装配整体空间钢网格盒式结构节点形式研究

王新峰 于红燕

【摘 要】本文系统介绍了盒式结构及其特点，对盒式结构节点形式做了详细的介绍，在盒式结构节点的抗震性能研究中，关于节点形式的选择和设计原则做了详细的探讨。

【关键词】盒式结构；节点形式；设计原则

1 引言

钢结构作为一种优秀的结构类型在当今世界建筑群中被广泛采用，并且具有广泛的发展前景。钢结构优点众多，例如重量轻、强度高、刚度大、延性良好、抗震性能好、施工方便、综合经济指标好等，是当今建筑中无可争议的主要结构类型之一。钢结构体系中，装配整体式空间钢网格盒式结构是一种全新的结构体系，相较其它钢结构体系提出的时间较短，是马克俭院士于2010年提出的一种全新结构体系，并在近几年迅速发展，由于其钢材用量比传统钢结构较小，延性及抗震性能更强而得到广泛关注和研究。装配整体式钢网格盒式结构体系不但被应用于工业厂房、大跨度建筑中，在多、高层住宅结构中同样具有广泛的应用前景，其抗震性能是该结构体系研究的必备环节，目前盒式结构体系主要在整体抗震性能的研究[1]上，而节点的抗震性能研究同样重要，但目前该领域还处于空白，空腹桁架与柱相交节点以及带混凝土层的空腹桁架柱相交组合节点的抗震性能研究尚属首次提出，所以研究混凝土层对盒式结构的抗震性能影响必不可少。在盒式结构节点的拟静力试验中，盒式结构节点的选取尤为重要，且应分为纯钢节点和组合节点。

2 盒式结构简介

马克俭院士早期深入的研究了钢筋混凝土密肋井字楼盖，在此基础上于2010年提出了一种全新的钢结构体系，即整体装配式钢网格盒式结构体系（以下简称盒式结构），这种结构体系的组成部分为：竖向是由钢密柱与H型钢层间联系梁组成的单层钢网格承重墙架；横向为"十"字拼接单元组成的空腹夹层板，上下T型钢与剪力键组成拼接单元，空腹夹层板与钢网格承重墙架相连，组成一个空间性能好，抗侧移刚度大，传力路径清晰，抗震性能好的全新结构体系[2]。竖向钢网格承重墙架与框架相比，竖向钢网格承重墙架的网格小，其内力分布均匀、内力小、构件小，且抗侧刚度大。

3 装配整体式钢网格盒式结构的特点

盒式结构新体系具有许多优点，相比目前常用的钢框架结构和钢框架-混凝土剪力墙结构，盒式结构在受力机理、传力路径、建筑功能、施工方法、节能环保和工程造价等方面更有优势。盒式结构具体有以下优点：

（1）小尺寸的密肋钢柱网格式墙架解决了大跨度工业与公共建筑中肥梁肥柱问题，具有"板"的力学性能，其抗侧移刚度较大。當与混凝土核心筒协同作用时，形成两道抗震防线，抗震性能更加优越；

（2）钢空腹夹层板楼板（屋面）的单元网格长宽比一般小于1.5，网格单元受力特点相当于双向板，力的传递路径均匀合理，且能满足挠度变形的要求；

（4）钢结构部分维护简单。横向钢网格外墙采用现浇填充石膏墙体，墙体施工简单，保温性能好且不易开裂，钢构件完全包裹在石膏墙体内，完全被密封，无需再做防火防锈处理。

（5）室内无梁无柱，空间大，层高较小；

（6）水平体系和竖向体系均采用小构件单元螺栓整体装配，每件拼装单元重量不超过500kg，工厂制作，构件运输方便，现场高强螺栓连接大大缩短工期，是一种适合市场推广的钢结构体系[3]。

