新型方钢管梁柱全螺栓套筒节点研究

李然，马倩玲，杨秀红，林峰，颜孙杰

（1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京100044；2.国材（北京）建筑科学研究院有限公司，北京100038）

1 引言

轻型钢结构住宅用钢量少，具有工厂化程度高、施工周期短、节能环保等优点，满足住宅产业化发展需求。 近年来，随着国家绿色发展战略的实施，轻型钢结构发展迅速[1]。

方钢管截面形式对称，具有各向等强、承载力高、安全可靠等优点，在轻型钢结构中具有广阔的工程应用前景[2]。 方钢管梁柱连接节点可采用焊接或螺栓连接，与焊接相比，螺栓连接施工效率高，连接质量可控，但方钢管截面封闭，不易进行全螺栓连接[3]。 因此，国内外学者探索研究了单向螺栓及对穿螺栓等连接形式， 以达到方钢管柱闭口截面构件的全螺栓连接。 杨晓杰等[3]进行了矩形钢管柱与H 形梁通过对穿螺栓连接节点的拟静力试验，试验结果表明，高强对穿螺栓连接节点具有较强的耗能能力；王燕等[4]提出采用高强螺栓和对穿螺栓组合连接的装配式钢结构梁柱节点： 先通过高强螺栓连接下柱与梁端板，再使用对穿螺栓连接上柱与整体结构，钢梁上、下翼缘的轴力可通过对穿螺栓直接传递到钢管柱的对侧，因此该节点具有较高的承载力；单向螺栓包括膨胀单向螺栓、伞式展开螺栓、 弹开式单边紧固螺栓等， 但这些单向螺栓成本高、构造复杂，难以实际推广应用[5]。

基于上述问题，开发一种低成本、构造简单的高强螺栓连接节点具有重要的工程意义。 本文设计采用柔性内套筒连接的方钢管梁柱节点， 其中内套筒分为柱内套筒及梁内套筒两种形式，通过高强螺栓连接内套筒及方钢管梁柱，分别形成端板节点及悬臂梁节点。 柔性内套筒可使高强螺栓达到更好的紧固效果，还可完成封闭截面的全螺栓连接，丰富了装配式轻型钢结构体系中方钢管梁柱连接节点形式， 在低层建筑中具有良好的应用前景。

2 新型方钢管梁柱全螺栓套筒节点概述

2.1 柱内套筒端板节点EP-1

端板连接是钢框架结构中最典型的梁柱连接形式之一，但应用在方钢管梁柱节点上受到封闭截面空间限制[6]。采取柱内套筒连接方钢管柱及端板，可以解决上述连接问题。 柱内套筒由4 块内衬板与2 个帽件构成，内衬板内侧焊有螺母，两个帽件将内衬板连接后组成柔性柱内套筒，如图1 所示；端板与梁在工厂焊接，现场组装节点时只需使用高强螺栓连接。

图1 柱内套筒示意图

节点安装时， 首先将柱内套筒和下柱通过螺栓进行临时固定，再将方钢管上柱精准对接到柱内套筒上端，随后初拧柱外贴板的高强螺栓进行固定，最后安装带有端板的方钢管梁。高强螺栓从外到内依次穿过连接端板、方钢管上（下）柱及内套筒，固定在内套筒预焊螺母上，如图2 所示。

图2 节点EP-1 设计示意图

2.2 柱内套筒端板加劲节点EP-2

加劲肋能够保护梁柱连接处焊缝等薄弱环节， 提高梁柱节点的极限荷载和刚度、改善节点的抗震性能[7]。因此，在柱内套筒端板节点EP-1 的基础上， 提出柱内套筒端板加劲节点EP-2， 如图3 所示。 节点EP-2 端板的上下两侧均设置加劲肋，加劲肋的位置与梁竖向方钢管壁相连，形状采用多边形，厚度与方钢管壁厚度相同， 加劲肋的长度和宽度与端板的外伸尺寸相同。

