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装配式钢结构梁柱连接节点研究进展

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摘要


近年来,在国家大力推行政策背景下,装配式建筑成为研究的热门课题。钢结构作为一种天然的装配式结构,具备施工速度快、现场湿作业少、便于实现工业化和标准化、质量易控制、绿色环保等诸多优势,在装配式建筑领域中具备巨大的发展前景。介绍了近年来国内外装配式钢结构梁柱连接节点研究情况,根据构造特征分为套筒式、悬臂短梁式、桁架梁、单边螺栓、装配式钢框架体系、带耗能元件等装配式节点形式,对各装配式节点构造和力学性能进行阐述与总结。


1 概述


在美国和日本等发达国家,装配式建筑的发展较为领先。美国从19 世纪末开始研究装配式建筑,并成立相关协会,长期进行装配式建筑的研究和推广。日本在装配式建筑的应用上已经达到了较高的水平,相关标准和规范也已相当完善[1]。我国建筑工业化和信息化发展相对落后,粗放式的建设和生产模式正在面临严峻挑战。工业化装配式钢结构建筑是促进建筑工业化转型升级,发展中国全寿命绿色建筑,解决当前钢铁产能过剩的有效途径,同时也是我国建筑业实现现代化的必由之路[2]。


我国对于装配式钢结构建筑的研究相对滞后,装配式钢结构建筑具有抗震性能优越、生产周期短、建筑空间布置灵活、综合经济效益好、舒适度高等诸多优点,在国内的研究和应用也日益增多[3]。钢结构建筑常通过梁柱节点连接来实现装配化。传统钢框架中梁柱刚性连接节点采用的形式有栓焊混合连接、全焊接、全栓接( 图1) ,这三种连接形式也属于广义的装配式连接节点形式。前两种连接形式由于受到环境和工人施工水平等因素的影响,焊接质量难以稳定控制,给节点连接受力性能埋下安全隐患。全栓接梁柱连接节点费工费料,工程中鲜有采用,且这些连接装配化程度不高,无法满足真正意义上的装配建筑的要求。


图1 传统梁柱刚性连接节点


为了能够大幅缩短施工时间,保证施工质量,并实现绿色环保等综合建设目标,新型钢结构装配式梁柱连接形式应运而生,该类节点大多采用螺栓连接替代焊接,避免现场焊接施工带来的不利影响,并通过一定的构造设计提高建筑的装配化程度,为装配式钢结构的发展提供了新的引擎。本文针对国内外装配式钢结构梁柱节点的研究进展进行综述。


2 装配式钢结构梁柱连接节点研究现状


2. 1 套筒式装配式梁柱连接节点


在钢框架中,对于闭口截面构件,由于螺栓不易施工,装配过程难以实现,有学者提出了套筒式新型装配式连接形式,改善了这一施工难题。套筒是解决闭口截面梁或柱进行装配式连接的有效手段。


