裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅節(jié)點(diǎn)破壞研究

劉芳，閆百路 （吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，吉林 長春 130118）

0 前言

隨著城市化發(fā)展的加快，人們對住房需求顯著增加，促使各類住宅結(jié)構(gòu)快速發(fā)展，其中鋼結(jié)構(gòu)住宅就是其中之一。目前，傳統(tǒng)的住宅結(jié)構(gòu)體系大多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)建造多為現(xiàn)場作業(yè)，具有建造周期長、建筑高度受限、工程質(zhì)量難以把控和勞動力需求大等眾多特點(diǎn)[1]，而裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有綠色環(huán)保、輕量化、模塊化、易于拆解循環(huán)利用、人力投入少、部分工作可在工廠完成、對環(huán)境影響較小、可適應(yīng)高層或超高層建筑、建造周期短等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)建筑模式相比更具優(yōu)勢[2]。在2022 年，住建部印發(fā)《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的通知，當(dāng)中提到要大力發(fā)展裝配式建筑。構(gòu)建裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)體系，推動生產(chǎn)和施工智能化升級，擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件和部品部件使用規(guī)模，大力推廣應(yīng)用裝配式建筑，積極推進(jìn)高品質(zhì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)[3]。因此，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅是大勢所趨，尤其是裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅，將會是未來鋼結(jié)構(gòu)住宅的主體形式。基于此背景，本文將對裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅節(jié)點(diǎn)破壞研究成果進(jìn)行介紹和分析，并進(jìn)一步對節(jié)點(diǎn)破壞的研究做出總結(jié)。

1 節(jié)點(diǎn)類型

在歐洲規(guī)范Eurocode3[4]和美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會[5]（AISC）中分別將鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接分為剛性連接、半剛性連接和鉸接連接。其中剛性連接是完全約束，半剛性連接和鉸接連接是局部約束。

2 節(jié)點(diǎn)破壞研究現(xiàn)狀

日、美的震后調(diào)查報(bào)告顯示[6]，在同等級別的地震烈度和震幅作用下，盡管日美兩國鋼結(jié)構(gòu)存在構(gòu)造方式上的不同，但節(jié)點(diǎn)破壞形式卻表現(xiàn)相同。經(jīng)過對節(jié)點(diǎn)破壞的大量研究和試驗(yàn)，造成節(jié)點(diǎn)破壞的原因有以下幾點(diǎn)：①焊縫質(zhì)量，由于工程上對焊接節(jié)點(diǎn)質(zhì)量控制不嚴(yán)格、沒有成熟的工藝和較為系統(tǒng)的操作步驟等原因造成節(jié)點(diǎn)焊縫存在缺陷，使焊接節(jié)點(diǎn)的承載能力往往達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求；②三向應(yīng)力的集中，節(jié)點(diǎn)在承受三向應(yīng)力的作用下，連接處容易出現(xiàn)應(yīng)力分布復(fù)雜和應(yīng)力值過大的現(xiàn)象；③高溫因素的影響，由于火災(zāi)的影響，使節(jié)點(diǎn)構(gòu)件達(dá)到耐高溫極限，造成節(jié)點(diǎn)構(gòu)件發(fā)生燒熔現(xiàn)象，節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的優(yōu)勢未能發(fā)揮出來而引起的節(jié)點(diǎn)破壞。

2.1 焊縫質(zhì)量

張軍等[7]通過對梁柱節(jié)點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)的研究，得到了節(jié)點(diǎn)破壞過程、破壞模式、承載能力和滯回性能。試驗(yàn)表明，不同角鋼鋼肢厚度和破壞模式對節(jié)點(diǎn)的剛度會產(chǎn)生不同程度的影響；其中不同角鋼形式對節(jié)點(diǎn)承載能力的影響較小，而厚度的提高會大大降低節(jié)點(diǎn)的延性。文獻(xiàn)等[8-10]通過對承受梁端加載的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅鉸接節(jié)點(diǎn)的研究，采用足尺十字形梁柱節(jié)點(diǎn)為簡化對象，分析了箱型柱厚度、軸壓比和斜支撐對節(jié)點(diǎn)性能的影響，還將試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬進(jìn)行了對比。試驗(yàn)表明，柱截面尺寸變大，柱子承載能力也將加強(qiáng)，從而其破壞位置將從柱端向梁端轉(zhuǎn)變。

李亮亮[11]、陳學(xué)森[12]、烏蘭托亞[13]等人通過對螺紋錨固單邊螺栓連接節(jié)點(diǎn)的拉伸試驗(yàn)，獲得了節(jié)點(diǎn)的破壞特征，以及不同鋼管壁厚對節(jié)點(diǎn)破壞模式和承載能力的影響規(guī)律；并且還建立了有限元模型來驗(yàn)證其結(jié)果的可靠性。相關(guān)文獻(xiàn)[14-18]等通過對高強(qiáng)度螺栓連接的內(nèi)套管加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的研究，結(jié)果表明，鋼管柱在循環(huán)荷載作用下只承受螺栓上的軸向拉力，并且使節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)向內(nèi)的屈服狀態(tài)。

