钢结构梁柱节点抗震技术综述

苏洁 阚博

摘 要：钢结构承载能力强、自重较轻、施工快捷，被广泛应用于大型厂房、场馆、超高层建筑等领域。钢结构房屋的抗震性能是结构设计的重点，其中梁柱节点的抗震性能很大程度上决定整个结构的抗震性。本文结合专利与非专利文献，以典型的钢结构梁柱节点技术方案为支撑，梳理钢结构梁柱节点抗震的技术起源和原理，并探讨技术演进路线，以期为钢结构梁柱节点抗震设计和研发提供借鉴。

关键词：钢结构；梁柱节点；抗震

中图分类号：TU393.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）08-0108-03

Review of Anti-seismic Technology for Beam-column

Joints of Steel Structures

SU Jie KAN Bo

（Patent Examination Cooperation Sichuan Center of the Patent Office， SIPO，Chengdu Sichuan 610213）

Abstract： With the advantages of strong bearing capacity， light weight and quick construction， the steel structure is widely used in large-scale factory， stadiums， high-rise buildings and other related fields. Seismic performance of steel structures is the key factor in structural design. The beam-column joints play an important role in the seismic resistance of the entire structure. This paper， based on the patent and non patent documents， combed the technical origin and principle of the steel structure beam column joints with the support of the typical steel structure beam column technical scheme， and discussed the technical evolution route， in order to provide reference for the seismic design and research and development of steel structure beam column joints.

Keywords： steel structure；beam-column joint；anti-seismic

1 技术领域概况

1.1 钢结构节点受力特性及破坏机理

钢结构节点的常规设计方法中有翼缘板承受全部作用弯矩，梁腹板只承受全部剪力的假定。但实际情况是，在常用的工字形截面梁中，当处于弹性阶段时，通常翼缘承受全截面抗弯承载力的80%～85%，腹板承受全截面抗弯承载力的15%～20%。如果腹板连接不考虑这15%～20%的弯矩，则其连接的抗弯承载力就只有框架横梁抗弯承载力的80%～85%[1]。节点受力忽视了竖向加速度的影响。例如，北岭地震前设计中一般只考虑地震的水平加速度，而忽视了豎向加速度的影响，但竖向加速度对水平地震载荷有放大作用，使结构处于更不利的情况[2]。

北岭地震之前，美国的焊接梁柱节点是按美国统一的建筑标准（UBC）设计制造的。震后调查发现，钢结构的破坏方式主要发生在节点梁翼缘与柱翼缘的连接处，底梁翼缘板明显多于顶梁翼缘板，裂纹向柱一侧扩展[2]。阪神地震中，由于日本的柱多采用箱型柱加横隔板的模式，其裂纹主要向梁一侧扩展，破坏模式包括翼缘断裂、热影响区断裂、横隔板断裂，并且连接破坏发生时，梁翼缘已有显著屈服或/和局部屈曲现象[2]。两次大地震引发的钢结构破坏现象表明，采用刚性焊接的钢框架梁柱节点，其延性较差、残余应力较大，多发生脆性破坏[3]。由此开启了业界对钢框架梁柱节点进行抗震优化设计，开发新型梁柱节点类型，以提高节点的抗震性能。

1.2 钢结构节点抗震措施

在钢结构抗震设计中，主要遵循“强柱弱梁”和“强节点弱杆件”的原则。设计梁柱时，柱应该具备相对于梁更大的强度，有更小的塑性形变。这是由于在钢结构受力过程中，如果梁发生较大的塑性形变，对整个结构而言多出现局部的失稳破坏；但如果柱发生断裂或严重的塑性形变，则有可能导致钢结构整体的破坏甚至倒塌。因此，采用加强柱弱化梁的方式以实现“大震不倒”的目标。节点是荷载传递的关键点，又是梁、柱构件的交界部位。钢结构节点与构件的关系是：节点的破坏影响荷载传递，使得结构内力分布发生剧烈变化；节点的破坏或裂纹可能向梁、柱构件传导，从而引发更为严重的破坏。因此，用构件的塑性形变耗能来保全节点的强度，也是钢结构设计的重要原则。

确保柱及节点强度的措施主要有：将塑性铰位置外移，如设置节点加强构件、梁截面削弱；在节点设置额外的耗能构件，如设置耗能阻尼器、记忆合金。接下来笔者将以专利文献为切入口，分析钢结构梁柱节点抗震技术的发展状况。

2 钢结构梁柱节点抗震技术发展状况

为了梳理钢结构梁柱节点的技术发展状况，在中文摘要数据库（CNABS）和德温特世界专利数据库（DWPI）进行了国内外专利文献的检索，并结合人工筛选，对专利文献进行整理分析。

通过对钢结构梁柱节点抗震技术各时期的专利文献进行梳理，得到该领域的专利技术演进路线（如图1所示）。经过分析整理，将钢结构梁柱节点抗震技术的发展演进划分为三个阶段。

2.1 第一阶段（1975—1994年）：技术萌芽期

在该时期，钢结构设计刚起步，其研究热点主要是如何实现梁柱节点之间稳固、高效、便捷地连接。梁柱的连接方式以刚性和半刚性连接为主，连接的手段主要有焊接、螺栓或铆钉、栓接和焊接相结合的方式。专利申请以苏联为主，有少量日本和美国的专利申请，如较早时期苏联申请的SU3600220A，其梁柱节点由顶板和底板焊接到柱上，塑性形变发生在顶板和底板之间的局部区域，即完全焊接的方式连接。另外，美国专利申请US19920823726A将梁柱节点的螺栓设置在长圆孔中，以获得预设的旋转位移来降低节点刚度吸收横向荷载，并且螺栓在长孔中会产生摩擦耗能。后续的钢结构梁柱节点的连接方式大多是基于早期基础方案发展起来的。总体上来说，这些技术萌芽期的基础性专利，给后续的技术研发提供了基础方案和基础理论。

