梁-柱节点抗连续倒塌性能研究进展

裴强, 程智

(1.大连大学建筑工程学院， 大连 116622； 2.西南交通大学希望学院土木工程学院， 成都 610400)

结构连续倒塌的发生是因为局部构件在遭遇偶然荷载后，发生了破坏，随后这种破坏就像多米洛骨牌一样向周边发展，造成了范围更大、更广的破坏[1-3]。这种更广的破坏一旦发生就会对人员和财产造成不可估量的伤害，而且还会对社会造成一定的恶劣影响。

为防止建筑结构在各种诱发连续倒塌因素造成破坏成为建筑结构防灾减灾设计的最后一道防线。基于此道防线，许多学者对建筑结构的连续倒塌进行了研究，研究的主要内容为建筑结构的连续倒塌分析、倒塌机制、倒塌模式、倒塌设计以及倒塌性能评估等等[4-6]。

许多建筑结构形式都会出现连续倒塌的问题，要想保持结构的完整性就取决于梁柱节点产生大变形后的变形能力。梁柱节点是指梁柱构件重叠的区域，也是梁柱交汇的节点区域，梁柱节点作为结构体系的关键性部位，不仅起着传递荷载的重要作用，还是决定结构整体性的重要因素。

因此，中外许多学者针对梁柱节点开展了受力性能研究多集中，Meinheit等[7]考虑了诸多变量对梁柱节点抗剪切性能的影响，发现梁柱节点的极限抗剪能力与轴压比的大小无关，但是轴压比的大小对节点的开裂剪力有很大的影响。Soleimani等[8]对十字形梁柱节点进行了受力性能试验研究，发现无论梁主筋在锚固有无的情况下都完全失效，而梁固定端的转角在整个过程起着十分重要的作用，因为它是非弹性行为主要集中的位置，一旦梁主筋在节点完全失效，结构的整体性也就随之失效。与此同时，也有学者进行了节点抗弯性能的研究。Hakuto等[9]进行了配箍率对梁柱节点抗震性能的影响试验研究，发现没有配箍筋的梁柱节点在强震作用下的抗震性能很差，且抗剪强度也很小；随后，又对节点进行了加固，并提出了采用外包技术来增强梁柱抗震性能的方案，但是此方案施工比较困难。Yang等[10]在研究结构倒塌事故时，发现破坏通常始于受异常荷载作用的梁柱节点，特别是钢结构和组合结构。刘世朋等[11]研究了梁柱节点转动刚度对钢框架抗连续倒塌性能的影响。肖宇哲等[12]研究了梁、柱构件在动力损伤和材料应变率影响下的抗倒塌性能。

可见，梁-柱节点的受力性能已然成为结构抗连续倒塌方向的研究热点问题。为了进一步加强核电等重大工程结构抗连续倒塌研究力度，提高此类工程结构抗连续倒塌性能并改善其设计方法，围绕这一热点问题，对梁-柱节点抗连续倒塌的研究成果进行了归纳和总结，梳理出各种类型节点抗连续倒塌研究方法和进展；总结对比了结构抗连续倒塌设计方法，从抗连续倒塌机制、抗连续倒塌(破坏)模式及抗连续倒塌设计等方面回顾了梁柱节点破坏导致结构发生连续性倒塌的研究现状；介绍了梁柱节点构造形式及其各自抗连续倒塌性能特点，为改善和改进传统节点设计以提高其抗连续倒塌性能提供参考；并结合理论分析、数值模拟和试验研究提升节点抗连续倒塌性能进行了初步方案设计，提出了新的抗连续倒塌节点设计模型。

1 结构连续倒塌形式

在建筑结构的抗连续倒塌机制中，由于偶然荷载造成结构的局部失稳位置不同，那么引起建筑结构的连续倒塌形式也就不同，主要分为：一种为结构的水平构件在受到偶然荷载下产生了一定的变形，导致结构的竖向构件发生了失稳或倒塌，随后，因结构水平方向上的刚度和强度不足， 使得结构反复地传递荷载，最终就形成了多米诺骨牌式的水平连续倒塌(图1)；另一种为由于结构的竖向构件在受到外力作用下，造成了一定的剪切破坏后，进而导致了相邻的梁板节点要承受反向的弯矩，继而造成破坏。此时，建筑的上层结构因失去了下部竖向构件的支撑造成失稳，从而对下层结构造成一定的冲击，而下层结构处于超负荷工作状态，最终导致了结构在竖直方向的连续倒塌(图2)。

图片来源：百度图片https://www.sohu.com/a/60896932_161791图1 水平连续倒塌Fig.1 Horizontal progressive collapse

