鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點技術綜述

劉 康

（國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

自20 世紀70 年代鋼管混凝土柱在建筑領域得到大力推廣后，關于鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點的專利的技術要點與該領域的整體技術要點是一致的，鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點領域的重點研究解決的技術問題可以總結為以下幾點：（1）增加強度；（2）提高抗震性能；（3）提高混凝土澆筑質(zhì)量；（4）提高節(jié)點安裝的便捷性；（5）降低造價。通過對鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點的相關專利進行了分析研究，歸納出了該領域為了解決前述五個技術問題而主要進行的四個改進方向，由圖1 可以看出，主要改進方向包括：（1）鋼管混凝土柱的截面形式；（2）梁的材質(zhì)與形狀；（3）連接件的結構；（4）加工工藝。本文主要根據(jù)節(jié)點受力形式對鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點進行分類，并分析其技術發(fā)展。

圖1 各國鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點技術專利申請量

連接件的結構是解決相關問題的最主要的改進方向，各改進方向彼此相互關聯(lián)，因此，在對鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點技術分析時，以連接件的結構的改進為技術主線，同時結合鋼管混凝土柱的截面形式、梁的材質(zhì)與形狀、加工工藝等方面進行分析。

1 鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點的技術發(fā)展

1.1 鋼管混凝土柱與梁的鉸接節(jié)點技術

鉸接節(jié)點的受力與構造相對比較簡單，但只能夠傳遞較小的彎矩，鉸接節(jié)點主要應用于梁端剪力的傳遞，因此，針對鉸接節(jié)點的研究較少，且主要集中在鋼管混凝土應用的早期，鉸接節(jié)點按梁的形式分為鋼梁鉸接節(jié)點和混凝土梁鉸接節(jié)點，最初典型的鉸接節(jié)點就是將鋼梁腹板與柱體螺栓相連。1975 年新日本制鐵株式會社發(fā)明了一種方鋼管混凝土柱與I 型鋼梁的鉸接節(jié)點[1]，但是該節(jié)點側板的焊接要求較高且連接處抗剪性能較差；隨后日本鋼管株式會社發(fā)明了一種鋼管混凝土柱與I 型鋼梁的鉸接節(jié)點[2]，I 型鋼梁僅通過一端的腹板與固定在柱體上下環(huán)板間的肋板用螺栓相連接，該肋板三面焊接，抗剪性能得到了加強，同時由于設置了環(huán)板，該形式的連接節(jié)點能夠適應不同截面形狀的鋼管混凝土柱。

近年隨著技術發(fā)展，又衍生出了一種在兩個同心設置的鋼管之間灌注混凝土的新型鋼管混凝土結構，其與傳統(tǒng)的鋼管混凝土柱相比具有承載力高、自重小、防火性能好等優(yōu)點，因此，適應復式中空鋼管混凝土柱的鉸接節(jié)點也應運而生[3]；此外，各種型材在梁柱中的廣泛應用，也促進了節(jié)點結構的適應性發(fā)展，如韓國MYONG HWA ENG 公司發(fā)明了一種通過型材拼裝而成的梁柱的鉸接節(jié)點[4]，該鋼管混凝土柱的管體由L 型鋼和Y 型鋼拼裝而成，梁由T 型鋼組裝而成。可以看出，隨著技術發(fā)展，鉸接節(jié)點本身的連接結構并未發(fā)生較大變化，都是通過端板與梁腹板螺栓連接，主要是適應日趨豐富的梁柱形式。

