一种新型的钢结构连接

刘 猛，相仁凤

（辽宁工业大学，辽宁锦州121001）

一种新型的钢结构连接

刘 猛，相仁凤

（辽宁工业大学，辽宁锦州121001）

钢框架结构在现代社会的应用越来越广泛，其梁柱连接是整个框架结构设计的重点，梁柱连接性能的好坏直接关系到整个框架结构的安全性。通过研究综合各种连接的优势，将螺栓铸钢支架和带有狗骨式梁翼缘的ConXtech连接相结合，形成一种新型的连接方式，更好地增加了节点延性，在地震发生时可以抵抗更大的变形，提高了结构的稳定性。

钢框架；梁柱连接；新型连接

0 引言

钢结构由于自重轻、强度高、延展性好等优点，被广泛地应用于工程建设中。在钢结构设计中，梁柱连接的节点设计是重中之重。许多钢结构建筑都是由于节点的破坏而造成了整体的毁坏。这种破坏是不可恢复的，造成的损失也是不可估量的。1994年美国Northridge地震中钢结构建筑的节点出现了500多处的脆性破坏。因此，国内外科研人员就梁柱节点做了大量研究，在传统连接方式基础上，提出了一些新型连接方式。所谓新型连接，是指在传统连接的基础上，与传统普通节点相比，运用了一些更先进、更特别的节点连接方式，更好地保证节点安全，更好地实现“强柱弱梁”“强节点弱构件”的设计理念。这种新型的连接方式在改善节点延性和耗能方面发挥了积极的作用。同时一些新型连接技术开始出现在市场上，并获得了众多工程师的一致认可。目前，通过用于工程实际的传统连接包括：梁削弱型连接、翼缘板扩大型连接和无需加固的焊接边缘。另外，在梁的上下翼缘采用T连接也较广泛地应用于工程实践。本文介绍了一种更经济更有效的方法来设计钢框架连接，这种连接方法能够改善建筑物的性能，在经历大地震后可以更快速地进行修复，这将为传统的连接设计提供一定优势。

1 典型节点连接

在标准规范中列举的一些新型连接包括Kaiser螺栓支架和ConXtech现场拼接。目前正处于模拟测试阶段的其他连接包括侧板、腹板和销保险丝连接。侧板连接系统可以提高连接的可靠性，因为侧板连接仅采用角焊缝和不完全熔透的坡口焊缝，另外侧板连接还进行了其连续性倒塌试验，结果表明该连接改进了自身技术性要求等方面的应用；腹板连接极大提高了低周反复疲劳性能，而且能够在经历大型地震后不倒塌；销保险丝连接采用的是一种熔断机制，在结构破坏还没有达到预期的转动能级时用摩擦滑动代替材料屈服来消散能量。

1.1 Kaiser螺栓支架

Kaiser螺栓支架（KBB） 的连接如图1所示。其构件连接用的是铸造高强度钢支架，支架附着在每个梁翼缘上，可以焊接到梁翼缘上，也可以通过螺栓固定在梁翼缘上，然后用高强螺栓将支架固定在柱翼缘上。支架与梁的全部抗弯能力成正比，当遭受大的地震产生变形时，连接力屈服且梁上形成塑性铰。铸钢件连接件在装运给工程制造商之前，每一个支架都经历了严格的质量控制过程。在工厂车间，支架被系附在梁上，然后现场用螺栓固定在柱上，这消除了所有的现场焊接问题。为确定安装误差，支架柱螺栓孔是垂直的短槽而且孔的尺寸稍微会大一点。为增强钢框架的承载力，通过螺栓固定的支架可以用在改造应用方面，比如说Northridge地震前的建筑，可以提高其弹性和连续性抗倒塌的冗余等级。建筑物使用过程中，螺栓支架的改造排除了对人类健康的危害以及焊接改造可能带来的火灾危险。排除现场焊接通常也可以降低与制造和检查有关的费用。

图1 Kaiser螺栓支架连接

1.2 ConXtech连接

ConXtech连接如图2所示。ConXtech构件连接包括梁、柱、环组件，这些组件通过高强螺栓预应力锚件形成了一个压缩环连接。在方形柱和工字梁之间，这些锚件提供了严格的双向轴向定位，压缩环被焊接到方形柱的四个角上通过焊接连接到宽翼缘梁的顶底翼缘上，此种连接最多可接受四个弯矩连接梁和一个柱截面，由ConXtech连接建立了一个直立、稳固的结构。为满足梁柱屈强比的限制，可以对梁单元进行削弱，提供足够的强度来抵抗梁屈服。