图片来源：百度图片https://bbs.co188.com/thread-9092175-1-1.html图2 Ronan Point 公寓倒塌事故Fig.2 Ronan Point apartment collapse

2 结构抗连续倒塌设计方法

目前关于结构抗连续倒塌分析的主要方法有：概念设计法、拉结强度设计法、拆除构件法以及关键构件法，具体如下[13]。

2.1 概念设计法

概念设计法[14]主要是从结构的设计概念上出发，包括合理的结构布置、合理的连接构造、结构的冗余度以及考虑结构的反向荷载和构件承受横向荷载的能力等。

概念设计的优点在于较为简单，且在设计过程中没有额外的工作量，因此在要求考虑抗连续倒塌能力的结构设计时，应该采用概念设计法。但是概念设计法也存在难以量化处理这样的缺点，并且该方法很依赖设计人员的技术水平和经验。

2.2 拉结强度设计法

拉结强度法[15]主要是针对完整的结构，即已有的结构，并通过构件间的拉结来实现结构整体性的增强以及多种传荷路径。拉结强度法根据位置的不同分为内部拉结和周边拉结，根据作用不同分为对外围柱/墙和角柱的拉结和竖向拉结，如图3[15]所示。

图3 拉结示意图[15]Fig.3 Rachel schematic[15]

2.3 拆除构件法

拆除构件法[16]是针对结构整体发生局部破坏来进行受力性能分析，考虑剩余结构的动力学响应进行设计。实则是为整体结构提供有效的备用传荷路径，因此又被称为替代路径设计法。此方法能够从结构的体系角度对冗余传荷路径进行设计和检验，并且通过计算来定量的提高结构抗连续倒塌能力。这种方法对已有建筑物提高抗连续倒塌能力有较好的实用价值。

《联邦政府办公楼以及大型现代建筑连续倒塌分析和设计指南》(GSA2003)中规定，对于典型结构，建筑结构每层外围的长边中柱(墙)、短边中柱(墙)以及角柱(墙)须拆分进行分析，如图4[16]所示。

图4 柱、墙拆除位置示意图[16]Fig.4 Schematic diagram of column and wall removal[16]

2.4 关键构件法

关键构件法[17]是在结构体系在发生破坏后，其结构的剩余构件无法实现或实现替代路径的代价太大，从而针对发生破坏的构件进行针对性设计与加强，以增加结构体系的抗连续倒塌能力。各国规范中，关于抗连续倒塌的设计方法的论述各不相同，各侧重点不同，如表1所示。

在试验条件允许的前提下，一般最常用的是备用荷载路径法[18]，即改变力的传递路径。吕大刚等[19]采用备用荷载路径方法对建筑结构进行Pushover分析和对损伤结构的极限承载能力进行评估，该分析中考虑了移除框架柱后的瞬间动力效应。王景玄等[20]基于备用荷载路径法，对钢管混凝土空间框架柱失效后的剩余结构抗连续倒塌机制进行了非线性动力分析。玄伟等[21]基于备用荷载路径法，对中柱失效工况下的方钢管混凝土柱-组合梁抗倒塌性能进行了抗力机制及抗倒塌性能的影响因素分析。

表1 各国规范中抗连续倒塌设计方法特点Table 1 Characteristics of design methods against progressive collapse in national codes

3 梁柱节点破坏导致的连续性倒塌研究现状

3.1 抗连续倒塌机制

在现有的抗连续倒塌研究中，总结出抗连续倒塌机制一般分为梁机制、压拱机制、悬链线机制和空腹机制。梁机制主要是指一种较好的结构整体弯曲效应，其一般发生在结构的小变形阶段。即中柱失效后，利用刚性节点的弯矩来抵抗外荷载的抗倒塌机制(图5[22])。压拱机制是伴随梁机制的出现而出现，其需要两侧提供足够的水平约束才能产生[22]。悬链线机制又称悬索机制，发生在结构的大变形阶段，主要是指结构中的梁构件在遭遇大变形时，以自身的拉力来抵御外荷载的一种机制，悬索效应是结构抵抗连续倒塌的最后一道防线(图6[22])。框架结构的顶层依赖轴压力和梁弯矩来抵御连续倒塌的机制称为空腹机制。

图5 框架抗连续倒塌梁机制[22]Fig.5 Frame beam progressive collapse resistance mechanism[22]

图6 框架抗连续倒塌悬链线机制[22]Fig.6 Catenary mechanism of progressive collapse of frame structure[22]

