一種新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

馬振宇，朱 凱，汪慧琳

（蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215008）

2021 年10 月，中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)發(fā)布了《鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)“十四五”規(guī)劃及2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)》，提出鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)“十四五”期間發(fā)展目標(biāo)：到2025 年年底，全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)用量達(dá)到1.4 億t 左右，鋼結(jié)構(gòu)建筑占新建建筑面積比例達(dá)到15%以上。到2035 年，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用達(dá)到中等發(fā)達(dá)國(guó)家水平，鋼結(jié)構(gòu)用鋼量達(dá)到每年2.0 億t 以上，鋼結(jié)構(gòu)建筑占新建建筑面積比例逐步達(dá)到40%，基本實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)智能建造。2022 年2 月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃要求，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，擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件和部品部件使用規(guī)模，提高裝配式建筑綜合效益。規(guī)劃明確，裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%以上，預(yù)計(jì)到2035 年，建筑業(yè)發(fā)展質(zhì)量和效益大幅提升，建筑工業(yè)化全面實(shí)現(xiàn)，建筑品質(zhì)顯著提升，這預(yù)示著我國(guó)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)將有廣闊的發(fā)展空間，勢(shì)必推動(dòng)我國(guó)裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的快速發(fā)展。

在裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)中，梁柱連接節(jié)點(diǎn)一直是重中之重。梁柱節(jié)點(diǎn)處于結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，受力頗為復(fù)雜，往往處于復(fù)合受力狀態(tài)。梁柱節(jié)點(diǎn)對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的抗震性能有直接影響。此外，梁柱節(jié)點(diǎn)要和周邊預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行組裝，影響施工進(jìn)度。性能優(yōu)良的梁柱連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有安裝簡(jiǎn)單、快捷，變形能力強(qiáng)，延性性能好，不易發(fā)生脆性失效破壞。當(dāng)前，常用的做法有3 種：①局部改進(jìn)，對(duì)傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)的柱翼緣進(jìn)行加焊或補(bǔ)焊；②削弱型節(jié)點(diǎn)，削弱梁端翼緣截面或腹板截面，如“狗骨式”節(jié)點(diǎn)；③加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)，直接對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，如梁端翼緣加蓋板。本文研究的裝配式連接節(jié)點(diǎn)是采用節(jié)點(diǎn)端部箱體與拼接短柱焊接的方式來加強(qiáng)柱端，避免梁柱連接處斷裂，迫使塑性發(fā)展集中在節(jié)點(diǎn)端部箱體與豎腹桿空腹節(jié)間的弦桿處，確保節(jié)點(diǎn)具有良好的力學(xué)性能。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的鋼結(jié)構(gòu)裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)的研發(fā)工作，但是關(guān)于鋼管柱桁架梁節(jié)點(diǎn)的研究并不多。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系中，方鋼管柱截面構(gòu)件有以下優(yōu)點(diǎn)：①方鋼管截面對(duì)各主軸的慣性矩相同，有利于在不設(shè)置柱間支撐的情況下實(shí)現(xiàn)等穩(wěn)設(shè)計(jì)；②截面材料距離抗彎主軸較遠(yuǎn)，材料使用少，抗彎剛度大，經(jīng)濟(jì)性好；③閉口截面的抗扭剛度大；④可以和混凝土配合使用，顯著增強(qiáng)承載力和剛度；⑤相比于開口截面構(gòu)件，閉口方鋼管截面在同等承載力下，表面積更小，防腐防涂料用量更少。

本文提出了一種新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點(diǎn)，通過將桁架梁焊接于梁端箱體，箱體直接焊接于拼接短柱之上，拼接短柱嵌入至矩形鋼管柱中，并通過法蘭實(shí)現(xiàn)與鋼柱的可靠拼接。所提出的裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點(diǎn)解決了螺栓在鋼管柱內(nèi)部無法施加預(yù)緊力的問題，也能加快施工進(jìn)度，并具有可靠的力學(xué)性能。