2.2 三向應(yīng)力的集中

謝甫哲等[19]通過對不同類型節(jié)點(diǎn)在彈塑性狀態(tài)下的靜力和動力非線性分析的研究，得出剛性連接節(jié)點(diǎn)在彈塑性階段以剪切變形為主，且對比出新型剛接節(jié)點(diǎn)組件模型能充分表達(dá)出節(jié)點(diǎn)的受力情況，而傳統(tǒng)剛接節(jié)點(diǎn)組件模型在結(jié)構(gòu)小變形的彈塑性作用下可以較好顯示出節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)。孟哲等[20]以裝配式住宅鉸接節(jié)點(diǎn)為研究對象，采用模擬仿真的方式對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，試驗(yàn)論證了節(jié)點(diǎn)在單軸受力狀態(tài)下，X和Y向水平傾覆力能力比傳統(tǒng)的方式更突出，且兩者的破壞形式幾乎相同，均呈現(xiàn)于斜壓破壞形式。

魏麗等[21]利用5 種等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法對裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱的剛性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究。利用ABAQUS 對不同設(shè)計(jì)方法的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步研究了梁翼緣拼接板長寬厚、預(yù)留長度和梁腹拼接板厚度等參數(shù)對節(jié)點(diǎn)的影響；還總結(jié)出在節(jié)點(diǎn)承受低周反復(fù)荷載和單調(diào)靜力荷載作用下合理取值范圍。郭瑞霞等[22]通過有限元ANSYS 軟件對裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅半剛性節(jié)點(diǎn)的非線性模擬分析，獲得了節(jié)點(diǎn)在受力狀況和塑性變形下的破壞過程；將理論結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比，得出非線性模擬研究充分體現(xiàn)了半剛性節(jié)點(diǎn)承載能力的變化規(guī)律和該方法的可行性。張愛林等[23]通過利用軟件ANSYS 分析了齊平板半剛性節(jié)點(diǎn)在靜力荷載和循環(huán)荷載作用下的受力情況，試驗(yàn)結(jié)果表明，通過改變柱翼緣和端板的厚度、螺栓排列組合和節(jié)點(diǎn)區(qū)域加肋等方法，可使節(jié)點(diǎn)的彎矩值發(fā)生改變，并推出改善柱翼緣厚度和加勁肋對提升節(jié)點(diǎn)承載能力具有明顯的優(yōu)勢。

2.3 高溫因素的影響

Ding等[24-25]為了探討如何促進(jìn)組合節(jié)點(diǎn)耐火極限的設(shè)計(jì)方法，對高溫下不同連接形式對鋼管混凝土柱-鋼梁復(fù)合節(jié)點(diǎn)的耐火極限以及其溫度場分布的影響規(guī)律進(jìn)行了研究分析。研究結(jié)果顯示：在火災(zāi)作用下試件溫度的分布規(guī)律吻合較好，且組合節(jié)點(diǎn)的耐火極限因連接方式存在明顯差異。相關(guān)文獻(xiàn)[26-27]等通過對平齊短板組合節(jié)點(diǎn)的研究，結(jié)果表明組合節(jié)點(diǎn)在高溫條件下，節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度和破壞模式會發(fā)生變化，并且節(jié)點(diǎn)破壞是先從高溫區(qū)域開始，逐漸向低溫區(qū)域發(fā)展。

王廣勇等[28]為研究荷載比對節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)下力學(xué)性能的影響，采用軟件ABAQUS 建立精細(xì)化模型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)的變形和破壞主要是由于梁和柱的溫度高于核心區(qū)的溫度。強(qiáng)旭紅等[29-30]通過ABAQUS 有限元軟件建立影響高強(qiáng)鋼端板連接節(jié)點(diǎn)的有限元模型，研究表明：在火災(zāi)條件下，端板強(qiáng)度的增加可以提高節(jié)點(diǎn)的承載能力，因此在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中提高螺栓強(qiáng)度防止節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)后轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈缘氖Ｊ健?/p>

3 結(jié)論與展望

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者基于理論和試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?jié)點(diǎn)進(jìn)行了廣泛的研究，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅節(jié)點(diǎn)上取得了較多的研究成果，也進(jìn)一步形成了比較系統(tǒng)的知識體系。一方面，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的研究還存在較大的局限性：

①大跨度鋼管焊接節(jié)點(diǎn)方面，一般都是集中考慮節(jié)點(diǎn)脆性破壞的研究，對這種連接方式研究成果較少；

②焊縫質(zhì)量，在施工過程如何避免節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)焊縫缺陷和殘余應(yīng)力等問題的研究；

③節(jié)點(diǎn)加固措施，以往研究主要從改變節(jié)點(diǎn)附近構(gòu)件的尺寸等參數(shù)或者采用新型的節(jié)點(diǎn)連接方式等方法，這類研究的結(jié)果較多未能形成明確的準(zhǔn)則；

④火災(zāi)中節(jié)點(diǎn)破壞的研究，由于鋼材自身耐高溫性能較差，大多數(shù)研究者選擇以鋼材作為研究對象，針對節(jié)點(diǎn)研究理論成果較少。

另一方面，由于裝配式高層住宅人員密集、功能復(fù)雜、消防手段的發(fā)展滯后于高層建筑的建造技術(shù)發(fā)展，因此，在防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域研究裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅的抗火問題將具有重大研究價(jià)值。