乔惠云等[23]在研究多层框架结构时，将其简化成单层结构，并且提出了关于梁机制和悬索机制抗力的计算方法，验证了其正确性；后又分析了空腹机制对多层框架整体受力的影响。周育泷等[24]基于楼盖系统微观受力机理的分析，对压拱机制下的梁板子结构进行了连续倒塌抗力分析。袁鑫杰等[25]对装配式混凝土框架结构梁柱节点连接在压拱机制和悬链线机制下的抗连续倒塌性能进行了研究。杜轲等[26]对钢筋混凝土(reinforce concrete，RC)框架结构在拆除中柱后的抗连续倒塌能力进行了拟静力加载试验研究，得到纯框架子结构首先进入梁机制，随后进入压拱机制，最后进入悬链线机制来抵抗结构的外来荷载。李易等[27-28]基于能量平衡原理，考虑了结构在梁机制下连续倒塌过程中的非线性和动力效应的影响，推导出结构在梁机制和悬索机制下子结构及其构件抗连续倒塌非线性动力的抗力需求和线性静力的抗力需求之间的关系。何庆锋等[29]研究表明，键槽连接节点装配式梁柱结构倒塌性能时，外荷载作用下，节点在变形过程中能够较好地形成梁机制、压拱机制以及悬链线机制来提高结构的抗倒塌能力。邓小芳等[30]在研究预应力混凝土梁-柱子结构抗连续倒塌性能试验时，发现框架子结构主要依靠钢筋产生的悬链线机制来抗倒塌。高佳明等[31]研究表明，得到带板混凝土框架结构的抗倒塌能力先后由梁拱-板压膜机制、梁拱-板拉膜机制、梁悬索-板拉膜机制、板拉膜机制提供。丁阳等[32]通过分析钢框架在节点影响下的抗连续倒塌性能时，发现钢框架的主要抗连续倒塌效应为悬索效应和楼板薄膜力效应。

3.2 抗连续倒塌(破坏)模式

建筑结构子结构梁柱节点的破坏模式一般有梁端破坏和柱身破坏两种，分别图7、图8所示。节点主要靠子结构构件的延性来避免脆性破坏，造成损失。

张富文等[33]分别对框架结构的强梁弱柱型倒塌模式和强柱弱梁型倒塌模式进行了数值模拟研究和分析。杨明飞等[34]考虑建筑结构子结构构件的双重非线性和材料应变失效的影响，在结构动力特性的基础上研究了高层钢框架结构在强震作用下的倒塌模式。程东辉等[35]研究了建筑结构子结构无粘结预应力混凝土板-柱的抗连续倒塌模式。

图片来源：百度图片https://www.sohu.com/a/240414709_278208图7 梁端破坏Fig.7 Beam end failure

图片来源：百度图片https://www.sohu.com/a/155819900_739481图8 柱身破坏Fig.8 Pillar failure

李玲等[36]通过拟静力试验对中柱失效下的圆钢管柱外环板节点与方钢管柱内隔板节点进行了抗连续性倒塌工况下的破坏模式研究，发现节点破坏模式可分为梁端连续性破坏、梁端间断性破坏与柱身破坏三类，并用梁柱子结构的竖向抗力来评估了梁柱节点的鲁棒性。李国强等[37]对瞬时冲击去柱后的平面钢框架进行了抗连续倒塌模式研究。李爽等[38]在研究节点对框架结构抗连续倒塌性能影响时，得到构件的破坏模式以弯曲破坏为主，未发现剪切破坏。

3.3 抗连续倒塌设计(力学性能)

常用的建筑结构抗倒塌设计方法包括局部加强法、拉结构件法和拆除构件法[39]。李国华等[40]对外伸端板钢框架结构的刚性节点和半刚性节点进行了节点刚度抗倒塌性能影响研究。孟宝等[41]通过中柱施加静力荷载大变形试验(局部加强法)，对受节点刚度影响的钢框架梁柱子结构进行了抗倒塌性能试验研究。胡晓斌等[42]提出了增加冗余度、加强梁柱连接以及从截面承载力设计三个方面进行抗连续倒塌能力设计。王景玄等[43]分析了竖向中柱失效后(拆除构件法)，考虑到钢筋拉结作用对钢管混凝土节点抗连续倒塌能力的影响。方有珍等[44]对T形件加强型节点新型部分外包混凝土组合柱(partially encased composite column，PEC)PEC 柱-钢梁组合框架层间倒塌机理进行了试验研究，表明了该节点满足了“强节点”的抗震要求，具有较好的抗连续倒塌性能。史艳莉等[45]以中柱失效工况下的节点为研究对象，对圆钢管混凝土柱-H钢梁内隔板式节点的抗连续倒塌机理进行了分析。王伟等[46-49]以隔板贯通式节点、内隔板式刚性节点以及栓焊节点为研究对象，对其进行了抗连续倒塌能力分析，提出了改进型全螺栓连接和加固型栓焊连接的钢框架梁柱刚性节点设计方法，并通过试验和数值模拟验证了改进节点的可行性。郑龙等[50]对钢管混凝土柱-钢梁穿心螺栓外伸端板式节点进行了连续倒塌工况下的整体变形、破坏形态、节点抗力以及关键截面应变发展以及节点的失效模式、节点核心区应力及抗力机制分析。高山等[51]设计了一种钢板加固的半刚性节点，对其进行了抗倒塌性能分析。易伟建等[52]对结构不同位置节点的抗连续倒塌鲁棒性指标进行了研究。

