装配式钢结构梁柱半刚性节点研究进展

张丹丹 刘 伟

吉林建筑大学土木结构（130000）

0 引言

装配式钢结构各种受力性能好，施工快，可以批量化生产相关零部件再运至现场组装后就可投放使用。并且拆卸也方便，还可二次利用，贯彻节能环保的可持续发展思想。因而一直备受各界关注，更是很多工程师愿倾身研究的课题。但我国对于装配式钢结构建筑的探究相对美国和日本等发达国家有些滞后。随着近几年我国政策的大力扶持，科学技术水平的不断创新发展，装配式钢结构逐渐成为热门课题，吸引着更多专业人员去学习研讨，共同把我国相关成果文献变得更厚一点，经过试验验证后能推广应用开来，更好方便于民。相信在看得见的未来，装配式钢结构建筑将会在我国建筑施工中占据最重要的位置之一。

1 梁柱半刚性节点连接性能的研究方法

1.1 试验测定法

1.1.1 拟静力试验

现在研究装配式钢结构节点中应用最多的试验方法就是拟静力试验。因其经济实用性好，在工程实践中一直备受推广。拟静力试验可忽略应变速率的影响，表征单调或循环荷载，它是一种通过载荷控制或变形控制，使试件在进行低周反复加载中从弹性状态拉至破坏的一种试验。通过它主要研究钢结构节点的基本特性，如延性能力、刚度、耗能特性等。以往加载试验设备多采用千斤顶，近年来随着经济的发展，科技的不断创新，设备也有了很大改善。电液伺服加载系统实施结构的拟静力加载较为活跃，在很多高校结构实验室中已投入使用[1]。

1.1.2 振动台试验

振动台一般由台体、监控系统和辅助设备三部分组成，主要通过电动、电液压、压电或其他原理获得机械振动。该试验主要研究半刚性节点的地震反应和破坏机理，是一种通过模拟控制或数控再现地震过程和进行人工地震波的试验。其中试验加载环节特别重要，为获得系统的试验资料，理应合理选取荷载，不宜过大或过小。在选择和设计台面的输入运动时，需要考虑结构的周期以及所在场地条件。目前，在地震模拟振动台试验中，大部分研究者都采用多次性加载的方案，进行试验研究。

1.1.3 拟动力试验

拟动力试验是一种通过电液伺服加载作动器与数值分析来真实模拟地震对结构的作用，同时进行结构反应的量测和数据采集的试验。其实质就是根据某种确定性的地震反应进行加载，通过计算机分步求解结构非线性地震反应微分方程的方法，得到结构恢复力模型，进而完成整个试验加载过程。

拟动力试验系统一般由试件、试验台、加载设备和数据采集仪器等组成，如图1所示。

图1 拟动力试验系统

另外还需注意试验台和反力墙需满足质量大，强度高，刚度性能好的要求和由计算机、加载装置与加载控制系统等组成的加载设备理应稳定性好，可靠性高[2]。

1.2 理论研究

装配式钢结构节点理论研究的方法主要有三种，分别是曲线拟合法、塑性分析法和解析法。曲线拟合是塑性分析的基础，前者需要通过多次试验获取详细的节点相关的参数数据，建立计算弯矩-转角的非线性方程再进行曲线拟合环节。另外应注意分析节点性能时把解析出的曲线转换成公式，方便使用。后者需检验测的数据，结合理论知识进一步研究分析找到更精准的曲线，更加全面到位地展示半刚性节点的力学性能。解析法跟前两者有所出入，其一般是通过推导、计算整理得出一种更为合理的拟合曲线。解析法能够简洁明了对半刚性节点连接进行相关分析，但不足之处是应用范围小且实验中易产生误差。

1.3 有限元分析法

有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。目前最常用软件为ABAQUS、ADINA、ANSYS、MSC。一开始其主要为航空航天相关的结构强度计算服务，随着计算机技术的迅猛发展，逐步广泛应用于各领域。有限元分析法也是装配式钢结构半刚性节点研究必不可少的手段之一，因其可以较好地模拟节点的受力状态。它主要通过有限元软件建立数值模型，在一定条件下获得半刚性节点在荷载作用下的性能分析。然后结试验结构板与节点有限元模拟对比、验证其模型参数设置的数据是否具有可靠性[3]。

2 梁柱半刚性节点连接的主要形式

2.1 顶底角钢连接

顶底角钢节点的转动刚度随着转角呈明显的非线性变化，被看作半刚性连接中最典型的类型。其构造形式简单即将位于梁上下翼缘处的两个角钢通过螺栓连接把梁柱结合在一起。它的节点连接传力明确，施工快，目前已在工程上逐渐投入使用（如图2所示）。

图2 顶底角钢连接

1989年，Azizinamini等通过静载和循环荷载试验结合初始刚度的分析模型表明顶底角钢节点耗能性能好。2003年，顾强等通过梁端位移循环加载试验表明顶底角钢在荷载强时的滞回曲线产生捏拢现象。2007年，郝际平等通过单调加载试验研究梁柱弱轴连接的抗弯性能，表明顶底角钢具备一定变形能力，承载能力好，塑性强。