2. 1. 1 套筒式方钢管柱与梁装配式连接节点


目前已有文献中套筒主要应用在方钢管柱与工字型梁的连接节点中。通过套筒可以进行上下柱的拼接,加强节点域且便于螺栓施工。依据套筒与柱的相对位置分为外套筒和内套筒。


李黎明提出了外套筒式梁柱连接节点( 图2) ,在方钢管柱外壁设置外套筒,通过高强度螺栓和T型件与钢梁相连,取消了柱的内隔板,便于管内混凝土浇筑,采用全螺栓式连接,施工速度快[4]。该新型节点在工厂加工时需要在钢管柱及外套筒上开设用来进行螺栓安装的手孔,现场拼装完成后进行手孔补焊,增加了该节点的施工复杂程度。图2 节点的低周反复荷载试验和有限元分析表明: 节点具有良好的延性和较高的承载力,增加外套筒厚度可以提高节点的刚度和抗震性能; 通过优化外套筒厚度、T 型件腹板厚度、T 型件翼缘厚度和增设加劲肋等构造参数可获得连接优良的力学性能[4-5]。但该连接是一种半刚性连接形式,结构在地震作用下底部剪力明显减小,动力响应与刚性节点相比存在很大差异[6]。张茗玮等提出一种内套筒装配式梁柱连接节点( 图3) ,将套筒设置在钢柱内侧,柱外壁平整,利于后期装修[7]。为了避免在节点域钢管柱上开设螺栓安装手孔,采用对拉螺栓完成上柱、套筒及T 型件的连接,提高了节点的装配化施工程度。图3节点的有限元分析表明: 内套筒厚度增大,节点耗能能力和极限承载力提高,内套筒厚度大于柱壁厚度2 mm时,节点表现出良好的滞回性能; 当内套筒厚度取值过大时,节点力学性能提升不显著; 内套筒长度增加,对拉螺栓对T 型件约束能力减弱,T 型件翼缘弯曲变形增加,节点的抗弯承载力降低[7-8]。


图2 外套筒式节点


图3 钢管内套筒-T 型件梁柱连接节点


杨松森等针对装配式外套筒-外伸端板组件梁与柱连接节点进行了研究( 图4) 。该节点是在图2基础上采用外伸端板组件来替代T 型件实现梁柱的连接。该节点端板与钢梁实现了分离组装,采用盖板对梁端部进行加强,有利于实现梁端塑性铰外移,外伸端板组件在施工时可以兼做钢梁的临时支托,提高了安装速度[9]。图4 节点的试验研究结果表明: 梁与柱采用高强螺栓外伸端板组件连接,可以提高节点的变形和耗能能力。由于柱与外伸端板采用对拉螺栓连接,滞回曲线在位移加载控制初期会出现一段滑移。设计中应通过选择合理的螺栓直径和外套筒壁厚、减少套筒与柱壁间隙等措施,提高节点的刚度和耗能能力[9]。


图4 外套筒-外伸端板组件梁柱连接节点


马强强等提出一种新型装配式梁柱内套筒组合螺栓连接节点( 图5) 。该节点将图3、图4 的特点相结合,同时将图4外套筒换为内套筒,采用类似图3上部的对拉螺栓连接,可以实现上柱与下柱、梁与柱全装配化连接[10]。图5 节点的低周反复加载试验和有限元分析结果表明: 该节点承载力高、延性好、抗震性能好; 内套筒厚度增大,节点承载力提高,但会降低节点延性,增加端板厚度对提高节点刚度效果不明显[11]。节点具有一定的耗能能力,内套筒与钢柱的安装间隙会降低节点转动刚度[12]。在往复荷载作用下,受对穿螺栓影响,柱壁在往复加载过程中出现“对称凹屈”现象。对拉螺栓在试验过程中可能被拉断,性能不如高强螺栓可靠。


图5 内套筒组合螺栓连接节点


2. 1. 2 套筒式方钢管梁与柱装配式连接节点


Zhang 等研究了一种方钢管梁与工字型钢柱通过黏接套筒连接的新型节点[13],如图6 所示,内套筒与端板焊接在一起,端板上部和下部用对穿螺栓与柱相连,端板中部采用单边螺栓与柱翼缘相连,套筒与方钢管梁采用特殊的黏接剂相连。对图6 节点的力学响应进行了试验研究,并以此为基础建立了详细的有限元模型。从破坏模式、弯矩转动曲线和应变响应等方面对所建立的有限元模型进行了验证,分析端板厚度、黏结长度、螺栓数量主要设计参数的影响。研究发现,端板厚度对节点初始刚度和转动刚度有较大影响,中央盲孔螺栓的存在提高了黏结套筒连接的转动刚度。