2.2 第二阶段（1994—2008年）：技术发展期

以1994年作为第一阶段的技术萌芽期与第二阶段的技术发展期的划分界限，主要是由于1994年的北岭大地震及1995年的阪神大地震，两次大地震使钢结构房屋被广泛破坏，由此激发了对钢结构梁柱节点抗震技术的革新。对两次大震的调查显示，钢结构的典型破坏方式有：①柱子的横截面处发生断裂，但还未严重到使结构发生倒塌；②裂纹在梁柱节点处开始生长，在地震作用下向梁截面或者是柱截面延伸[4]。这与传统的钢框架梁柱刚性焊接节点延性较差、残余应力较大和容易发生脆性破坏密切相关。上述事件引起了人们对焊接刚性节点延性性能的怀疑并激发了对节点的改进研究，如美国SAC项目针对焊接刚性节点的改进措施：①改进焊接工艺；②补强措施；③削弱措施。已有试验研究表明：改进焊接工艺的成效较差，且质量不易控制；采取补强措施或削弱措施可以实现塑性铰外移至梁端截面，从而保证结构抗震延性需求[5]。

由此进入了塑性铰外移梁柱节点的设计阶段。例如，较早的专利申请US19950419671，通过对梁腹板及柱腹板进行切缝实现塑性铰的外移；又如，日本专利申请JP特愿平11-52445，设计出狗骨式节点梁翼缘，通过对梁翼缘板的切割来削弱梁中部强度。此外，也有涉及节点加强的技术方案，例如，日本专利申请JP特愿平9-232360，通过螺栓和菱形的隔板来连接与柱垂直的梁，减少对接焊缝，避免可能产生的脆性破坏。综合来看，塑性铰外移的设计方式主要分为梁端加强式和梁截面局部削弱两种思路。其中，梁端加强式可以通过盖板式、加肋型节点、加腋型节点和加强侧板几种方式实现；梁截面局部削弱则可以通过狗骨式截面、梁截面热处理、腹板切缝型、腹板开孔型节点和翼缘板局部置换的技术手段实现。

此外，还出现了节点耗能的设计理念，即在节点处设置特定的耗能元件，通过耗能元件合理高效地吸收振动能量，从而避免节点处梁柱构件被破坏。具有代表性的专利有日本专利申请JP特愿平6-297658，采用屈服强度低于相邻梁柱的软钢材料制成的耗能片，将其安装在梁柱节点位置处。这一时期，节点耗能的设计思路仍处于起步阶段，后续才有了较大发展。

2.3 第三阶段（2008—2017年）：技术成熟期

2008年，中国发生了汶川大地震，引发了中国建筑行业对钢结构梁柱节点的研究热潮。在前期30多年的技术积累上，经过这一阶段的研发和改进，进入技术成熟期。由于塑性铰外移的设计方式在第二阶段已经趋于完善，因此，这一时期具有代表性和技术突破性的专利申请较少。该时期注重对节点耗能的研究，并关注节点的震后修复，同时注重多种节点抗震措施或设计理念的组合。具有代表性的节点耗能申请有日本专利申请JP2014119299A，在梁的腹板上设置阻尼单元；韩国专利申请KR20120101693A，梁的上下腹板与柱采用不同连接方式，上翼缘板通过螺栓连接，下翼缘板通过钢制阻尼器连接。由于地震烈度大，破坏性强，并且余震频率高，钢结构房屋的震后修复也成为这一时期的研究重点，如何减小结构的残余形变，如何修复受损节点以确保结构的后续抗震能力，成为研究重点。同济大学提出了通过记忆合金螺栓或螺杆，兼顾震中的变形耗能，以及震后的塑性形变回复功能，从而实现节点的抗震和震后修复功能，涉及的专利申请有CN201310105996、CN201510565914。对于节点构件的替换，华南理工大学提出了震后可替换的上端悬挂式钢框架耗能梁柱节点（申请号CN201610942632），哈尔滨工业大学提出了一种可更换组合钢板耗能钢结构梁柱节点（申请号CN201610422456）。

3 结语

随着钢结构房屋的不断发展，如何提高钢结构的抗震性能成为一个越发紧迫的技术问题。现有技术中已经提出了塑性铰外移和节点耗能两种重要的理念，并在上述兩种思路下发展的过程中提出了较为成熟的技术方案。近年来，研究热点逐步向节点回复和震后修复转移，但涉及相关技术主题的专利申请和研究成果相对较少。这是钢结构节点抗震的发展方向，其发展与新材料如记忆合计技术的进步密切关联。

参考文献：

[1]刘其祥，蔡益燕，朱知信，顾泰昌.多高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点的抗震设计[J].建筑结构，2001（8）：9-12.

[2]姚国春，霍立兴，张玉凤，等.焊接钢结构梁柱节点地震下的断裂行为研究[J].钢结构，2000（4）：25-27.

[3]王玉田.梁端翼缘扩大型连接钢框架抗震性能研究[D].西安：西安建筑科技大学，2012.

[4]侯振山.狗骨式与普通式节点的断裂性能分析比较[D].兰州：兰州理工大学，2012.

[5]何小辉.钢框架新型耗能梁柱节点滞回性能的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.