2.2 双腹板顶底角钢连接

双腹板顶底角钢连接的弯矩-转角关系曲线实际加载时一直呈非线性特性，因而也被视为半刚性节点连接的典型情况。2005年吴芸等[4]通过非线性有限元跟循环加载试验相对比分析，表明双腹板顶底角钢抗震性能好。而2007年，王国兵等[5]通过对节点模型做低周荷载试验并跟模拟结果进行分析，也得出其具备良好的抗震性。2006年，温柔等[6]通过有限元分析法得出影响双腹板顶底角钢抗震性能的因素。1997年，郑廷银等[7]采用单调加载的方式和2013年，王光云[8]采用低周往复加载试验又结合ABAQUS软件模拟分析，表明设置加劲肋能提高节点的受弯承载力。2017年，王鹏等[9]通过单调加载和循环加载实验得出在顶底角钢处布置加劲肋影响最大是节点的初始转动刚度（如图3所示）。

图3 双腹板顶底角钢连接

2.3 端板连接

螺栓端板连接是半刚性梁柱节点最常见的一种形式，一般根据受力情况分为两类，受力较小时端板平齐，反之为外伸式。端板连接实质上主要承受弯矩，受力情况复杂。2002年，施龙杰等[10]通过数值计算跟相关试验研究对两类端板式节点进行对比分析，表明外伸式端板连接承载力更好，节点转动能力强，方便施工和设计，更值得推广受到实际工程的青睐（如图4所示）。

2.4 套筒式装配式梁柱连接节点

由于螺栓不易施工，闭口截面构件不适合进行装配，有学者就提出研究了用套筒来解决这个问题。2010年，李黎明[11]用T型件和螺栓连接，并把外套筒放在方钢管柱外壁，进行低周反复荷载试验表明，该节点延性好，具备一定的抗震能力。而且增加外套筒厚度可提高节点刚度。2015年，张铭玮[12]等提出验证了内套筒式的可行性，将套筒放于钢柱内侧通过有限元分析得出其厚度增大，能提高节点耗能和承载力。2017年杨松森等[13]在李黎明的基础上，研究了将外伸端板组件代替T型件完成梁柱节点的连接。该节点安装快，因其外伸端板组件在施工时还可临时性兼顾钢梁的支托。另外设计中还需注意可提高节点刚度和耗能能力的方法，比如采取合适的螺栓直径跟外套筒壁厚或缩小套筒与柱壁间隙。同年马强强等在前人的基础上采用对拉螺栓连接，提出一种装配式梁柱内套筒组合新型连接节点。通过相关试验研究表明该节点的可行性及其承载力，延性和抗震性能都很好，还具备一定的耗能能力。只是试验中对拉螺栓远不如高强螺栓可靠，易被拉断。

图4 外伸端板连接

图5 齐平端板连接

3 装配式钢结构梁柱节点设计原则

3.1 强柱弱梁

强柱弱梁可提高结构的变形能力，是目前装配式钢结构梁柱设计时最常见的一种形式。它是通过有足够承载力的柱体肩负承重结构的角色，来缓解梁部的受力。为了保证工程整体的稳定性，柱端所受弯矩要高于梁端，并且在可控范围内，可增加施工时柱体的截面面积，进而扩大接触面承载范围来提高装配式钢结构柱体的承载力。

3.2 强节点弱构件

单论体积的话，节点在钢结构中所占比例小，但它却是非常重要的存在，因其能连接结构内部各个配件，还是受力的关键部位。为防止装配式钢结构整体倒塌的现象，在设计时需遵循“强节点弱构件”的原则。其实质是柱端受弯承载力大于梁端。这是因为如果一旦节点失效，则与其相连的水平方向和竖直方向上的构件会同时失效。节点承担来自剪切，扭转和轴向三种作用力，受力体系复杂，如若节点强度小，则会导致节点之间连接失败，影响钢结构承重能力。因此为保证整体稳定性，要强化节点同时弱化钢制构件。

3.3 节点域

节点域是指结构中梁柱连接处的柱腹板被柱翼缘以及柱中横向加劲肋所围成的区域，其承受多向作用力，易破坏。节点域进行至弹塑性阶段时可能会出现剪切变形，极其薄弱。因此要采取加强保护措施增强节点塑性能力，从而使装配式钢结构更稳定可靠。如结构布置合理，加大柱腹板的厚度和调整梁截面等。

4 结语

文章结合相关文献简要综述了半刚性梁柱节点的几种主要形式，目前主要通过试验法跟有限元分析法论证研究节点的受力性能跟抗震性。半刚性连接的刚度介于刚接和铰接之间，呈明显的非线性特性。实际工程中的绝大数节点做不到完全刚接或理想铰接化，所以某种意义上现在的梁柱节点都为半刚性连接。我国对其研究成果相较于起步早的国家少之又少，但半刚性梁柱节点的探究又是装配式钢结构发展历程中的重中之重，因而与之相关的类型及其性能的提高有待继续探索完善，为建筑领域画下浓厚一笔。