高层建筑钢结构梁柱节点试验研究

祁琳

摘 要：随着社会经济的快速发展，人们的生活逐渐由农村转向城市，导致城市人口的大量聚集，进而对城市中高层建筑的结构有个更加严格的要求。其中钢结构具有强度高，抗震性能好，环保和综合经济指标等优点，是高层建筑材料中最常用的一种结构形式。但在高层建筑钢结构中想要构建完整的结构系统，就需要学会合理的将各种构件相互组合在一起。梁柱节点作为整个建筑结构框架的关键连接部分，它的连接性能直接影响着框架结构在荷载作用下的整体反应。通过对大量的事故和震害进行研究发现，建筑整体结构的破坏往往都是由于梁柱节点的损坏造成的，所以梁柱节点的设计在整个建筑设计工作中占据着重要地位，直接影响着钢框架的整体性能。本文结合实际工程对梁柱节点进行了一系列的研究与改进，对节点的性能进行改善。

关键词：高层建筑 钢结构 梁柱节点 试验

通过国内外专家对梁柱节点的大量研究发现，地震中钢结构梁柱节点的破坏主要属于脆性破坏。该脆性破坏出现的原因主要是由于在结构塑性发展之前，梁截面抗力远大于钢结构梁柱节点的连接抗力，进而就会导致焊缝产生开裂的情况，节点会出现脆性破坏。专家学者们进一步通过理论和实验研究发现，节点本身的性能才是完成节点破坏的主要原因，而节点的受力性能则主要受焊缝的质量和梁柱坡口焊缝的应力的大小影响。所以为了能够从根本上钢结构梁柱节点的脆性破坏等问题，就需要从这两个因素出发，一般采用强节点和弱构件的设计理念，一方面是通过在梁柱节点的连接处增加焊接盖板和助板等对梁柱节点进行加强，另一方面也是对梁翼缘的局部进行削弱，使梁柱的破坏点转移到梁截面的削弱处，对梁柱节点进行加强，主要通过两种途径实现对钢结构梁柱刚性节点受力性能的提升。

一、型钢混凝土柱一钢梁节点

型钢混凝土结构具有非常好的抗震性能，这一特点在1968年的日本地震中有了很好的体现，进而导致了刚性混凝土结构在高层于超高层建筑中的迅速发展。相比较于传统的钢筋混凝土结构，型钢混凝土结构主要具有承载力高，施工周期短和抗震性能好等特点。其中对于绝大多数的钢筋混凝土框架结构来说，很难满足高层和超高层建筑对承载力的要求，而对于相同尺寸的型钢混凝土来说，其具有更大的构件承载力，高于钢筋混凝土的一倍以上。所以，对于高层建筑来说，使用型钢混凝土可以显著的减小构截面，使用面积和净高得到显著增加，避免产生肥梁胖柱的结构，进而使经济效益得到提升。钢筋混凝土框架在使用的过程中需要等到混凝土达到一定的强度才可以进行施工，周期时间较长，而对于型钢混凝土来说，其型钢在尚未进行浇筑混凝土之前就已经形成了具有一定承载能力的钢结构，能够承受施工荷载，直接可以进行上层施工，因此节省了一部分工期。并且在施工的过程中不用架立支柱，就留出了一定的工作面可以进行设备的安装，使整个工程工序形成了平行流水作业，就大大的缩短了整个工程的建设周期。最重要的是，型钢混凝土结构具有良好的抗震性能。这对高层和超高层建筑来说是至关重要的，其延性的提升使得型钢混凝土在建筑工程中得到迅速发展，且其使用范围不受建筑的高度限制，所以型钢混凝土在建筑工程中有些广泛的应用。

型钢混凝土结构在高层建筑中使用也存在一定的缺点，其主要问题就是施工难度大，对节点区的设计要求较高。型钢混凝土的框架结构主要是由钢梁和混凝土柱構成，型钢混凝土柱一般用于水平力和竖向力承受较大的柱，而梁则采用钢梁，主要是为了方便施工。对于型钢混凝土框架的节点位置，往往因为相互交叉，施工比较困难，所以会在型钢腹板上进行穿孔，就容易造成钢板的应力集中，施工质量受到损坏。然而通过设计钢梁水平剪力板组合节点，即在节点中加入水平剪力板，有利于进行箍筋焊接，并且可以有效的避免型钢穿孔，使施工难度降低。

二、通过试验得到结论：

通过设计钢梁水平剪力板组合节点，对高层建筑中钢结构梁柱节点进行了试验得到以下结论：

1、在使用节点体积配箍率满足现行规程要求的水平剪力板的节点在轴压比为0.6的情况下，能够承受同种条件下普通型钢混凝土柱-钢梁节点所承受不了的抗剪承载力，且表现为更为优异的耗能能力和延展性。

2、当构件柱轴压比达到0.8的时候，柱会在梁端荷载的反复作用的情况下发生偏压破坏，也会造成节点内箍筋的屈服，使节点内没有明显的破坏现象。此外，高轴压比能够促进节点抗剪，但对于节点上下柱的抗压不太有利。

3、当在0.6-0.7的轴压比下，节点配箍率在小于规范要求的型钢骨型钢混凝土时，钢梁的节点依旧能拥有足够的抗剪承载力，并表现为良好的延展性，在这种情况下箍筋对节点的极限抗剪能力没有太大的贡献，主要就是为了对纵筋和混凝土进行约束。

4、在钢梁节点中配置水平剪力板的时候能够对柱十字型钢和节点区的整体作用进行加强，促进剪力向翼缘两侧的传递，同时又能对混凝土裂缝进行抑制。使用水平剪力板能够有效的改善钢梁宽度较小的抗剪性能。

目前，钢结构住宅建筑体系在我国处于起步阶段，主要用于对高层建筑的修建等，为钢结构住宅体系的发展和应用提供了广阔的应用前景。目前已经经过对此强烈地震的考验，其抗震性能等远远高于钢筋混凝土。但我国高层建筑钢结构的设计仍存在一些问题，大多数采用的是整体结构分析和单个结构设计，这使结构构造不合理，更容易造成构件节点连接的破坏，所以高层建筑钢结构的设计理念逐渐转变为整体结构分析和整体结构设计，这样就能提高整体结构的可靠度，提高高层建筑框架结构的整体性能，发展新型的梁柱节点类型。

综上所述，本文主要阐述了型钢混凝土柱一钢梁节点特色以及优势，并从试验的角度对该节点的优缺点进行了分析和总结，对提升高层建筑钢框架结构的性能提供了思路，对其抗震性能和延展性进行设计优化，发展新型的梁柱节点类型，实现对钢结构梁柱刚性节点受力性能的提升。

参考文献：

[1] 杨尉彪， 高小旺， 张维嶽， et al. 高层建筑钢结构梁柱节点试验研究[J]. 建筑结构， 2001（8）：3-8.

[2] 张洪伟. 高层建筑钢结构梁柱节点试验研究[J]. 工业， 2016.

[3] 王唯一，吕娜. 高层建筑钢结构特殊节点试验研究[J]. 建筑与环境， 2014（4）：53-55.

[4] 多高层钢结构节点抗震性能试验研究新进展[C]// 钢结构工程研究⑧——中国钢协结构稳定与疲劳分会第12届（ASSF-2010）学术交流会暨教学研讨会论文集. 2010.

[5] 刘曙. 多层住宅钢结构几种梁柱节点型式的试验研究[D]. 武汉理工大学， 2003.