某鋼結構裸節點和組合節點弱軸力學性能研究

馮俊杰

常規結構設計通常會把梁柱連接節點假定為理想剛接或者鉸接來進行處理，隨著國內外眾多學者對鋼結構節點的分析研究越來越深，學術界普遍認為鋼節點是具有一定轉動剛度的。本文的研究工作是基于組件與節點相關關系展開的：設計中考慮了樓板組合效應的組合節點，通過單向加載試驗與相應裸節點的力學性能進行了對比分析，重點考察了組合樓板對節點的力學性能產生的影響。

高層鋼結構框架的節點一般都采用柱貫通型的連接, 典型梁柱節點構造形式為梁柱之間螺栓連接或焊接,樓蓋常采用混凝土或壓型鋼板組合樓板, 但目前在鋼框架結構節點設計時卻忽略了混凝土樓板對節點承載性能的影響, 而僅將混凝土層的組合作用作為安全儲備。在對于整體結構的內力及剛度分布所造成的影響尚不清楚的情況下, 這樣的設計處理方式很有可能是不安全的。因此，樓板相對于鋼節點的組合效應的研究是非常必要的。

一、試驗模型

為了驗證組件模型理論分析的正確性，進行了兩類工程中常用到的弱軸節點的加載實驗。裸節點試件TS1, 柱截面HM244×175×7×11，梁截面HM194×150×6×9；裸節點試件TS2，柱截面HM244×175×7×11， 梁截面HM194×150×6×9。鋼材等級為Q235 級，所有焊縫均為一級焊縫，螺栓采用10.9 級摩擦型高強螺栓。相應組合節點試件為TS3 及TS4，樓板與鋼梁之間通過抗剪栓釘進行連接。經混凝土設計規范驗算，混凝土樓板有效寬度為1200mm，厚度為135mm。在梁長方向每米布置9 根直徑為10mm 的鋼筋，在寬度方向每米布置6 根直徑為10mm 的鋼筋，保護層厚度為25mm。具體節點構造詳圖1。

圖1 節點詳情

試驗主要包括了兩組中柱節點的對稱加載試驗和受力組件的材性試驗，柱底由四根高強螺栓固定于剛性基礎板上，柱頂由螺栓固定后再由千斤頂施加軸力。梁兩端采用千斤頂同步對稱加載，同時設置了位移計和荷載傳感器來保證數據的同步性。

二、數據分析

通過對以上四組節點的實驗分析，可以明確發現，組合樓板對于整個弱軸節點剛度是有非常重要的影響。

大部分裸節點的梁端截面沿中和軸呈對稱分布形式，因此在進行加載試驗時正彎矩作用與負彎矩作用并沒有太大的區別，本文以裸節點的負彎矩作用下的力學性能來表征其力學性能；當考慮了樓板的組合作用之后，節點在正彎矩和負彎矩作用下的力學性能表現出較大的差異，因此本文對于組合節點的試驗，首先分別考查了其在正負彎矩作用下的初始轉動剛度，最終的節點性能指標是在負彎矩加載得出的，此種加載模式也更加符合框架體系的實際工況。

四組弱軸節點的主要試驗結果列于表1。

表1 試驗結果

如表1 所示，組合節點的承載力要遠大于裸節點，考慮了樓板的組合效應后節點的剛度有很大的增加，在本文設計的試件中，節點剛度以及轉角都發生了量綱級的變化。同時節點的破壞形式也有不同，裸節點的破壞模式主要發生在鋼結構部分（端板屈服、角鋼屈服等），組合節點的破壞模式主要發生在樓板部分（混凝土開裂、鋼筋屈服等）。具體分析如下：

1.裸節點

本章中設計的所有試件均為中柱節點，因此節點兩端為對稱同步的加載方式，對于弱軸節點來說，可以忽略柱腹板對整個節點的剛度貢獻。圖2 給出了TS1和TS2 的彎矩轉角曲線，每個試件左右兩邊的彈性階段的曲線數據基本吻合，但是進入塑性階段后曲線產生了一定差距。產生這種差異的原因在于：一方面當加載進入塑性之后，節點域的塑性變形會有一定的隨機性從而導致曲線的不規律性；另一方面對稱布置的作動筒在塑性階段是受位移控制的，同時也在向采集系統反饋荷載數據，在反饋的過程中由于液壓的不協同性導致兩端的同步性出現偏差，從而導致了兩端的不平衡彎矩的產生。

