鋼框架裝配式節點研究進展

薛 皓，馬 軍，陳曉虎

（1.軍委審計署蘭州審計中心，甘肅 蘭州 730000；2.西安審計中心，陜西 西安 710000；3.成都審計中心，四川 成都 610002）

隨著我國工業進程的加快，裝配式鋼結構的發展也被提上日程，2016 年國務院頒布 《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，明確指出不僅要大力發展裝配式建筑，而且要提高其在新建建筑中的比例，而后住建部在“十三五”規劃中提出鋼結構建筑要在新建綠色建筑中的比重不低于15%，鋼材是一種綠色建筑材料，且作為國家的戰略儲備資源，使發展研究裝配式鋼結構成為熱門課題。鋼結構輕質高強且抗震性能優越，而在1994 年的美國Northridge 地震[1]和1995 年的日本的阪神地震中，鋼結構建筑卻表現出了梁柱節點焊縫在強震作用下的脆性破壞[2-3]，而后如何避免焊縫的脆性破壞成為鋼框架節點的研究方向。

裝配式鋼結構建筑設計目標，主要是實現鋼結構施工現場的快速裝配、縮短工期，減少現場焊接造成的焊縫缺陷并提高結構抗震能力。發展裝配式鋼結構是實現模塊化鋼結構的基礎，2020 年初我國以武漢為中心而爆發了全國范圍的新冠疫情，火神山、雷神山醫院的迅速建成也成為我國裝配式建筑發展的里程碑。

1 節點的構造形式

1.1 節點構造類型

鋼結構梁柱節點根據構造形式分為加強型節點和削弱型節點，加強型節點的加強位置分為柱端加強和梁端加強，削弱型節點的削弱位置則集中在梁端。傳統加強型節點主要分為梁端加腋板型、梁端加肋板型、梁端板式加強型、梁端翼緣擴大型等；削弱型節點構造形式主要分為翼緣削弱型、腹板處開孔型、梁端腹板處切縫型。而新型節點是在傳統節點的基礎上進行組件和連接方式的改造創新。新型節點可以增加節點的延性，實現塑性鉸外移，從而進一步提高節點的抗震耗能能力。

1.2 加強型節點構造

楊松森等[4-5]提出的外套筒-加強式新型裝配式節點（如圖1 所示）。該節點是通過設置外套筒將上、下柱拼接，同時外套筒會增加節點域的剛度；在梁端設置端板并通過高強螺栓與外套筒連接；為了保證節點良好的傳力能力，設置了高強對拉螺栓。通過試驗（試驗裝置如圖2 所示）對新型節點的破壞方式、承載能力、傳力機制、延性及抗震耗能能力等進行分析。研究結果表明：隨著外套筒筒壁的增厚，節點的初始轉動剛度也會增大，試驗中當筒壁厚度由12mm 增加到14mm 時，初始轉動剛度提高約17%；外伸端板組件可以增加梁端的初始轉動剛度，且增加節點延性并增加節點的抗震耗能能力；高強對拉螺栓的設置可以容許梁柱相對轉角增大，提高節點的轉動變形能力；加載后期由于對拉螺栓的較大塑性變形，使節點產生滑移現象，導致滯回曲線由“弓形”轉變為“反S 形”。

圖1 外套筒-外伸端板節點構造圖

圖2 試驗裝置圖

王燕等[6-7]提出一種新型內套筒全螺栓連接的組合節點（如圖3 所示）。該類型節點是在上、下鋼管柱內設置內套筒，通過高強螺栓和高強對拉螺栓將梁、柱及內套筒連接起來，整體構造形式和外套筒相似，主要區別是套筒的布置位置分內和外。研究結果表明：試件的破壞主要是節點域柱壁和外伸端板的屈曲變形，試驗中對拉螺栓被拉斷；內套筒厚度增加會增大節點域的轉動剛度和抗剪切變形的能力；滯回曲線整體變現出“弓形”，具有良好的耗能能力。

該類型節點實現了全螺栓連接，為模塊化鋼結構建筑奠定了基礎，試驗裝置如圖4 所示。

圖3 外套筒-外伸端板節點構造圖

圖4 試驗裝置圖

Liu 等[8-10]對H 型梁與方鋼管柱的連接方式進行研究，在反復的試驗研究和理論支持下，全螺栓雙夾板連接節點（如圖5 所示）取得較顯著的成果。試驗（試驗裝置如圖6 所示）結果表明：全螺栓連接的新型節點延性較好，最終的破壞形式是上下翼緣發生較大的塑性變形導致的局部撕裂；全螺栓連接的節點在加載過程中未出現明顯的滑移現象，破壞位置遠離柱，實現了塑性鉸的外移；節點結構上對稱，在試驗中表現得力學性能也是一致的；理論計算與試驗的結果較為一致。

圖5 全螺栓雙夾板連接節點

圖6 試驗裝置圖

1.3 削弱型節點構造

盧林楓等[11-12]對鋼梁進行改進，讓波紋形梁腹板代替普通腹板形式（如圖7 所示），并進行弱軸方向的抗震性能模擬分析。柱采用H 型鋼，在弱軸方向用蒙皮板與H 型鋼梁連接，試驗（試驗裝置如圖8所示）研究結果表明：弱軸方向的延性系數大于6.0，塑性轉動能力大于等于0.06rad，滿足規范要求的延性大于等于3.0 與塑性轉動能力大于等于0.03rad；在位移加載過程中，蒙皮板和與梁連接的焊縫基本均未達到屈服強度，實現了“強節點，弱構件”的抗震目標；文中建議削弱深度的參數取值范圍，在此參數范圍內取值節點會表現出比較理想的抗震能力。