图2 ConXtech连接

1.3 销保险丝连接

销保险丝连接如图3所示。

图3 销保险丝连接

销保险丝连接由Skidmor、Owings和Merrill三人创造，此连接处包含一个弧形板，邻近梁柱连接处，其端部用摩擦型螺栓和一个钢销或空心管连接。嵌套的弧形板之间用刚垫片填筑，这样钢板彼此之间可以相对移动，以销为旋转中心就形成了一个旋转铰。摩擦型螺栓将弧形板和垫片紧紧锁住在一起，并提供旋转阻力来承受梁单元上的负担。销抵抗梁上的剪力和轴向荷载。设计中螺栓用来维持风荷载和中等地震中产生的连接刚度。在更大的地震事件中，设计在开槽空洞处的螺栓可以滑动，通过摩擦阻力来消耗地震能量。这项连接对体系来说充当着保险丝的作用，设计的钢框架在整个旋转过程中保持着弹性。震后发现，结构框架保持相对稳定，并没有出现极大破坏，仍有抵抗破坏的能力。通过松开和拧紧螺栓等协助措施，可以回归到邻近的初始位置，从而降低了潜在的或永久性残余变形。框架和连接处保持着结构完整性，并且降低了结构维修的费用。

在典型的表现良好的公共领域钢框架中，我们期望在整个的抗弯矩梁上都出现显著的塑性铰，如果不出现显著的塑性铰，将会导致建筑物发生偏移，而且还可能降低钢框架的强度和刚度，从而影响承担极限荷载的能力。销保险丝连接恰好是一项全部通过螺栓连接的现场连接方式。柱子是预制的，通过一个短梁柱和一个圆形镀金板连接而成；梁也是预制的，在每个梁的端部匹配一个圆形板，然后悬挂和固定在梁根部。考虑到施工带来的偏差和先后顺序不同，沿其长度方向拼接梁是十分必要的。这项连接也有足够能力容纳支架和减震器附件。

其他新型连接还包括开槽腹板连接、侧框板连接等等。开槽腹板连接是由地震结构设计协会（SSDA）研发的连接方式，即在梁翼缘的内侧开创一个水平槽来分割梁的翼缘和腹板，开槽将梁单元分割开来，这样剪力就由腹板全部承担，而梁上的弯矩则由翼缘承担。SSDA声称此种连接方式可更好地控制韧性梁屈服，延长其使用寿命。而侧板连接的原理是使用一系列的水平板覆盖于翼缘腹板之上，然后现场进行角焊缝焊接，这样即可以在宽翼缘的梁柱之间创造刚硬牢固的连接。

2 新型节点连接

2.1 新型节点连接方法

在前人研究的基础上，综合各种连接的优势，将螺栓铸钢支架和带有狗骨式梁翼缘的ConXtech连接结合，充分考虑两种连接中节点的优势。新型连接如图4所示，这种新型的连接方式更好地增加了节点延性，地震发生时可抵抗更大的变形，保持结构的稳定性。

图4 新型连接模型

ConXtech铸钢件连接包括高强铸钢支架和RBS钢梁以及方箱型柱。制造工厂里，梁的上翼缘通过削弱成狗骨式形状，在强大地震作用下，梁端出现塑性区并通过塑性铰的形成和转动耗散能量。即削弱部分起到了保险丝的作用，地震作用下塑性铰远离节点焊缝，出现在延性大的梁上，从而起到保护节点的作用，做到真正的延性设计。在梁上下翼缘通过焊接或者螺栓固定钢支架，在方箱型柱和没有现场焊接的工字型钢梁之间，这些钢支架提供严格的定向钢支撑。然后施工现场用高强螺栓固定在柱子上。由混凝土填实的方箱型柱，通过楼层标准用一定的方式进行预制，且是竖立的。宽翼缘梁也是预制的，通过降低削弱梁翼缘，由梁上下翼缘上的高强铸钢支撑建立一个直立、稳固的结构。只要梁柱连接节点处所有梁就位，四周的钢支撑沿其邻边方向彼此之间相互作用，通过高强预应力螺栓使其钢框架结构更加稳定。