4 梁柱节点构造形式

4.1 梁柱节点体系

4.1.1 装配式混凝土框架节点体系分类

典型的装配式混凝土框架节点体系主要有预制叠合梁体系、预制预应力体系、世构体系(prefabricated prestressed assembled monolithic concrete frame structure，SCOPE)和钢筋混凝土柱(reinforced concrete column) 和钢梁(steelbeam) 组成的框架结构体系, 简称RCS体系[53]。具体如下。

(1)预制叠合梁体系。预制叠合梁体系(图9[53])主要是融合了现浇结构和装配式结构的优点和长处，利用预留的梁上后浇层将预制构件和现浇构件形成较好的整体结构[54]。

(2)预制预应力体系。1997年，预制预应力抗震结构体系(precast seismic structural system research program，PRESSS)中提出来一种节点体系(图10[53])，该节点体系能够有效地提高结构的延性和耗能性能[55]。

图9 预制叠合梁体系[53]Fig.9 Prefabricated composite beam system[53]

图10 预制预应力体系[53]Fig.10 Precast prestressed system[53]

(3)世构体系(SCOPE)。SCOPE体系(图11[50])是法国的一种预制装配式结构，其采用了先张拉技术，由预应力叠合板、预制叠合板和预制柱构成[53]。

(4)RCS框架体系。RCS框架体系(图12[54])集钢结构、混凝土结构的优点于一身，其自身由钢梁和混凝土柱组成，主要形式有梁贯通式和柱贯通式[53-54]。

图11 世构体系[50]Fig.11 SCOPE[50]

图12 RCS框架体系[54]Fig.12 RCS framework[54]

装配式混凝土梁柱节点除上述4种典型的节点体系外，还有许多的新型节点连接形式，尤其是在混凝土结构这一块，大体可分为干连接节点、湿连接节点、预应力连接节点以及半刚性连接节点[56-57]。

4.1.2 自复位梁柱节点

自复位节点是一种比较显著的可恢复功能结构，其能够有效的控制构件的残余变形，而且在卸载后能够部分恢复或全部恢复到加载前，从而减少结构受到荷载后的修复。自复位节点成为近年来中外研究减小结构残余变形的热点。王先铁等[58]对一种楔形装置的自复位方钢管混凝土柱-钢梁节点进行了低周往复荷载试验研究，得到该节点具有良好的自复位性能和耗能能力。韩建平等[59]提出了一种无黏结后张预制钢筋混凝土梁柱自复位节点，并通过有限元对其进行了数值分析，分析表明：该节点不但具有足够的强度和刚度，还具有良好的自复位性能。马俊峰等[60]提出了一种含暗牛腿的顶底摩擦耗能预应力装配式自复位混凝土框架(friction damper self-centering prestressed concrete beam-column connection with hidden corbel，HCFD-SCPC)梁柱节点，并分析了该节点的工作机理和滞回性能。文闻等[61]提出了一种高强螺栓摩擦装置的装配式自复位框架梁柱节点(prefabricated self-centering frame beam-column connection，PSCC)。这种节点的特点是可以避免高层建筑施工时的现场高空张拉。并对PSCC的力学性能进行了试验研究和数值模拟。李灿军等[62]在梁柱节点中引入非石棉(non-asbestos organic material，NAO)摩擦耗能器和超弹性形状记忆合金(shape memory alloys，SMA)杆，形成摩擦耗能型SMA杆自复位梁柱节点(NAO-SMA-SC)，可有效解决传统梁柱节点震后残余变形较大和耗能较低的问题。毛晨曦等[63]在柱—基础节点及梁柱节点中，用价格低廉且同样具有较好耗能能力的普通角钢替代作为阻尼器，并开展了拟静力试验。刘哲峰等[64]对悬臂摩擦式自复位混凝土框架节点进行了低周反复加载试验研究，并对该节点在往复荷载下的复位机制和耗能特性进行了分析，得到了钢绞线和螺杆预应力对节点力学性能的影响。潘振华等[65]对一种具有自复位能力的钢框架节点的力学性能进行了研究，并通用有限元分析软件分析了钢框架边节点在往复加载下该节点的自复位能力。张艳霞等[66]对4个装配式自复位钢框架梁柱节点进行了研究，并对拟静力试验进行了数值模拟分析，将分析结果与试验结果及理论计算结果相对比。