1.2 鋼管混凝土柱與梁的半剛接節(jié)點技術

將受力狀態(tài)下鋼管混凝土柱的軸線與梁的軸線之間的夾角發(fā)生變化的梁柱節(jié)點稱為半剛接節(jié)點，會造成結構內(nèi)力的重新分布，結構的受力情形比較復雜，且產(chǎn)生的變形較大，針對半剛接節(jié)點的設計和應用需慎重對待，因此，其發(fā)展時間相對鉸接節(jié)點較晚，應用較少。但半剛接節(jié)點的優(yōu)點也很突出，日本鋼結構協(xié)會（2003）總結的半剛接節(jié)點的優(yōu)點如下：（1）因為允許節(jié)點處產(chǎn)生相對變形，從而能緩和桿件內(nèi)應力集中現(xiàn)象；（2）半剛接節(jié)點在受地震荷載作用時，能夠通過變形耗能，進而降低結構位移過大的風險；（3）更加便于災后修復工作的實施；（4）與完全剛接節(jié)點或鉸接節(jié)點相比，半剛接節(jié)點更接近結構的實際工況；（5）施工和質(zhì)量管理更易操作，隨著受力分析手段先進化，近年來半剛接節(jié)點的研究有增多的趨勢。傳統(tǒng)的半剛接節(jié)點主要采用摩擦型高強螺栓和/或連接件實現(xiàn)連接，而連接件主要有端板、T 型鋼和角鋼。目前，國內(nèi)外針對半剛接節(jié)點的研究方向大體一致，主要集中在如下幾方面：（1）如何半剛接節(jié)點的裝配更方便，受力性能更優(yōu)異；（2）通過半剛接節(jié)點試驗的力學實驗結果，模擬分析實際工況下半剛接節(jié)點的工作性能；（3）研究從單獨的構件向整個體系方向轉變。

2006 年新日本制鐵株式會社發(fā)明了一種螺桿半穿心方鋼管混凝土柱與工字梁的連接節(jié)點[5]，其通過并排的螺桿與連接板焊接，再通過連接板螺栓連接工字鋼梁，實現(xiàn)了節(jié)點的彈性連接，由于該連接方式采用螺桿插入鋼管混凝土柱中，既保證了連接剛度又減少了對鋼管強度的削弱，同年清水建設株式會社發(fā)明了一種錨筋半穿心方鋼管混凝土柱與型鋼混凝土梁的連接節(jié)點[6]，其梁端直接與半穿心的錨筋端部焊接。

2009 年清華大學發(fā)明了一種采用單向緊固螺栓進行緊固連接的中空夾層鋼管混凝土柱－鋼梁節(jié)點（CN101624842A），其在兩個同心設置的鋼管之間灌注混凝土形成鋼管混凝土柱，鋼梁通過端板組件與鋼管混凝土柱固定連接，其中端板組件的一側緊貼外鋼管管壁，另一側和鋼梁相連，再利用單向緊固螺栓組件依次穿過端板組件、外鋼管和內(nèi)鋼管，從而將鋼梁螺栓連接到鋼管混凝土柱上，該連接節(jié)點傳力路徑明確，可以有效承擔彎矩、軸力和剪力，力學性能良好，并且可以根據(jù)不同需要設計成剛接、半剛接或鉸接節(jié)點，可以看出，該發(fā)明將同心鋼管混凝土柱與鋼梁的連接節(jié)點做了靈活設計，從而能夠實現(xiàn)按需在剛接、半剛接或鉸接節(jié)點三種不同形式下的切換；此外，夏磊研究團隊還研究了采用鋼管混凝土半剛性連接節(jié)點的框架結構的動力、靜力性能，并通過分析水平及豎向荷載對框架結構的影響，得出隨著鋼管混凝土半剛性連接節(jié)點轉動剛度的增大，鋼管混凝土半剛接節(jié)點框架中的彎矩和撓度均減小，梁端彎矩增大，又對框架結構進行地震作用力分析，得出隨著半剛接節(jié)點轉動剛度的逐漸減小，框架結構底層所承受的最大剪力減小，框架結構整體的自振周期增大[7]。

1.3 鋼管混凝土柱與梁的剛接節(jié)點技術

剛接節(jié)點是目前研究最為成熟的鋼管混凝土柱與梁的節(jié)點形式，主要包括外加強環(huán)節(jié)點、內(nèi)加強環(huán)節(jié)點、環(huán)梁式節(jié)點、錨定式節(jié)點、十字板節(jié)點、鋼筋貫通式剛接節(jié)點、鋼牛腿節(jié)點等形式。