1 裝配式梁柱連接節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀

馬強(qiáng)強(qiáng)等[1]提出了一種采用對(duì)穿螺栓連接的裝配式矩形鋼管柱與H 形鋼梁外伸端板節(jié)點(diǎn)。外套筒通過對(duì)穿螺栓與柱相連，既連接了上、下柱，還加強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)剛度，而水平蓋板的布置使得梁端塑性鉸外移，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。但該種節(jié)點(diǎn)并沒有解決對(duì)穿螺栓需要在柱截面二次開孔，柱截面被削弱的問題。Deng 等[2]提出了一種全預(yù)制抗損傷梁柱連接節(jié)點(diǎn)，對(duì)4 個(gè)足尺節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)正向初始剛度高于負(fù)向初始剛度，節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能能力和變形性能。Jiang 等[3]基于控制損傷的思想，提出了一種T 型抗震預(yù)制梁柱節(jié)點(diǎn)。對(duì)5 個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)可以有效利用法蘭蓋板的塑性變形及蓋板與螺栓的摩擦滑移進(jìn)行耗能；法蘭板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載能力以及屈服荷載有顯著的影響，合理選擇懸臂梁與普通梁段的間距可以保證節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)性能。Liu 等[4]提出一種新型全螺栓連接的方管柱桁架梁節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過法蘭板連接柱段，通過延伸的蓋板連接桁架梁。節(jié)點(diǎn)剛度可以通過調(diào)整螺栓的數(shù)量或尺寸來控制，并且隨著荷載經(jīng)歷階梯式變化。用有限元方法研究了不同摩擦系數(shù)、螺栓孔壁壓力和螺栓尺寸對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響。此外，還提出了滑移狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化計(jì)算公式。李普等[5]提出了一種方鋼管柱桁架梁連接節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)主要由方鋼管柱、桁架梁、槽鋼組成，桁架梁通過槽鋼與方鋼管柱連接。所完成的2 個(gè)足尺試件的單調(diào)加載與往復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果表明此類節(jié)點(diǎn)的破壞均始于腹桿，終于弦桿撕裂；Khan 等[6]提出了一種新型的預(yù)制螺栓連接梁柱節(jié)點(diǎn)，利用ABAQUS 軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明：在橫向荷載作用下，由于上下接頭之間存在間隙，導(dǎo)致了前梁的承載失效；柱榫的長(zhǎng)度、模塊間間隙對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載能力和結(jié)構(gòu)性能有一定的影響。

2 目前研究存在的不足

從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)可知，盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)已進(jìn)行一系列研究，但仍存在一定不足。

（1）國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼管柱桁架梁連接節(jié)點(diǎn)的相關(guān)研究較少，在現(xiàn)實(shí)中該類節(jié)點(diǎn)應(yīng)用并不廣泛；

（2）已有的裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)研究主要集中了鋼柱與型鋼梁連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，關(guān)于鋼管柱桁架梁連接節(jié)點(diǎn)的合理裝配構(gòu)造仍缺乏研究；

（3）鋼管柱節(jié)點(diǎn)能夠提高施工效率，加快施工進(jìn)度，但是對(duì)于套筒類節(jié)點(diǎn)，套筒與模塊之間不合理的間隙會(huì)大大影響施工效率。

3 試件設(shè)計(jì)

本文共設(shè)計(jì)了2 個(gè)足尺的裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點(diǎn)，試件編號(hào)Connection-1~2。裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點(diǎn)主要由方管柱、拼接短柱、高強(qiáng)螺栓及輕鋼桁架梁組成（圖1）。為確保桁架梁與鋼柱之間可靠連接，引入了矩形箱體與鋼柱可靠焊接。通常情況下，桁架梁的上、下弦桿采用幾字形冷彎薄壁型鋼，桁架梁腹桿采用矩形鋼管。桁架梁的弦桿與桁架梁端部矩形箱體之間采用焊接連接，豎腹桿、斜腹桿與弦桿之間采用自攻螺釘及焊接組合的連接方式。桁架梁可在工廠制作時(shí)預(yù)先安裝自攻螺釘，后進(jìn)行焊接，方便裝配。