图3 节点EP-2 设计示意图

节点EP-2 的安装步骤与节点EP-1 相同， 但端板安装时，扭矩扳手需避开加劲肋，确保螺栓预紧力达到设计值。

2.3 梁内套筒悬臂梁节点CB-1

悬臂梁节点具有良好的延性，实现了塑性铰的外移，节点耗能包括滑移耗能、 螺栓杆和孔壁挤压耗能及拼接区板件的屈服耗能，耗能能力良好[8]，可较好地适用于装配式轻型钢结构。因此，提出梁内套筒悬臂梁节点CB-1，内套筒由3 块内衬板、1 块带齿条内衬板与2 个帽件构成， 带齿条内衬板开有槽道，槽道内侧设锯齿状构造，两个帽件将内衬板连接后组成柔性梁内套筒，如图4 所示。 安装时可以采用专用工具通过齿条调整内套筒位置，解决悬臂梁方钢管封闭截面连接问题。

梁内套筒在工厂加工完成并提前放置在钢梁内， 构件基本属于“光杆”构件。 安装时，首先进行方钢管柱及悬臂短梁的装配连接，再对接悬臂短梁及放置柔性内套筒的方钢管梁，通过齿轮驱动内套筒到合适的位置，与方钢管短梁、梁外贴板通过高强螺栓连接。 高强螺栓从外到内依次穿过梁外贴板、方钢管梁及梁内套筒，固定在梁内套筒预焊螺母上，如图5 所示。

2.4 梁内套筒悬臂梁攻丝节点CB-2

节点CB-2 的梁内套筒在4 个内衬板上钻孔攻丝， 以攻丝钢板来代替螺母，两个帽件将内衬板连接成柔性梁内套筒，如图6 示， 梁外贴板和内套筒与悬臂短梁连接安装方式与节点CB-1 相同。

图6 冲丝梁内套筒示意图

3 节点优势

1）承载力高。 方钢管截面形式对称，各向等强，抗扭刚度大，结构整体稳定性好。

2）全螺栓连接。 无须现场焊接，保障施工质量、提高施工效率；与现有的采用单向螺栓的节点相比，新型方钢管梁柱全螺栓套筒节点造价低、可靠性高，符合住宅产业化的发展趋势。

3）结构标准化设计。 全部构件在工厂加工，实现标准化设计、批量化生产；构件出厂后，基本是“光杆”构件，可提高运输效率及现场装配效率。

4）用钢量少。 采用此节点的3 层以下轻型钢结构房屋用钢量约35 kg/m2，且具有材料可回收、绿色环保等特点，不仅适用于低层住宅，还可应用在地震灾后的安置房屋。

4 技术控制要点

4.1 节点焊接加工

焊接加工是装配式轻钢结构的关键技术环节， 直接影响结构的稳定性。 内套筒预焊螺母、端板与方钢管梁的焊接操作对节点质量尤为重要，因此，工厂需严格按照要求进行焊接。焊接完成后，工厂应采取检验等质量控制措施，确保焊接达到预期效果，以便后续的装配式轻型钢结构施工顺利进行。

4.2 攻丝加工

攻丝的加工质量是施工时梁内套筒与高强螺栓有效对接的关键，因此，进行攻丝加工时需严格把控生产质量。 加工完成后，工厂在组装内套筒前要对攻丝丝扣进行质量检验，保证安装时内套筒与方钢管的有效对接。

4.3 高强螺栓

出厂前应按规定对高强螺栓进行性能检验； 在贮存过程中，注意防潮防腐、防污染；高强螺栓安装前要保证结构表面及垫片整体干燥和清洁； 安装时高强螺栓预紧力应严格按照规范取值， 避免因扭矩值过高或过小导致的螺栓断裂或紧固不足等问题。

5 结语

装配式新型方钢管梁柱全螺栓套筒节点现场无须焊接施工，全部采用高强螺栓快速安装，保障施工质量、提高安装效率，可以实现标准化设计、批量化生产，有利于推进装配式轻型钢结构住宅产业化进程。 后续可通过试验研究此节点的抗震性能，进而优化结构设计方法。