當采用鋼梁時，為了保證節(jié)點工作的整體性和可靠性，可在梁的翼緣平面位置設置加強環(huán)，1994 年清水建設株式會社發(fā)明了一種鋼管混凝土柱與I 型鋼梁的連接節(jié)點[8]，柱體外圍在鋼梁上下翼緣處形成了向外延伸的上下環(huán)板，鋼梁的上下翼板分別與上下環(huán)板相連接，鋼梁腹板與上下環(huán)板間的肋板螺栓連接。Choi 等研究比較了“無加強環(huán)板”“無焊接T 型外加強環(huán)板”和“環(huán)向錨筋外加強環(huán)板”等構造的工作性能，結果表明，具有外加強環(huán)板的節(jié)點比無加強環(huán)板的節(jié)點的剛度高，此外，焊接外加強環(huán)板和環(huán)向錨筋外加強環(huán)板等類型的節(jié)點都還表現(xiàn)出了良好的延性[9]。

戶田建設株式會社（2006）發(fā)明了一種帶逸氣孔的內(nèi)加強環(huán)[10]，設置在內(nèi)加強環(huán)四周的逸氣孔減少了鋼管混凝土柱內(nèi)氣體的積聚，從而防止了混凝土澆筑不密實的現(xiàn)象；為了不縮減樓梯間的有效寬度以及不影響美觀與視線，武鋼技術中心科技大廈在管柱體直徑只有500mm 的情況下，仍然采用內(nèi)加強環(huán)板，并且為了方便管內(nèi)混凝土的澆搗，在內(nèi)環(huán)上各開了四個φ25 透氣孔[11]。

此后，我國華東建筑設計研究院發(fā)明了一種分段式的內(nèi)加強環(huán)[12]，在承力大的部位的內(nèi)加強環(huán)選用較厚板材，在承力小部位采內(nèi)加強環(huán)用厚度較薄的板材，通過這種厚度上差異化設置，加強環(huán)的寬度可以＜0.25倍鋼管混凝土柱直徑，從而解決內(nèi)加強環(huán)寬度過大影響向鋼管柱內(nèi)澆筑混凝土的問題，并且通過實驗驗證這種分段式內(nèi)加強環(huán)節(jié)點形式具有安全、合理的受力性能，其經(jīng)濟性也得到顯著提升。

2 鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點的專利分析

國內(nèi)外專利申請情況：通過對相關專利文獻進行分析發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土與梁的連接節(jié)點的專利申請以日本居多，始于20 世紀70 年代，進入90 年代專利申請量達到高峰，申請主體為日本的幾大建筑公司，我國的相關專利申請自2000 年以來逐漸增多，參見圖1。

日本申請人中以幾大建筑公司和鋼鐵公司為主，包括鹿島建設株式會社、清水建設株式會社、株式會社竹中工務店、日本鋼管株式會社和新日本制鐵株式會社等，而我國申請人則以高校為主體。（兩國專利對比如表1）

表1 中國與日本專利申請對比

3 總結

本文對鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點技術進行了梳理，對三大類型——鉸接節(jié)點、半剛接節(jié)點和剛接節(jié)點的技術發(fā)展歷程進行了詳盡的分析。

然后，對中日兩國的專利布局特點及其原因進行了分析。從技術發(fā)展的角度來看，2007 年之前，日本引領了鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點技術的發(fā)展，發(fā)明了類型多變的節(jié)點形式，包括摩擦型高強螺栓半剛接節(jié)點、連接件半剛接節(jié)點、外加強環(huán)節(jié)點、內(nèi)加強環(huán)節(jié)點、環(huán)梁節(jié)點、錨定式節(jié)點、十字板節(jié)點、鋼筋貫通式節(jié)點及鋼牛腿節(jié)點等類型；2007 年之后，中國開始加大該領域的研究，對上述各類型節(jié)點進行了豐富和改進。

本文通過分析鋼管混凝土柱與梁的連接節(jié)點技術演變發(fā)展過程，對于該技術的趨勢進行了展望：（1）遵循“ 強柱弱梁,節(jié)點更強”的原則；（2）提高節(jié)點抗震性能；（3）提高混凝土澆筑質(zhì)量；（4）提高安裝的便捷性；（5）降低造價。