4.2 新型节点设计

通过以上关于梁柱节点抗连续倒塌性能研究的归纳和总结，发现目前研究的梁柱节点构造虽有自己的特点，但也存在着一些缺陷。其中，一部分梁柱节点构造的改变虽然提高了延性和耗能，但是不具有可修复性；另一部分梁柱节点构造的变化虽然提高了结构抗连续倒塌的能力，但同时其刚度和强度又降低了。综上所述，可以设计一种节点构造能够满足多方面受力性能，即强度、延性、可修复性。

从框架的梁-柱节点方向入手，设计了一种新型节点，不仅在强度和刚度方面满足要求，而且该节点的变形能力和抵抗外来的偶然荷载的效果能力好。即使在遭遇突发的超设计基准荷载作用下，节点也不会产生突然破坏而造成严重的人员和财产损失。而且节点在遭受小破坏后，也能够及时的抢救和修复，让结构继续正常工作状态。

故针对普通框架边节点力学性能薄弱的问题，提出了新型自复位框架边节点，即在节点中加入新型材料形状记忆合金(shape memory alloy，SMA)[67]，其构造示意图如图13所示。新型自复位框架边节点是由钢板(固定作用)、SMA筋、普通钢筋及混凝土构成。自复位框架边节点在遭遇偶然荷载的来临时，利用SMA自身的超弹性和形状记忆效应给节点提供恢复性能，且该节点在充分发挥超弹性SMA自复位特性的同时，还具有耗能、构造简单以及易于替换等特点。

要想让所设计的新型节点能够满足所期望的效果，还需考虑SMA筋与混凝土之间的接触，以及内置SMA筋后所造成的钢筋拥挤等问题，以及能否找到一种性价比高的材料来代替SMA筋，这些还需大量的数值模拟进行研究和分析。通过有限元软件来模拟新型的自复位梁柱节点在循环荷载下的滞回曲线、骨架曲线、延性、性能退化、耗能以及残余变形情况进行分析，并和普通的梁柱节点进行受力性能对比，从而得到新型自复位梁柱节点的复位能力和可行性研究。

图13 节点构造Fig.13 Joint construction

5 结论与展望

当前，学者们对梁、柱构件性能有了充分的研究和认识，这使得结构的薄弱环节转移到了节点区域。因此，关于节点的研究具有重要的意义。结构不发生连续倒塌的关键在于失效柱正上方梁柱节点不遭受到破坏，而且框架在遭受偶然荷载后的完整性取决于梁柱节点产生大变形后的变形能力。即梁柱节点的抗连续倒塌研究对倒塌相关规范的完善和设计指导具有重要的意义。得出如下结论。

(1)从梁柱节点抗连续倒塌的倒塌机制、破坏模式以及设计方法出发，大量地总结和分析了梁柱节点在抗连续倒塌领域的研究和现状。结果表明，关于梁柱节点抗连续倒塌领域的研究一直是学者们研究的热点，且研究的角度深刻、全面，且取得了诸多代表性的成果。

(2)在梁柱节点抗连续倒塌相关研究方面，知道悬链线机制是结构抵抗连续倒塌的最后一道防线；并基于局部加强法和拆除构件法的试验与数值模拟研究都得到了统一的相对薄弱的梁柱节点，为后续的有关研究打下了坚实的基础，也进一步推动了中国在加强薄弱梁柱节点的抗连续倒塌方面的研究。与此同时，中国在关于梁柱节点抗连续倒塌研究中还存在许多亟待探索和解决的工作，需进一步进行的研究方向包括：①明确梁-柱节点的破坏特征和鲁棒性，在理解结构设计原理的基础上优化节点的连接构造形式，并建立节点定量的计算和试验设计；②研究该新型自复位梁柱节点的受力性能和抗倒塌性能，并提出该新型节点结构在偶然荷载设计作用下的动力反应分析及相应设计方法；③进一步研究出节点的最优连接形式，包括合理的破坏位置和优化的连接方式等；④在总结和分析以往有关梁柱节点抗连续倒塌研究数据的基础上，设计并建立出更全面的节点抗连续倒塌理论。