钢管混凝土—钢梁加强环式节点研究现状

徐羊

【摘 要】随着钢管混凝土结构得到广泛应用，其节点连接的可靠性也越来越引起关注。钢管混凝土-钢梁加强环式节点以其传力简单、刚度大、承载力高等优点，被大量用于工程实践。本文主要介绍了钢管混凝土-钢梁加强环式节点研究现状，并指出了存在的不足及需要进一步研究的问题。

【关键词】钢管混凝土；梁柱节点；外加强环；内加强环

0 引言

随着我国经济和科学技术的不断发展，高层建筑、大跨度结构大量地涌现，而对于这些大型结构，通常需要采用承载力高、延性好、安全可靠的构件。其中，钢管混凝土组合结构以其承载力高、塑性、韧性性能好等优点受到工程应用与研究领域的广泛关注[1]。

为了充分发挥钢管混凝土良好的力学性能，在实际工程中梁柱节点的连接就显得尤为重要，特别是当遇到地震作用时，梁柱节点对于建筑物的安全起到了决定性作用。正是因为梁柱节点连接的重要性，国内外研究人员对此也展开了深入的研究，并将研究成果制定成规范，供设计及施工人员使用，从而保证节点的构造设计满足良好的塑形以及抗震性能要求[2]。

加强环式节点由于其传力路径简洁明确，节点刚度大，承载力高，并且具有良好的经济效益以及施工的便捷性，已经在实际工程中得到大量的运用，同时该节点也是《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS159：2004）[3]推荐的节点形式之一。该节点的原理，是利用上下加强环分别承受拉、压力，形成力偶来抵抗梁端弯矩，同时利用垂直肋板、型钢承重销、穿心钢板、明牛腿等来传递梁端剪力。但其缺点也是很明显的，由于其只与钢管混凝土柱表面的钢管所焊接接触，其剪力并未有效地传递到核心区混凝土上，导致在节点连接处较为薄弱，易产生塑性铰进而被破坏。因此，有必要对加强环式节点进行更深入的研究，并作出相应的改进，增强其在节点连接处的性能。

1 研究现状及进展

1.1 外加强环式节点试验研究

Choi等[4]对11个不同尺寸的钢管混凝土柱-钢梁节点在往复荷载作用下的力学性能进行了试验研究，重点比较了“无外加强环板”、“无焊接的改进T型外加强环板”和“外加强环板加环向锚固钢筋”等不同的构造方法下，节点的力学性能。结果表明，焊接的外加强环板和外加强环板加环向锚固钢筋等类型的节点都具有较高的承载能力和刚度，其滞回曲线饱满，表现出良好的延性。

蒋涛等[5]进行了矩形钢管混凝土柱-钢管混凝土梁节点的拟静力试验研究。其研究了两种外加强环式节点的连接方式，试验结果表明：钢筋贯通式节点利用钢筋传递梁端弯矩，抗震性能较好，但节点制作过程特别复杂，存在梁端部钢板开孔焊接预埋钢筋和二次浇灌水泥砂浆的问题。外加强环式节点荷载-位移滞回曲线表现出捏缩现象，主要由于梁端部封板刚度不足，因此节点的变形集中到梁端部封板上，最终导致梁端部封板屈曲和焊缝撕裂。这两种节点连接型式均表现出较好的抗震性能，符合节点设计中“强节点，弱构件”的原则，具有一定的参考价值。

张大旭，张素梅[6]对圆形钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点的各项力学性能行了试验研究，包括强柱弱梁及削弱节点区（节点区钢管壁减薄）两类节点，根据试验结果，对钢管混凝土梁柱节点梁端荷载-位移滞回曲线进行了理论分析，并建立了节点恢复力模型，按照传统和改进的两种分析方法，编制数值计算程序进行了荷载-位移滞回曲线分析，理论计算结果与试验数据吻合良好。

吕西林等[7]对带内隔板的方钢管混凝土柱与钢梁节点连接进行了试验研究和理论分析，提出了方钢管混凝土柱与钢梁连接节点的设计及构造建议，并已纳入国家设计规范。

1.2 内加强环式节点试验研究

王磊[8]进行了不同焊缝形式连接内加强环和钢管壁的节点试件进行试验，考察了不同焊缝形式对节点受力情况和应力分布的影响，并对梁柱节点处应力集中问题进行了讨论，最后还给出了相应的设计建议。

李强[9]对大量Y形、K形内加强环式节点进行了比较系统的分析与研究，并给出了集中因子的影响因素，提出了相应的设计建议。

1.3 外加强环式节点数值模拟研究

Alostaz和Schneider[10]利用有限元方法分析了钢管混凝土柱--钢梁节点在不同构造措施下的抗震性能。节点的构造类型主要选取了焊接节点、预埋式焊接节点、内埋铆钉式节点、贯穿腹板式节点、贯通钢梁式节点、翼缘贯通式节点和腹板贯通式节点等。研究了钢管径厚比、轴压比及梁端的弯矩剪力比等参数对节点力学性能的影响。结果表明：直接焊接节点承载力不高，而将钢梁内力传递给核心混凝土组件的节点具有更高的承载力和刚度；不同节点构造措施对其力学性能的提高效果不同，其中穿心钢梁式构造是实现理想刚接节点最有效的方法。