图6 黏结套筒连接节点


2. 2 悬臂短梁式装配式梁柱连接节点


悬臂短梁式装配式梁柱连接节点是指在工厂内将悬臂梁段与柱焊接在一起,在施工现场采用螺栓完成梁与悬臂梁段的拼接。由于悬臂梁段与柱子的焊接在工厂完成,可以保证悬臂梁段与柱之间的焊接质量,该梁柱节点改善了梁柱交接处( 主要受力部位) 的焊接质量,将梁柱连接由梁端移向梁段,结构合理、传力明确、现场无焊接、安全性好、可提高安装效率。


张爱林等提出了一种采用Z 形悬臂梁段实现梁柱装配式连接的节点形式( 图7) [14]。该节点中的悬臂梁段下翼缘长于上翼缘,以方便梁的就位,主梁上翼缘长于下翼缘,翼缘对应位置开螺栓孔,通过高强螺栓进行连接,腹板则是借助两块拼接板通过螺栓连接。郁有升等提出了一种装配式“互”形节点实现工字形梁与H 形柱的连接( 图8) [15],与图7所示节点不同,该方案在悬臂梁段的下翼缘和钢梁的上翼缘焊接拼接耳板,在施工现场完成耳板与对应梁翼缘的螺栓连接。张爱林提出了一种端板式悬臂梁段连接节点以实现圆钢管柱与H 形钢梁的连接(图9) [16],解决了以往圆钢管柱不方便与梁实现装配式连接的问题。这三种悬臂短梁式梁柱连接节点,分别解决了方钢管柱、工字形柱、圆钢管柱与工字形钢梁的装配式连接问题,其节点力学性能研究结论如下。


1) 图7 节点的低周往复试验和有限元分析表明: 与传统刚性连接节点相比,带Z 形悬臂梁段的梁柱节点属于半刚性连接节点,在地震作用下具有良好的延性,并可以实现塑性铰外移。在不显著降低节点承载能力的前提下,减少翼缘高强螺栓数目可以提高节点延性和塑性转动能力; 翼缘和腹板开大螺栓孔对节点抗震性能影响较小。


图7 带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点


2) 图8 节点的有限元分析表明: 盖板厚度和宽度、悬臂梁段长度、螺栓的数量对节点的延性和承载力有显著影响。根据有限元分析结果,给出了该节点的设计建议: 悬臂梁段长度宜取1. 7 ~2 倍梁高,盖板的横截面积应取1. 05~l.3 倍的梁翼缘横截面积。与图7 所示节点相比,该拼接方式用到了两块拼接耳板,拼接耳板本身的强度和耳板与梁的焊缝连接质量需要得到保证,上翼缘耳板的存在使得梁上翼缘不是一个平面,对于楼板的安装会产生不利影响,需要在后续研究中进行改进。


图8 “互”形装配式刚性节点


3) 图9 所示节点有限元研究发现: 调整连接盖板与翼缘的相对刚度,可以使破坏发生在翼缘连接盖板处,并且实现了梁端塑性铰的外移。梁翼缘连接盖板螺栓间距的变化对试件极限承载力有显著影响。该节点最大特点是梁腹板采用端板式连接,通过调整螺栓间距、连接板厚度等设计参数,可将梁端塑性铰外移至可更换的翼缘连接盖板处,震后只需更换翼缘连接盖板和高强螺栓即可完成结构的快速修复,有利于在实际中推广和应用。


1—连接装置; 2—普通梁段; 3—带悬臂梁段的圆钢管柱。

图9 端板型装配式钢结构梁柱节点


2. 3 桁架梁与柱装配式连接节点


桁架梁在我国装配式钢结构领域应用较多,与实腹式梁相比,桁架梁具有节省材料、传力明确等优点,更容易把钢材轻质高强的材料特性发挥到极致。与实腹式钢结构梁柱节点相比,钢结构中的桁架梁与柱连接节点的研究较少。