另外，考虑到铸钢件有一定脆性，如果框架结构的延性、耗能能力以及抗震性能达不到设计要求，必要时可考虑在梁柱之间增设端板。端板连接具有一定的柔性，钢框架采用这种连接形式，可以增加结构的阻尼，延长结构自振周期、减小振幅，从而降低震害，是一种理想的抗震形式。端板与钢梁之间的组合还会大大改善节点的受力性能，提高节点的初始转动刚度和抗弯承载力，从而保证钢框架结构在地震中具有更好的延性和耗能能力。

2.2 新型节点连接优势

2.2.1 提高延伸性和可靠性

在1994年Northridge地震中发现，一些抗弯钢连接在传统连接节点处即梁柱翼缘的焊接处经历了大量脆性破坏，这种脆性断裂是毫无征兆的、突然的断裂。之后许多新型连接相继出现，通过钢梁上形成的塑性铰来考虑能量耗散，可以达到结构的预定设计概念和行为对象。现在所有用在特殊部位或中间的钢支撑框架的抗弯连接都被测试质量合格且符合标准规范，进行这些连接测试的目的是为了证明，在具体的行为模式下，通过控制延性屈服连接可以承担巨大的非弹性变形。目前，有些新型连接已经通过替代工艺使其连接符合要求。

2.2.2 改善实施性和节约成本

除了改进的性能，新型连接也是钢框架结构更经济、更便捷的连接方式之一，主要内容包括：

第一，尽量减少或排除昂贵的、耗时的现场焊接方式。在现场梁柱翼缘接头处采用完全熔透焊接可能需要几个小时来完成，还可能需要检查和无损检测。

第二，改善施工性，提高生产效率。创造新型、简单的连接方式，使框架更加牢固，整体稳定性更好。将现场关键性的制造阶段迁出，然后在车间进行制造，这样可以更好地控制过程处理，而且更有效。

第三，减轻自重。一些新型连接经过批准认可，比普通连接更适合轻质高强的钢构件。在用钢量最省时，仍可提供强度、刚度都较大的钢框架，这在抗弯钢框架的偏移设计中是一大优势。

2.2.3 提供可靠的技术支持

技术支持可能是支持采纳以上连接方式的最大优势之一。通过框架连接的建筑规范规定、计算机模拟以及横向设计与优化的帮助，为整个钢框架的质量安全和工程效益提供了一层额外的保障。

3 结论

以上几种新型连接系统都为连接设计提供了切实可行的方法，梁柱连接的节点设计是整个框架设计的核心，保证钢框架整体的稳定性和抗震性，节点设计必须实现安全、经济和耐久。随着技术的不断发展，必将设计出更加安全经济的梁柱节点。Kaiser螺栓支架连接采用的是高强螺栓，易安装易就位，施 工便捷，避免了现场焊接，强震作用下会在梁上形成塑性铰，确保节点安全；销保险丝连接采用的是一种熔断机制，靠滑动摩擦来耗能；新型的铸钢支架与狗骨式结合的节点充分利用了两者的优势，更好地增加了节点延性。因此，为进一步提高施工效率、节省投资、改善结构性能，新型连接系统还需要继续深入研究。

[1]N Youssef,et al.A Survey of Moment-resisting Frame Buildings Affect by the 1994 Northridge Earthquake[R]. National Institute of Standardand Technology,Gaithersburg.MD.1995

[2]丰定国,王社良.抗震结构设计[M].武汉：武汉工业大学出版社,2001.

[3]Robinson,W.H.and Greenbank,L.R.“Properties of an extrusion energy absorber.”New Zealand Nat.Soc.Earthquake Eng.Bull,8(3),187-191.

[4]Garlock,M.M.Sause,R.and Ricles,J.M.“Behavior and design of posttensioned steel frame systems.”J.Struct.Eng,133(3), 389-399.

［责任编辑：刘 月］

A New Type Connection of Steel Structure

LIU Meng,XIANG Renfeng
(Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China)

Steel frame structure is applied more and more widely in modern soceity,its beam to column connection is the key point of the frame structure design,and the connection function is directly related to the safety of the whole frame structure.According to the comprehensive research on various connections'merits, the bolt cast steel bracket and the ConXtech with dog bone type beamflange are connected,forming a new type connection,increasing the knot's extensibility,resisting greater deformation while earthquake occars and improving structure stability.

steel structure;beam connection;new type connection

TH131

A

2095-5928（2014）05-51-04

2014-06-21

刘猛（1968-），男，辽宁锦州人，副教授，博士，研究方向：结构工程。