Chang-Koon Chol等[11]利用ADINA软件中的一种新的实体单元建模，模拟端板螺栓连接钢框架节点。结果表明：有限元模型可以准确地反应实际构件的真实响应；同时，该方法也可以用来进行大规模参数分析，并分析和设计一般的钢结构。

1.4 内加强环式节点数值模拟研究

张鑫[12]对12个内加强环式节点建立了有限元模型，利用ANSYS软件中PUSHOVER对12个节点进行了抗震性能试验，主要考察其滞回性能及刚度退化情况。试验结果表明，随着内加强环厚度的增大，节点区承载力明显提高，当加强环的厚度与梁翼缘厚度相同时，加强环受力较好，且较为经济；随着钢管混凝土柱端轴压力的增大，节点的承载力有所提高，轴压比在0.4～0.8范围时，内加强环的应力均未超过屈服应力，具有一定的安全储备；随着钢管壁厚的增加，梁柱连接处的刚度变大，节点的承载力提高，但是结构的延性大幅降低，因此，建议含钢率宜控制在0.052～0.074。

2 现阶段存在的问题

梁柱节点的性能是影响结构整体性能的关键所在，节点既要可靠，使其能在水平与竖向荷载的作用下有效的传递弯矩和剪力，又要有利于施工，方便现场操作。现阶段使用较多的梁柱节点形式主要有三种：外加强环式节点、内加强环式节点和贯穿加强板式节点。虽然上述3类节点基本能够满足实际工程应用的需求，但此类节点还存在以下问题：

（1）外加强环式节点施工比较方便，但加劲钢板用钢量大，现场焊接工作量较大，施工不便，并且影响施工质量。因此，可考虑进行工厂预先焊接后直接装配使用，此方面还需要深入研究。

（2）内加强环式节点和贯穿加强板式节点的钢板用量较外隔板要少，但焊缝施工不方便，尤其是在小尺寸钢管内施焊几乎不可能，不利于在构件截面尺寸较小的住宅建筑中使用。

（3）加强环只是与钢管柱外部相连，与核心区混凝土并未建立有效连接，因此节点的抗剪、抗弯性能较为薄弱。因此，需要设计一种与核心区混凝土建立可靠连接的节点方案，增强节点抗剪承载力，从而提高整个结构的安全性及抗震性能。

（4）长期受力性能、疲劳性能研究目前还鲜有报道，此方面还有待进一步研究。

3 结束语

由于上述加强环节点在各方面的力学性能优异，并且施工较为方便，现阶段已推广应用，但其中还存在一系列的问题，需要对其采取一些改进措施，从而使其具有更好的运用价值。以上问题的解决，将会大大促进钢管混凝土-钢梁加强环节点的运用与发展。

【参考文献】

[1]王建群.钢管混凝土柱——钢梁节点受力性能分析[D].兰州：兰州理工大学，2006.

[2]谢芳.钢管混凝土柱——钢梁节点类型及优缺点分析[J].科技创新导报，2013（24）：31-32.

[3]中国工程建设标准化协会标准.钢管混凝土结构设计与施工规程（CECS159：2004）[S].北京：中国计划出版社，2004.

[4]Choi， shimis， IBEom， C Het Alan. experimental study on the strength and stiffness of concrete filled steel column connections with external stiffener rings[C].Proceeding of 4th Pacific Structure Steel Conference， Vol.2， Pergamon，U.K.，2010a：1-8.

[5]蒋涛.薄壁矩形钢管混凝土结构的理论和试验研究[D].上海：同济大学，2003.

[6]张大旭，张素梅.钢管混凝土梁柱节点动力性能试验研究[J].哈尔滨建筑大学学报，2011，34（1）：21-27.

[7]吕西林，李学平，余勇.方钢管混凝土柱与钢梁连接的设计方法[J].同济大学学报，2002，30（1）：1-5.

[8]王磊.内加强环式钢管混凝土节点内环焊缝研究及节点改进[D].广州：华南理工大学，2012.

[9]李强.圆钢管相贯加强环节点承载力与变形性能研究[D].兰州：兰州理工大学，2005.

[10]Choi， Shimis， IBEom， C Het Alen. Elastic-plastic behavior of the beam to concrete filled circular steel column connections with external stiffener rings[C]. Building for the 21st Century， Y.C.Loo（Editor）， Griffith University Gold Coast Campus， Australia， 2010b：451-456.

[11]Chang-Koon Chol， Gi-Taek Chung. Refined three-dimensional finite element model for end-plate connection. Journal of Structural Engineering，2011，122（11）：341-352[Z].

[12]张鑫.钢管混凝土结构内加强环式节点受力性能研究[D].西安：西安科技大学，2010.

[责任编辑：汤静]