刘学春等提出一种桁架梁与柱的装配式节点形式( 图10) [17],节点构件的焊接工作均在工厂完成,在高强螺栓连接部位预留螺栓孔,并在施工现场完成螺栓拼接,符合装配式钢结构的理念[18]。王婧等针对一种带斜撑的桁架梁与钢管柱装配式节点形式进行了研究( 图11) [19],该节点中的柱座钢管、桁架梁、柱座钢垫板、柱内管焊接在一起,上下柱通过柱内管进行螺栓连接,在桁架梁与斜撑连接处设置垫板,通过螺栓完成斜撑、柱、桁架梁的连接,主要研究了斜撑对节点受力性能的影响。其节点力学性能研究结论如下。


图10 桁架梁与柱装配式连接节点


图11 带斜撑的钢管柱-桁架梁连接节点


1) 图10 节点的试验和有限元分析表明: 节点的力学性能和破坏模式受焊缝焊接质量、螺栓布置形式、板件厚度影响较大,该节点转动刚度大,节点的承载能力较高,延性、耗能能力较好; 桁架梁弦杆和腹杆厚度变化会对节点承载能力影响显著,但对节点的延性和耗能影响不大


2) 针对设置斜撑的桁架梁-柱节点( 图11) 进行了数值模拟,研究结果表明: 斜撑的存在提高了节点的强度、刚度和稳定性,改善了节点处的应力状态,斜撑有效地实现塑性铰外移,在一定程度上提高了节点的延性。该节点受力之后没有明显的转动和变形,刚度较大,认为该节点形式为刚性连接。


2. 4 单边螺栓梁柱装配式连接节点


单边螺栓可以实现单侧安装、单侧拧紧功能,不需要额外开设安装手孔,能在不破坏钢管的前提下,完成螺栓连接,施工简单,减少现场焊接工作量,在闭口截面柱与梁的装配式连接中具有很好的应用前景[20]。单边螺栓早期起源于国外,形式多样,近年来,国内有关单边螺栓的研究与开发也逐渐增多。封闭空间内锚固端的形成机理是单边螺栓的核心要点,下面以此为依据对单边螺栓展开分类阐述。


2. 4. 1 “膨胀螺栓”式单边螺栓


该类单边螺栓主要是在螺栓拧紧过程中通过套在螺栓杆上的带狭槽的套管分肢受到挤压膨胀形成锚固端。螺栓形状和受力机理类似于传统膨胀螺栓。常见的该类单边螺栓有英国的Hollo-Bolt ( 图12) 、RMH 螺栓、EHB 螺栓。在该类螺栓中,套管各分肢的抗剪强度决定了螺栓的最终承载力,单边螺栓因外套管分肢挤压弯折变形导致螺栓被整体拔出而发生破坏[21]。该类螺栓构造和施工相对简单,因此较其他单边螺栓应用范围广。


图12 Hollo-Bolt 单边螺栓


2. 4. 2 “铆钉”式单边螺栓


该类单边螺栓主要通过套管受挤压外凸形成“特殊垫圈”来实现螺栓头在封闭空间的锚固。螺栓的形状和受力机理类似于铆钉,常见的该类单边螺栓有美国的BOM 单边螺栓( 图13) ,Ultra-Twist 单边螺栓,日本的TCBB 单边螺栓( 图14) 以及国内SHSOB 单边螺栓( 图15) 。该类单边螺栓对可变形套筒的材料性能要求比较高,需要其具有较高的强度和足够的变形能力。该类单边螺栓可采取增设抗剪垫片或“梅花头”来检验螺栓的拧紧效果,确保螺栓受力性能满足要求。



图15 SHSOB 单边螺栓的试验研究[22]表明: 新型单边自紧高强螺栓能够达到扭剪型高强螺栓相关规范力学性能的要求。该单边螺栓以国产M20 扭剪型高强螺栓为基材,降低了单边螺栓的成本和加工制作难度,可以采用扭剪型螺栓的电动扭矩扳手施工,安装效率高,有利于在工程中推广。