4 盒式结构节点简介

目前装配整体式空间网格结构主要以全焊的刚性连接为主，由双T型钢组成的空腹水平受力体系与钢柱相连接组成，具有类似桁架体系的受力特点，由抗剪刚度较大的方钢管形成的剪力键抵抗水平剪力，并连接上下T型钢共同抵抗荷载作用，使得空腹桁架与柱相交节点的抗震性能不同于常规的梁柱节点。钢网格空腹桁架与柱相交节点是联系水平受力体系和竖向受力体系的关键部位，主要有边跨单向的T字形节点，包括强轴方向节点和弱轴方向节点，中间跨十字形双向节点以及角柱强轴和弱轴两个方向的L形节点。考虑到焊接质量，残余应力，残余变形以及费用的影响因素，工程中常通常采用热轧T型钢，也可由热轧H型钢在工厂在腹板切开而来，这样可以得到不同腹板高度的T型钢，T型钢上下翼缘采用全融透的坡口焊与柱翼缘连接，其它部位采用双面角焊缝连接，在桁架单元1/2位置截断，预留螺栓孔，在施工现场用高强螺栓将拼装单元通过上下两块钢板将上下翼缘和腹板连成整体。空腹桁架与柱相交节点传力明确，构造简单，施工方便，并具有良好的承载能力，能使结构安全可靠的工作，是一种经济合理的节点形式。

5 盒式结构节点的设计原则

盒式结构节点的拟静力试验没有相关资料，参考已有其他节点形式，为避免空腹桁架与H型钢柱翼缘的焊缝连接的脆性破坏，应保证塑性铰区域远离H型钢柱；由于盒式结构采取空腹桁架的形式，空腹的存在一定程度上削弱了其承载力，抗剪能力的下降尤为明显，为保证其必要的承载力，组成空腹桁架的上下T型钢截面的选择尤为重要；同时应保证盒式结构节点进入塑性阶段后的变形能力和耗能能力；盒式结构节点亦应严格恪守"强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件"的设计原则。

因此，理想中的盒式结构节点实验是让靠近H型钢柱翼缘的空腹桁架一端首先出现屈服，继续加载过程中此处逐渐形成塑性铰区域，以耗散地震的能量，塑性铰区域远离节点根部，保护了焊缝和节点核心区，避免焊缝处的脆性破坏，塑性铰的出现，增大了节点的耗能能力以及节点屈服后的变形能力。由以上考虑，本次试验所有节点的设计原则是：

（1）塑性铰尽可能出现在空腹桁架的根部或空腹桁架上下T形截面型钢与加劲板相交附近最薄弱位置，避免空腹桁架与H型钢柱交接处的焊缝先破坏；

（2）为了不使空腹桁架和H型钢柱太早发生剪切破坏，组成空腹桁架的上下T型钢的腹板尺寸及空腹高度应该给予注意；

（3）对于盒式结构节点，空腹的存在削弱了空腹桁架的抗剪能力，盒式结构节点本质上更接近削弱型节点，节点核心区相对空腹桁架其刚度要大很多，但是由于节点核心区受力复杂应当给与重视，避免节点核心区先于空腹桁架端破坏；

（4）保证焊缝质量，需符合"强焊缝，弱钢材"的原则，保证节点域与空腹桁架连接处焊缝的安全。

盒式结构在水平荷载下，拼接单元形成的网格每段空腹桁架都有一个反弯点，反弯点两侧应力分布相似，由于钢节点的材料性能及盒式结构节点的特点，应该采用足尺试件[4]，空腹桁架的长度取1/2空腹桁架的跨度，节点核心区上下H型钢柱取1/2柱高，节点的选取是由盒式结构节点在水平方向承受荷载时弯矩的反弯点位置来决定的，且宜采用T字型试件。

参考文献：

[1] 谭增辉，马克俭，梁影. 装配整体式空间钢网格盒式结构高层节能住宅建筑的研究与应用[J]. 贵州大学学报（自然科学版），2012，06：126-130.

[2] 宋帅，麻凤海，陈志鹏，栾焕强，魏艳辉. 装配整体式空间钢网格正交斜放盒式结构在多层大跨度工业建筑中的设计与应用[J]. 建筑结构，2014，13：15-18.

[3] 马克俭，张华刚，肖建春，成复秀，卢亚琴. 新型建筑结构体系的开拓与发展[J]. 贵州工业大学学报（自然科学版），2008，04：13-27+43.

[4] 中华人民共和国建设部，型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ 138-2001 J 130-2001），中华人民共和国行业标准，北京：中国建筑工业出版社，2002-01-01.