圖2 TS1和TS2的彎矩轉角曲線

2.討論與評估

TS1 和TS2 最終的破壞模式都有較大的鋼結構構件的塑性變形，節點最終的破壞模式是以構件產生了大變形從而不能滿足結構的正常使用極限狀態來判斷的。TS1 在梁端板上部位置產生了較大的平面外變形，下部基本沒有變形，連接端板的兩排螺栓都是處于受拉狀態，因此端板上下兩排螺栓都可按照受拉的單向彈簧來進行處理，對于端板的上翼緣則可以按照受彎彈簧來進行處理。TS2 的主要破壞部位是角鋼部分，其中腹板角鋼產生了明顯的拉彎變形，底部角鋼有明顯的受彎變形，螺栓有明顯的彎曲變形。此類弱軸節點與構造較為復雜，既要考慮到角鋼的拉彎剛度又要考慮到螺栓的受拉變形和受彎變形。為了簡化模型，可以將腹板處的雙腹板角鋼以及相應的螺栓簡化為受拉T 型件來處理。

3.組合節點

組合節點的節點力學性能受混凝土樓板的影響非常大，并且考慮了混凝土樓板后組合樓板在正負彎矩作用下的力學性能也是有差別的。本次實驗是在負彎矩作用下加載至試件破壞的。通過表1 可以看出，不同荷載工況下同一節點的初始轉動剛度有很大的區別。圖3 給出了兩組組合節點在不同荷載工況下的彎矩轉角曲線，可以看出，組合節點在正彎矩作用下的節點剛度要大于其在負彎矩作用下的節點剛度。在正彎矩作用下，組合節點中起主要作用的力學組件是處于受壓狀態的混凝土樓板，在負彎矩作用下，組合節點中起主要作用的力學組件是混凝土樓板中的受拉鋼筋。

圖3 TS3和TS4的彎矩轉角曲線

4.討論與評估

組合節點的破壞模式與裸節點的破壞模式基本不同，組合節點的破壞主要發生在混凝土樓板，整個節點的彎曲變形較小，試驗最終是以混凝土的壓潰為標準來判斷節點失去承載力。當節點受負彎矩作用時，節點域的轉動中心位于梁下翼緣與柱腹板的交界處，混凝土樓板的抗拉性能可以忽略。當節點受正彎矩作用時，節點域的轉動中心位于混凝土樓板內部，裸節點部分處于受拉狀態，此時混凝土樓板中的鋼筋受壓性能可以忽略。隨著加載的進行，底部壓型鋼板與混凝土樓板脫開。混凝土樓板開裂方式略有不同，對于TS3 來說樓板裂縫是以柱為中心向四周發展的，而TS4 的樓板裂縫則是沿著混凝土板的有效寬度方向均勻開裂的，造成這種差異的原因在于TS3 的裸節點剛度要高于TS4的裸節點剛度，從而造成了TS3 節點核心區裸節點與組合樓板之間的相互約束要略高于TS4 的相互約束。

三、結語

本文通過裸節點和組合節點的弱軸單向加載試驗，綜合對比了樓板的組合作用對整個節點體系的影響，通過試驗發現，考慮了樓板的組合作用后的節點力學性能較裸節點有非常明顯的變化，并且這些變化是不可忽略的。結論如下：

（1）考慮了樓板的組合效應后的組合節點在力學性能考察方面具有方向性，分為正彎矩作用和負彎矩作用，同時混凝土受壓性能和鋼筋受拉性能作為新的力學組件考慮到組合節點中。

（2）裸節點的破壞模式主要集中在鋼結構部分的節點域，由于鋼材良好的延性導致整個裸節點體系的破壞模式是以正常使用極限狀態來主導判斷的；組合節點破壞模式主要集中在混凝土樓板中，混凝土的延性較差導致整個組合節點體系的變形不會特別大，此時應該按照承載力的極限狀態來主導判斷。