图15 SHSOB 单边螺栓


2. 4. 3 带“折叠垫片”的单边螺栓


该类单边螺栓通过一个特殊的可变形的折叠垫片从螺栓孔塞入,在封闭空间内部展开为圆环状,从而实现对螺栓头的阻挡。常见的有澳大利亚的Ajax ONESIDE 螺栓、同济大学王伟的SCBB 单边螺栓( 图16) 等。与其他单边螺栓依靠套筒变形形成的垫片相比,该折叠垫片( 图17) 在恢复形状之后对螺栓头具有更强的锚固力,使该类单边螺栓表现出与传统的高强螺栓几乎相同的性能,其缺点在于该类螺栓安装时需要特定工具,零部件较多,构造较为复杂,成本和施工效率是制约该螺栓推广的主要因素。


图16 SCBB 螺栓安装示意


图17 分离式垫片


2. 4. 4 其他单边螺栓


单边螺栓的种类还有自攻螺纹单边螺栓( 图18) 、Blind Bolt 螺栓、Molabolt 螺栓等其他多种形式。自攻螺纹单边螺栓需要专用的钻头,在钻头与钢板摩擦过程中积聚热量,使钢板呈塑性状态,之后贯穿孔壁,最后还需进行攻丝操作,工艺较为复杂,螺栓的紧固效果还易受钢板厚度、钢材强度等因素影响,并未大规模推广应用。Blind Bolt 螺栓、Molabolt 螺栓加工较为复杂,锚固能力有限,制约了其进一步推广和应用。


图18 Blind Bolt 螺栓


2. 4. 5 应用单边螺栓的装配式节点


Lee 等提出了一种方钢管柱和工字形钢梁的连接方案,如图19 所示[23]。在这种连接中,侧板与方钢管柱采用单边螺栓连接,侧板与梁翼缘通过槽钢采用高强螺栓相连,最终实现梁上下翼缘与方钢管柱的连接,该连接是端板连接和T 形件连接的一种替代形式。研究结果表明: 通过槽钢侧板实现梁柱连接使节点具有较大的刚度,增加螺栓尺寸对连接的初始刚度会有显著影响。该研究提出的侧板连接的简化设计模型能够较准确地预测节点的连接刚度,可以为其他闭口截面柱的单边螺栓连接研究借鉴,为今后其他单边螺栓连接的发展奠定了基础。


图19 单边螺栓连接节点等轴侧视图


文献[24]对采用Blind Bolt 单边螺栓的装配式节点( 图20) 性能展开研究。该节点通过Blind Bolt实现方钢管柱与工字形钢梁的端板式连接,试验和数值分析表明: 增大梁的尺寸和端板的厚度可以显著提高节点的极限承载力; 柱壁厚度对单边螺栓的连接刚度和强度有显著影响; 柱单边螺栓端板节点的极限承载力受钢梁强度、螺栓直径、端板厚度等因素的影响较大。


Wang 等对采用SCBB 的梁柱端板连接节点( 图21) 开展了试验研究,并与采用英国Hollo-Bolt 螺栓连接的节点性能进行对比,分析了试件的承载能力、延性、初始刚度、刚度退化和耗能性能[25]。之后,Wang 等又研究了单边螺栓在受拉、受剪和拉剪联合作用下的预紧力和力学性能,表明SCBB 具有较好的紧固性能,在循环荷载作用下,SCBB 表现出几乎与传统高强螺栓相同的性能; 而采用Hollo-Bolt 的节点在螺栓孔破坏前出现早期松弛,表明套管可能发生剪切破坏,预紧力较低; 采用较薄柱壁的节点刚度和承载力较低[26],因此SCBB 连接的节点柱壁不易过薄,设计合理的SCBB 连接具有良好的力学性能和抗震应用潜力。


李国强等对采用国产单向螺栓STUCK-BOM[27]梁柱连接节点展开研究,提出了外伸端板单向螺栓连接节点的螺栓力分布模式,并且得到的理论计算值与试验结果吻合较好[28]。对于方钢管柱与H 型钢梁平齐式端板单向螺栓连接节点,建议采用端板先于螺栓、柱壁发生破坏的原则进行设计[29]。


