式加強型節點可分為梁端翼緣板加強式節點和蓋板加強型節點。其中梁端翼緣板加強式節點中梁翼緣不直接與柱翼緣連接，而是通過加強板過渡，加強板寬于梁翼緣，鋼柱需采用寬翼緣;而蓋板加強型節點中的梁翼緣與蓋板采用同一個坡口與柱翼緣焊接在一起，蓋板比梁翼緣略窄，鋼柱可以采用較窄的翼緣。這兩種連接節點都是通過在梁翼緣上下兩側設置加強板來增加了梁的截面高度，由于梁的截面高度與其截面模量之間呈三次方關系，所以很小厚度的加強板就可以對鋼梁端截面模量增加很多，用有限的材料對節點強度提高很大，不但可以節約鋼材，還可以有效提高節點的抗震性能，有效實現塑性鉸的外移。根據加強板形狀的不同，板式加強型節點又可分為矩形板式加強型節點和梯形板式加強型節點（如圖2示）。國內外很多專家學者對板式加強型節點進行了研究。

圖2? 板式加強型節點

Fig.2? ?Plate strengthened nodes

王燕，馮雙[2]等設計制作了8個1/2縮尺比例的翼緣加強型節點試件，進行了低周反復循環荷載作用下的試驗研究。通過改變加強板擴翼段的尺寸和形狀，對比研究了4種類型梁翼緣加強型節點的破壞形態、耗能能力、滯回性能、骨架曲線及剛度退化，研究結果表明：連接類型對滯回性能及耗力的影響顯著，蓋板加強型節點和梁端翼緣板加強式節點的滯回曲線相對比較飽滿;并且長方形板式加強型節點的滯回性能、耗能能力明顯優于梯形板式加強型點;加強板的尺寸越小，連接節點的延性、滯回性能越好;梁端翼緣板加強式節點制作簡單，材料利用率高，制作成本較低，且耗能能力較好，被認為是一種連接性能較好加強型節點，因此推薦在強地震區應用。

陳杰，蘇明周[3]等為了研究梁端翼緣板加強式節點在循往復荷載作用下的滯回性能，進行了4個1/2模型的擬靜力加載試驗，研究了梁翼緣寬厚比、腹板高厚比對節點連接性能的影響以及節點域強弱對連接塑性轉動能力的影響。作為比較，筆者還進行了一個蓋板加強型節點的試驗。試驗結果表明：梁端翼緣板加強式節點性能優良，所有試件都未發生脆性破壞，都能確保塑性鉸轉移到加強板以外，并且梁端塑性轉角介于0.044～0.054rad之間，達到了特殊抗彎鋼框架連接塑性轉動能力不得小于0.03rad的要求。

T.Kim[4]等通過做試驗和有限元分析軟件研究了梁端翼緣板加強式節點和蓋板加強型節點的連接性能。T.Kim共設計制作了5個梁端翼緣板加強式節點和5個蓋板加強型節點，并分別進行了低周往復荷載試驗。試驗中所有試件的塑性鉸均出現在遠離柱翼緣的位置，并且梁腹板和翼緣均出現了局部屈曲，節點強度退化并達到了極限狀態。節點的塑性轉角在 2.3%～3.9%范圍內，且矩形加強板節點的性能表現最好。

（二）梁端翼緣放大型節點

梁端翼緣放大型節點是通過加大梁端翼緣的寬度來降低節點焊縫中的應力，增大梁端的截面模量，從而提高鋼梁的抗彎承載力。根據梁翼緣放大方式的不同，梁端翼緣大型節點可分為擴翼式連接和側板加強式連接兩種方式（見下圖 3）。其中擴翼式連接是通過一個變翼緣寬度的短牛腿進行過渡，在工廠中把牛腿與鋼柱焊接在一起，在現場將等翼緣寬度的鋼梁與短牛腿焊接起來;而側板加強式連接是直接在梁端部焊接幾塊與梁翼緣厚度相同或相似的平板。在這兩種連接形式中，擴翼寬度及長度是影響節點延性及耗能能力的主要因素，國內外學者對這種問題進行了研究。

圖3? 梁端翼緣放大型節點

Fig.3? ?Beam end flange magnification node

毛輝，王燕[5]針對鋼框架梁端翼緣擴大型節點試件進行了非線性有限元分析，研究了梁端擴翼形式以及擴翼參數對節點應力、塑性發展規律、塑性區分布以及極限承載力的影響。研究結果表明，通過將梁翼緣進行適當的擴大后圓弧擴翼型節點和側板擴翼型節點，均能有效的將塑性鉸移出焊縫熱影響區，可以避免梁柱連接焊縫處的脆性破壞，并且比傳統普通節點具有更高的極限承載力，是一種較為理想的延性節點。當采用相同的擴翼參數，圓弧型節點的延性性能要好于加側板節點，建議工程設計中宜采用圓弧擴翼型節點。