圖7 箱型節點域弱軸連接節點

圖8 試驗裝置圖

何浩祥等[13-14]在狗骨式削弱型節點的基礎上，在翼緣削弱處用低屈服點的金屬材料填充原翼緣削弱部分（如圖9 所示）進行減震分析。具體方式是將梁端距離柱0.5bf～0.75bf（bf指梁的翼緣寬度）的位置開始開槽，削弱深度和削弱長度的取值區間分別為0.20bf～0.25bf與0.65hb～0.85hb（hb指梁截面高度），然后在開出的圓弧削弱區域填充低材性的鋼材。擬靜力試驗（試驗裝置如圖10 所示）結果顯示：低屈服點鋼對翼緣和腹板進行先削再填補，會先于其他地方屈服，并降低節點損壞程度；只有選擇合理的削弱和填補尺寸，才能更容易、更明顯的實現塑性鉸外移。

圖9 箱型節點域弱軸連接節點

圖10 試驗裝置圖

2 節點受力性能研究

2.1 摩擦型“塑性鉸”構造形式及力學性能

摩擦型“塑性鉸”[15-16]屬于梁端削弱型的新型裝配式節點，未發生地震及小震作用時，主要依靠限位螺栓及拼接板間靜摩擦承受外部荷載；當發生中震或大震作用時，限位螺栓被剪斷，此時傳遞剪力主要依靠加載旋轉螺栓，而實現地震下耗能主要方式是摩擦耗能。擬靜力試驗（試驗裝置如圖11 所示）結果表明：試件耗能分兩個階段，第一階段是由限位螺栓變形與拼接板相互轉動摩擦共同耗能，另一階段是限位螺栓剪斷后僅靠摩擦耗能；骨架曲線圖（如圖12 所示；其中PH-1 表示限位螺栓采用4.8級普通螺栓，PH-2 表示限位螺栓采用8.8 級高強螺栓）中顯示在普通抗剪螺栓剪斷后，承載力下降迅速，而后又保持數值穩定，采用高強螺栓因限位螺栓無法剪斷而導致限位螺栓孔發生擠壓變形，耗能能力強于前者。摩擦型“塑性鉸”構造形式新穎，但耗能能力主要和摩擦材料與旋轉加載螺栓的預緊力有關。當使用高強限位螺栓時容易造成拼接板的擠壓破壞，使用普通限位螺栓，在螺栓剪斷后，轉動摩擦力較小不能滿足承載力要求。

圖11 試驗裝置圖

圖12 骨架曲線

2.2 新型梁翼緣削弱型節點構造形式及力學性能

新型翼緣削弱型節點[17]通過在梁端設置旋轉單元和“狗骨式”耗能鋼板(即拼接板)實現地震作用下的精準耗能,拼接板（Q235B）的材性等級低于梁柱（Q345B）的材性等級，目的是保證梁柱節點焊縫的安全，且Q235B 鋼材的延展性較好。與梁腹板連接的單、雙連接板上均設置有限位螺栓孔，使梁柱相對轉角得到有效地控制。擬靜力試驗（試驗裝置如圖13 所示）結果顯示：拼接板厚度及削弱深度不同，新型節點分別呈現出不同的承載能力、耗能能力、延性等；新型裝配式節點能夠保證在試驗加載位移較大時不出現節點梁柱焊縫的脆性破壞；滯回曲線中出現了滑移現象，造成曲線整體呈反S 型，主要是由拼接板與梁翼緣連接的螺栓直徑比孔徑略小造成的；由于滑移現象存在，使骨架曲線（如圖14 所示；其中SJ-1 表示拼接板每邊削弱25mm、厚度為10mm 的試件，SJ-2 表示拼接板每邊削弱35mm、厚度為10mm 的試件，SJ-3 表示拼接板每邊削弱35mm、厚度為12mm 的試件，SJ-4 表示拼接板每邊削弱45mm、厚度為12mm 的試件）沒有明顯的屈服點，也造成節點延性系數值較小；拼接板的屈曲是造成節點承載能力下降的主要因素，防止拼接板過早的屈曲能夠有效地增加節點的延性；增加削弱深度會使節點在前期快速提高承載能力，但會使拼接板更容易屈曲；增加拼接板厚度能夠有效防止拼接板過早屈曲，從而增加節點的延性性能。控制拼接板屈曲的方法有增加拼接板的厚度、使用“T”形的拼接板、拼接板外設置防屈曲套筒等。另一方面是滑移現象降低了節點的轉動剛度，可以通過在梁翼緣和拼接板之間布置摩擦材料、增加加工精度減少孔隙等。

圖13 試驗裝置圖

圖14 骨架曲線

3 節點發展趨勢

1）裝配式鋼結構的抗震設計目標是實現“強節點，弱構件”，地震作用時新型節點首先要有較好的耗能能力，目前我國的新型鋼結構梁柱節點構造形式較多，但理論研究卻滯后于試驗分析，而實際工程需要根據需求對節點的各參數進行設計計算。所以對于擁有較好耗能能力的節點首要任務是進行理論研究，才能實現新型節點的廣泛推廣應用。

2）裝配式新型節點應用于模塊化鋼結構領域在我國已得到一定的發展，但即便有良好抗震性能的節點在實際工程中因樓板和墻板的存在，也很難有操作空間。同樣對于可替換耗能構件的新型節點也需要考慮能否實現震后耗能構件的替換。

3）目前新型節點的試驗研究以單個節點的試驗較多，也出現空間框架的試驗研究。但多層多跨的框架試驗極少，這一方面的研究內容較少也影響著新型節點在中高層建筑中的應用與推廣。