图20 Blind Bolt 梁柱连接节点


图21 SCBB 梁柱连接节点


2. 4. 6 单边螺栓小结


单边螺栓是解决闭口截面柱完成装配式连接的最佳方案,但受单边螺栓成本较高、构造安装复杂,承载力不如传统高强螺栓可靠等诸多因素的限制,并没有得到大范围推广使用。因此,研发一种新型国产的低成本、安装方便快捷、承载力可靠的单边螺栓也是国内众多研究人员亟待解决的问题。


2. 5 装配式钢框架结构体系的梁柱节点


近年来,不同形式的多高层装配式框架体系形式不断出现,具有代表性的有盒子式多层钢框架体系、ConX 体系以及其他全螺栓装配式钢框架体系,这些钢框架体系具有装配程度高、施工速度快、安全性高等诸多优点。装配式梁柱节点是钢框架体系的关键部位,直接决定着钢框架体系的受力性能和安装效率,下面对装配式钢框架结构体系中的梁柱节点的相关研究展开论述。


2. 5. 1 盒子式模块化房屋装配式梁柱节点


盒子式模块化装配式钢结构建筑是一种工业化程度较高的建筑形式,首先在工厂内完成建筑的结构部分、设备安装和装修等工作,然后将各个模块单元运输到施工现场进行组装。盒子式模块化装配式钢结构建筑具有施工速度快、质量高、建设周期短、安全性高等诸多优点,具有广阔的应用前景。


刘学春等提出一种装配式钢结构模块建筑体系( 图22) [30],梁与柱直接焊接成完整的框架单元,上下层柱拼接时,上下层柱之间加填一块法兰盘,在拼接面柱周围加工出环状螺栓孔,通过一圈螺栓完成上下柱的拼接( 图23) 。刘明扬等针对图24 所示模块化钢框架结构提出一种新型板式连接内套筒模块化钢框架连接装置( 图25) [31-32],该节点通过内套筒和连接板组件实现上下柱的连接,先把内套筒插入下层钢管柱中,完成下柱与连接板的焊接,上柱就位后,再把上柱与连接板焊接在一起,从而完成节点的连接; 与图23 相比,该方案增加了内套筒的设计,可提高节点的刚度和结构的抗剪能力,不足之处在于该方案使用焊缝完成连接板与柱的连接,不如采用螺栓连接施工方便。加拿大学者Jothiarun 提出一种新型的模块化钢结构体系[33],它采用了铸钢连接器和空心结构钢构件,如图26 所示,在拼接位置,矩形管梁通过铸钢连接器实现与柱的连接,梁由顶梁和底梁组成,顶梁和底梁分别采用不同的铸钢连接器相连,上下铸钢连接器之间设有限位销并通过两个螺栓实现上下层的连接。盒子式模块化节点力学性能研究如下。


图22 盒子式模块体系装配示意


图23 模块化节点


图24 模块单元组成的多层框架结构


图25 模块化板式内套筒连接节点


图26 采用铸钢连接器装配式节点


1) 图23节点的有限元分析表明: 螺栓规格较大的模型承载力更高,梁翼缘栓接可以提高节点的承载力,节点满足抗震设计要求。该钢结构模块建筑体系,在工厂完成建筑模块的加工和装修,现场只需采用高强螺栓来拼装各个建筑模块,缩短了施工时间,减少了建筑施工对环境污染,该体系中的建筑模块可以进行循环利用,体现了绿色的发展理念[34]。


2) 图25节点有限元研究表明: 在静力荷载作用下,该节点的梁与柱连接区域形成塑性铰,连接板与套筒相连的区域存在应力集中现象; 增加内套筒厚度可以改善内套筒的应力状态; 改变连接板厚度和内套筒厚度对节点承载力影响不大。