圖1 裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點(diǎn)的組成

試件Connection-1 為該體系的T 形邊節(jié)點(diǎn)，桁架梁弦桿截面均為C80 mm×96 mm×3 mm 卷邊槽鋼，腹桿截面為□90 mm×30 mm×2 mm 矩形鋼管。試件Connection-2 為該體系的十字形中節(jié)點(diǎn)，桁架梁弦桿截面均為C80 mm×94 mm×2 mm 卷邊槽鋼，腹桿截面采用矩形鋼管□90 mm×30 mm×2 mm。所有試件弦桿兩端卷邊長(zhǎng)度分別為5 mm 和30 mm，腹桿與弦桿之間采用2 顆自攻螺釘和側(cè)面角焊縫連接。桁架梁與方鋼管短柱□94 mm×6 mm 相連，且該短柱兩端設(shè)計(jì)為錐形，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝就位。同時(shí)，為保證梁柱連接節(jié)點(diǎn)端部區(qū)域的可靠性，設(shè)計(jì)了拼接箱體，該箱體寬180 mm，高294 mm，采用厚度為6 mm 的鋼板制作。節(jié)點(diǎn)試件的詳細(xì)信息見表1。圖2 給出了4 個(gè)裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點(diǎn)試件的具體尺寸。

表1 裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)信息 mm

圖2 裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸（單位：mm）

4 應(yīng)用前景

這種新型裝配式節(jié)點(diǎn)具有易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、便于機(jī)械吊裝、裝配率高，可顯著縮短施工周期，便于拆卸異地重建。新型裝配式節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)鮮明，已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)中開展應(yīng)用。在實(shí)際施工過程中為解決套筒與模塊之間的間隙問題，加快施工速度，防止在安裝過程中出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，將所有拼接短柱上下端頭截面縮小，做成導(dǎo)向頭方便實(shí)際安裝。新型插入式連接節(jié)點(diǎn)，制作安裝簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)組合樓板、輕型桁架梁的一體化施工和快速吊裝，大幅度縮短施工工期，如圖3 所示。

圖3 新型插入式連接節(jié)點(diǎn)

一體化桁架梁組合樓蓋水平體系由桁架梁格、節(jié)點(diǎn)套管連接件、矩形鋼管次梁及壓型鋼板組合樓板4部分組成，如圖4 所示。桁架梁中弦桿與腹桿采用自攻螺釘連接，其余構(gòu)架采用焊接。一體化桁架梁組合樓蓋，實(shí)現(xiàn)樓蓋和桁架梁一體化，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，大幅度縮短施工周期，提高新型結(jié)構(gòu)的裝配率。

圖4 一體化桁架梁組合樓蓋水平體系

一體化桁架梁組合樓蓋水平體系運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，壓型鋼板組合樓板直接插入鋼管柱內(nèi)并通過高強(qiáng)螺栓實(shí)現(xiàn)連接，形成新型結(jié)構(gòu)體系如圖5 所示。由于樓蓋系統(tǒng)、套筒柱及輕鋼桁架梁均在工廠內(nèi)事先加工完成，相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)澆筑，工廠化制作的建筑模塊更具模塊化、參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，同時(shí)因?yàn)槭枪S內(nèi)預(yù)制，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)制作而出現(xiàn)的粉塵污染、噪聲污染等問題，更加符合現(xiàn)代綠色化生產(chǎn)的理念[7]。樓蓋系統(tǒng)、套筒柱、輕鋼桁架梁在工廠內(nèi)制作完成后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，將樓蓋系統(tǒng)的拼接短柱插入方管鋼柱內(nèi)，并通過法蘭板采用20 顆10.9 級(jí)M14 高強(qiáng)螺栓與鋼柱實(shí)現(xiàn)可靠連接，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的快速裝配。

圖5 裝配式輕鋼樓蓋系統(tǒng)

5 結(jié)論

本文提出了一種新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點(diǎn)，明確了該種節(jié)點(diǎn)的裝配方式及具體模塊尺寸，為套筒柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點(diǎn)的合理裝配構(gòu)造提供了新思路。該節(jié)點(diǎn)可以和一體化桁架梁組合樓蓋水平體系通過高強(qiáng)螺栓連接形成裝配式輕鋼樓蓋系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑的快速建造，無需焊接，避免了施工環(huán)境及施工條件造成的焊縫質(zhì)量得不到保證的問題。工廠內(nèi)預(yù)制可以減少噪聲、粉塵等污染，復(fù)合我國(guó)現(xiàn)代建筑綠色化生產(chǎn)的理念，同時(shí)建筑模塊也更加參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化，加速我國(guó)建筑工業(yè)化及產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。