張文元，王想軍[6]等為了得到了節點類型和梁端翼緣擴人尺寸對節點延性、滯回性能和耗能能力等指標的影響規律，對梁端翼緣擴人型 （包括側板加強型和翼緣端部放大型） 鋼框架梁柱節點進行了往復循環荷載下的試驗研究，并用非線性有限元程序對試驗結果進行了數值模擬分析，研究了梁端翼緣擴大段的寬度及長度等參數對節點性能的影響規律及其有效取值范圍，給出了實用的設計方法。研究結果表明：梁端翼緣放大型節點是一種具有良好延性和塑性轉動能力的新型節點形式。

Ting， L. C[7]研究箱形截面柱與工字型鋼梁的擴翼型節點，并利用有限元軟件分析擴翼型節點的節點形式對節點受力性能的影響，研究結果表明：沒有加強的梁柱節點在連接根部焊縫處存在應力集中現象，而當在梁兩側增設三角形加強板時，應力集中的區域可以轉移到節點域處，其中接觸面處應力的傳遞受到三角形加強板長度與端部角度的影響，合適尺寸的加強板可以使應力平滑地傳到節點域處。

（三）肋板加強型節點和梁端加腋型節點

根據梁側肋板的個數，肋板加強型節點可分為單肋板加強型和雙肋板加強型兩種（如圖 4）。其構造形式是在梁端上下翼緣處各焊接一塊或兩塊垂直肋板來增加節點處梁截面的抗彎截面模量，從而提高其抗彎承載力，達到使塑性鉸外移保護節點的目的。但由于此種節點增加了梁的高度，有降低建筑凈空的缺點，并且給組合樓板的安裝造成不便。梁端加腋型節點與肋板加強型節點相似（如圖 5），其構造形式是在梁端翼緣下側焊接一段 T 型或工字型短梁，同時也要在梁柱腹板的相應位置焊接加勁肋，用來增強梁端截面抗彎承載能力。這種節點也增加了梁的高度，降低了建筑凈空，比較常用于加固修復工程。

圖4? 肋板加強型節點? ? ? ? ? ? 圖5? 梁端加腋型節點

Fig.4? ?Ribbed reinforced nodes? ?Fig.5? Beam end plus axillary node

蘇明周，顧強等[8]制作了4 個縮尺比例為1/2的常規全焊梁柱剛性節點的循環加載試驗，研究了節點域柱腹板高厚比、梁翼緣寬厚比對節點破壞形態、延性和極限承載能力的影響，并對其中破壞的兩個試件的焊縫修復并加腋后重新進行試驗，以研究加腋修復的效果。試驗結果表明：梁端加腋可以大幅度提高節點的延性和極限承載力，兩個試件都是在梁上產生塑性鉸而發生整體失穩破壞;但由于要在梁翼下側焊接加強板，這增加了現場安裝難度，且降低了建筑凈空。

Engelhardt， Anderson，Duan， Popov， Tsai等人分別對肋板加強型節點做過試驗研究，研究結果表明，肋板加強型節點有良好的延性和塑性變形能力。Chen CC用改進的肋板對節點進行加強，經過試驗和對比分析發現這種節點具有良好的塑性性能。

為了對加強型節點和削弱型節點的各種性能進行對比，余海群，錢稼茹等人制作10個不同連接構造的足尺鋼梁柱剛性連接節點，研究了標準栓焊連接節點、標準全焊連接節點、梁翼緣加強型節點、梁翼緣局部削弱型節點以及梁貫通型節點在梁端往復荷載作用下的破壞過程、破壞形態、承載力和塑性變形能力等抗震性能。試驗結果表明：梁翼緣局部切割削弱和梁翼緣加蓋板節點的梁的極限塑性轉角大于0.03，梁貫通型節點、梁下翼緣加腋節點和梁翼緣打孔節點的梁的極限塑性轉角大于 0.02，其余類型節點的都小于0.02。對實測的梁翼緣和腹板的應力分布的分析表明，梁根部翼緣處于三向應力狀態，是其脆性斷裂破壞的原因之一。

二、新型梁柱節點的設計原則

美國、日本等國家的專家學者在美國諾斯里奇地震和日本阪神—淡路地震后逐漸展開了對結構設計方法和節點形式研究工作，并做了大量的試驗分析。在對傳統的節點形式進行改進后，相繼提出了一些新型節點，其主要思想是使塑性鉸外移到遠離梁柱節點的梁上，從而避免節點焊縫的脆性破壞。這些新型節點主要有削弱型梁柱節點和加強型梁柱節點兩種。

（一）削弱型梁柱節點的設計原則

削弱型梁柱連接節點是通過對距離梁端一定距離的腹板或翼緣進行削弱，降低其截面面積和截面模量等截面特征量，從而使塑性鉸出現在遠離受力復雜且脆弱的梁柱節點的梁上，提高節點塑性變形能力，避免節點發生脆性破壞，以達到改進連接性能的目的。