3) 图26节点的试验和有限元分析表明: 通过降低铸钢连接器的厚度,可以在满足结构受力的前提下,使模块化结构更轻、更经济。该连接在轴向压缩载荷作用下的破坏模式为非弹性整体屈曲,具有较好的延性。上下梁连接螺栓的位置影响连接的抗拉强度,当连接上下层模块的两个螺栓的位置由柱侧移动到距柱12. 7 mm 时,节点连接刚度显著增加,当受到轴向拉力时,连接螺栓的位置可以调整,以达到更高的刚度和承载能力。


2. 5. 2 钢框架体系中的装配式钢结构梁柱节点


ConX 体系是由美国公司研发的新型装配式钢结构体系。该结构体系由H 型钢梁、方钢管柱、梁柱连接组件、压型钢板与混凝土组合楼盖及基础组成[35]。ConXL 连接节点可以保证方钢管柱的连续,通过柱角部和梁端部套板的螺栓连接,实现梁柱之间力的传递,该节点在安装现场可实现快速装配。图27 为ConXL 节点的构造图。文献[36-37]对ConXL 节点进行了研究试验和有限元分析表明: 螺栓与套板外缘的位置越接近,螺栓杆的轴向应变越大,滑移越小。在单轴、平面和双轴荷载作用下,柱子并未发生明显的局部屈曲,该节点具有良好的抗震性能。


图27 ConXL 节点


Liu 提出了一种适用于模块化钢结构的现场螺栓连接方法(图28) [38],该节点组成的装配体系如图29 所示。节点中柱子由上柱、下柱、柱座组成,上下柱分别焊接法兰板与柱子中间模块进行螺栓连接,梁的上下翼缘与柱子法兰板通过两块连接板进行螺栓连接,梁腹板与柱座通过两块连接板进行螺栓连接,最终实现方钢管柱与工字形钢梁的全装配式连接。试验和有限元分析结果表明: 节点区域螺栓数量是影响连接性能的主要参数,节点区域螺栓越多,节点滞回曲线越饱满; 节点区域附近梁法兰变形越大,节点耗能能力越大。该连接具有良好的抗震性能,满足现场安装方便、装配快捷的要求。


图28 节点装配示意


图29 装配体系


2. 6 带耗能元件的装配式梁柱节点


近年来,一些新型的装配式钢结构梁柱节点常常加入耗能元件来辅助节点受力,通过合理设计,该类节点受力后,变形主要发生在耗能元件上,地震后只需要更换耗能元件即可完成结构的快速修复。


文献[39]研究开发了一种具有狭缝阻尼器的梁柱节点,该节点可以实现H 形柱和工字形钢梁的装配式连接,梁上翼缘借助T 形件实现与柱翼缘的连接,梁下翼缘与柱通过阻尼器相连,该阻尼器如图30 所示,通过开有若干狭缝的钢板实现耗能。文献[40]提出一种采用复合超高性能混凝土(UHPC) 和摩擦阻尼器的装配式梁柱连接节点。该节点构造如图31 所示,梁上部通过带有端板的组件实现与柱的螺栓连接,组件上部钢板浇筑复合超高性能混凝土,并设置了抗剪栓钉提高超高性能混凝土与钢板的黏结,梁下部通过摩擦阻尼器( 图32) 与柱相连,通过钢板之间的摩擦实现耗能。文献[41]对采用无焊接铸钢连接件( 图33a) 作为可更换耗能元件的梁柱节点( 图33b) 进行了试验研究,该节点采用扩翼缘梁,通过在翼缘开设椭圆长孔的铸钢T 形件实现梁与柱螺栓连接。文献[42]等对于一种后张拉耗能连接节点( 图34) 展开研究,该连接通过消除残余变形和耗能原件的耗能来减轻结构在地震中的破坏。梁翼缘通过角钢实现与柱子连接,沿梁的轴线方向穿过柱子翼缘张拉钢绞线,最终以角钢和钢绞线为耗能元件实现节点耗能。带耗能元件的装配式梁柱节点力学性能研究结论如下。


1) 图30 梁柱节点足尺寸循环加载试验研究表明: 该节点具有良好的滞回性能,塑性变形仅发生在梁底部翼缘上的狭缝阻尼器上。可以通过合理设计,防止梁和柱发生塑性变形,地震后只需更换变形的阻尼器即可完成结构的修复。


图30 采用狭缝阻尼器的节点


2) 图31 节点的ABAQUS 有限元数值分析表明: 100 mm 厚的超高强度混凝土层和20 mm 厚的钢板可以保证梁柱连接的损伤容限。采用摩擦阻尼器可实现早期屈服机理,建议塑性铰长度为120 mm,以提高节点屈服后刚度。该梁柱连接节点具有较好的抗震性能,在地震作用下,该节点变形主要集中在摩擦阻尼器上,各部件采用螺栓连接,更换方便快捷,地震后损伤可以迅速修复。


图31 高性能混凝土与摩擦阻尼器组合节点


图32 摩擦阻尼器


3) 图33 节点的试验结果表明: 采用铸钢连接节点的试件具有良好的耗能能力,滞回曲线稳定饱满,其延性受耗能元件断裂的控制,合理配置耗能元件可以改善节点的受力性能,可为今后此类连接器的实际设计提供重要依据。根据EC[43]将该节点划分为半刚性节点,该节点在循环荷载作用下的延性满足AISC[44]的要求。节点的屈服和耗能主要发生在铸钢连接件上,相邻的结构构件保持在弹性范围内,结构在地震后的修复工作较小。


a—铸钢连接件; b—试件示意。

图33 采用铸钢连接件的梁柱节点


4) 图34 节点的有限元模拟了后张拉耗能节点在循环荷载作用下的梁局部屈曲、钢绞线屈服和角钢断裂失效模式。采用低屈服点( LYP) 钢将断裂点从4%延迟到7%,改善了节点的受力性能。这种节点可以改善框架的抗震性能,在强震作用下可以延缓或防止结构倒塌。


图34 后张拉耗能连接节点


3 总结与展望


本文结合近几年国内外文献中关于装配式钢结构梁柱节点的研究内容,阐述了套筒式连接节点、悬臂短梁式梁柱节点、桁架梁与柱连接的节点、单边螺栓节点、装配式钢框架体系中的梁柱节点以及带耗能元件的梁柱节点等装配式节点形式,对节点的构造特点和力学性能进行综述。


目前,随着研究不断深入,新的装配式钢结构梁柱连接节点不断涌现,不同节点形式受力性能也各有其特点,通过不断研究,虽然已经获得了一些具有良好的承载力和耗能能力的节点形式,得出了一些装配式钢结构梁柱连接节点受力机理和简化设计模型,但还存在一些问题亟待研究:


1) 对于装配式节点各参数对节点承载力、位移的定量分析不足,应对节点初始刚度计算模型和节点各构件的屈服时序进行深入研究,完善设计理论,建立和完善装配式节点试验数据库,为规范的制订提供数据支撑。


2) 对采用新型装配式节点的框架研究较少,应对采用新型节点的多高层框架在地震、风荷载作用下的抗侧力性能开展进一步研究,结合减、隔震技术,对双向地震作用下的框架抗倒塌性能进行研究。


3) 应对螺栓与螺栓孔及板件之间因节点发生变形、接触发生变化时的应力重分布做进一步研究。


4) 目前对于装配式节点的研究多为常温状态的研究,对于火灾作用下的节点构件的损伤时序研究较少。


5) 增加新材料、新工艺的应用,提高结构震后的可修复性,采取一些易于维修加固的构造措施。


装配式钢结构梁柱连接节点还需要广大学者进一步深入研究和探索。我国住房和城乡建设部在2019 年的十项重点工作中提出,要大力发展装配式钢结构建筑,加快完善装配式建筑技术和标准体系。钢结构作为具有天然装配式建筑优势的结构形式,必然会蓬勃发展。


(编辑:奚雅青)


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