其基本思想[9]是根據地震彎矩梯度對節點附近鋼梁上某一區域進行削弱，使得削弱后的區域截面抵抗彎矩梯度等于該區域截面地震彎矩需求梯度，由于塑性鉸總是在結構M/Mu值最大的截面處首先出現，因此只要使削弱區段梁截面的M/Mu值比梁上其它截面的M/Mu值大，則梁上事先選定的削弱區域就會形成塑性鉸，遠離梁柱翼緣交界面。如圖6中表示出了鋼梁抗彎承載能力Mu和外荷載產生的彎矩Mu的對比曲線，對鋼梁進行削弱后，其抗彎承載能力曲線變成了梯度曲線，在遠離梁柱節點的位置，梁的抗彎承載力與外荷載產生的彎矩比較接近，塑性鉸將會在此處出現。

圖6? 削弱型梁柱節點設計原理

Fig.6? Design principle of weakened beam - column joint

（二）加強型梁柱節點的設計原則

加強型節點是通過一定的構造措施對框架梁柱節點進行加強，增加其截面面積和截面模量等截面特征量，使其抗彎承載力大于鋼梁上其他截面，當鋼梁受到外荷載時，節點不會先于鋼梁發生破壞，使塑性鉸出現在梁柱節點外一定距離的梁上，從而達到使塑性鉸外移保護節點的目的。

其的基本思想[9]根據地震彎矩梯度對梁端截面進行加強，使加強后的區域截面抵抗彎矩大于地震彎矩需求梯度，由于塑性鉸總是在結構M/Mu值最大截面處首先出現，因此只要使得加強

段端部梁截面的M/Mu值小于梁上其它截面處的M/Mu值，加強段端部就會形成塑性鉸，遠離梁柱翼緣交界面。如圖7表示出了鋼梁抗彎承載能力Mu和外荷載產生的彎矩Mu的對比曲線，對梁端截面進行加強后，其抗彎承載能力曲線變成了梯度曲線。在梁端位置，梁的抗彎承載力大于外荷載產生的彎矩，使塑性鉸不會出現在梁柱節點處。

圖7? 加強型梁柱節點設計原理

Fig.7? Design principle of reinforced beam - to - column joint

三、結語：

從我國鋼結構建筑發展趨勢來看，設計多樣化、構件標準化、制作工廠化、施工機械化、功能現代化將成為裝配式鋼結構建筑發展的趨勢。節點無論是削弱式還是加強式，設計的目的都是希望在地震作用下，在梁柱節點以外出現塑性鉸，即出現在鋼梁上，達到“小震不壞、中震可修、大震不倒”三水準目標。

工程界的學者提出了更好使塑性鉸外移的節點型式，主要有加強型節點和削弱型節點，這兩種節點形式都能實現塑性鉸的外移，從而達到保護梁柱節點、避免節點處焊縫脆性破壞的目的。但H形鋼柱與鋼梁采用裝配式連接在實際工程應用中還存在一些尚待解決的問題，如節點初始轉動剛度計算模型、螺栓抗拉承載力、節點及部件的非線性變形、滯回性能以及結構屈服時序等，節點連接安裝過程中存在一定困難，螺栓緊固時操作空間等，上述問題使鋼結構工程采用裝配式連接節點在實際工程應用中受到一定限制，但隨著鋼結構裝配式新型連接節點的不斷研發必將會得到解決，裝配鋼結構梁柱連接節點的研究還有待廣大學者進一步深入探索。

參考文獻：

[1] Duane K Miller. Lessons Learned from the Northridge Earthquake [J]. Engineering Structures，1998，20（4-6）：249-260.

[2] 王燕，馮雙等. 鋼框架梁翼緣加強型節點低周反復荷載試驗研究.建筑結構學報（增刊1）[J]，2009： 108-114.

[3] 陳杰，蘇明周.鋼結構焊接翼緣板加強式梁柱剛性連接滯回性能試驗研究.建筑結構學報， 2007. 28（3）： 1-7.

[4] T.Kim， A.S.W.， Cover-Plate and Flange-Plate Steel Moment-Resisting Connections. Structural Engineering， 2002. 128（4）： 474-482.

[5] 毛輝，王燕.鋼框架梁翼緣擴翼型節點受力性能研究[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版）， 2010， （01） . 42（1）.

[6] 張文元，王想軍等. 梁端翼緣擴大型梁柱節點抗震性能和設計方法[J].哈爾濱工業大學學報，2009，41（12）.

[7] Ting， L. C.， Shanmugam， N. E.， and Lee， S. L.， Box-Column to I-Beam Connections with External Stiffeners. Journal of Constructional Steel Research， 1991， 18 （3）

[8] 蘇明周，顧強等.大型火電廠全焊鋼框架梁柱連接抗震性能及加腋修復試驗研究[J].建筑結構，2006.36（8）

[9] 馮雙.鋼框架兩端梁端翼緣板加強式節點力學性能研究[D].青島：青島理工大學，2009.