装配式钢结构梁柱节点承载性能研究进展

2021-03-27黄彬辉李元齐

结构工程师 2021年1期

黄彬辉李元齐

（同济大学建筑工程系，上海200092）

0 引言

在各类建（构）筑物中，钢结构以轻质高强、抗震性能优良、装配化程度高、绿色环保、材料可循环性等优势，成为结构的主要应用形式之一，在高烈度区和超高层建筑中尤为凸显。

当前，国家大力提倡装配化建造技术，与钢筋混凝土结构相比，钢结构因其装配式和施工速度快而备受青睐。梁柱节点在装配式钢结构中占有重要的地位，装配式钢结构梁柱节点是指钢结构的梁、柱及其配套连接件的部分或全部经工厂加工制作后运输至现场，按照规定的技术要求组装起来的连接区域。在钢结构设计中，结构承受竖向和水平作用力时，节点是梁与柱之间力的传递纽带，节点特性直接影响着结构的安全性和可靠性；结构遭受地震作用时，小地震下，节点的刚度成为构件抗侧力水平的主要影响因素之一；大地震下，节点的耗能能力和破坏机制成为结构的抗震性能的主要决定因素之一。在钢结构的制作安装过程中，梁柱节点的构造形式和抗震性能对建造的装配化程度、施工速度和质量、结构的安全可靠性以及经济合理性至关重要，其装配化程度成为衡量整体结构工业化水平的重要指标。

现代高层建筑钢结构中，梁柱节点按照受力方式和连接刚度可分为铰接连接、半刚性连接和刚性连接三类。钢框架梁柱节点大多采用刚性连接，其连接形式主要有三类：钢梁的翼缘与腹板均与钢柱采用焊接连接，即全焊接连接类；钢梁翼缘与柱采用焊接连接，钢梁腹板与柱采用高强螺栓连接，即栓焊连接类；钢梁的翼缘和腹板均与钢柱采用高强螺栓连接，即全螺栓连接类。前两类安装过程中需要焊接，人的成本高，节点的装配化水平低，地震作用下焊缝容易发生损伤或破坏。1994 年美国北岭（Northbridge）地震和1995 年日本阪神（Hyogoken-Nanbu）地震中，节点不同程度采用了焊接连接，受建筑高度和类型、地面运动、设计假定和构造做法、材料属性、制造工艺和检测方法影响，脆性断裂发生于焊接处，甚至导致钢框架倒塌，经济损失巨大［1-3］。全螺栓连接类是适应装配化建造技术的一个良好选择，节点的抗震性能水平决定着其实际应用的广泛性。因此，梁柱节点的设计和施工是钢结构亟需解决的关键技术，研究一种抗震性能优良和基本或完全装配化的节点将有着极其重要意义。

本文通过对自耗能和附加耗能元件装配式钢结构梁柱节点的构造形式、强度、刚度、抗震性能和应用情况进行归纳总结，旨在提出了一种附加可拆卸式的耗能元件梁柱节点，改变传统的节点承载性能及耗能机制，建造中基本或完全没有焊接连接、节点耗能元件标准化、易操作和抗震性能优良的新型节点，实现“耗能元件先行、震后易更换”的抗震设计思路，形成一套适用于装配式钢结构抗震性能研究发展的系统化理念。

1 自耗能装配式钢结构梁柱节点

自耗能装配式钢结构梁柱节点是指按照规定的技术要求组装起来，通过节点部分或全部组成部分的变形而将能量耗散的节点。

1.1 传统全螺栓装配式钢结构梁柱节点

Popov E P 等［4-8］对全螺栓梁柱节点进行了试验研究和数值非线性分析，梁上下翼缘与柱采用T 型板件和高强螺栓连接，腹板与柱采用连接板和高强螺栓连接（图1），结论如下：①T 型板螺栓连接的整体性能与盖板连接非常接近。加强端部连接能提高最大弯矩承载能力，梁局部屈曲的程度相对较小。②对T 型板件局部分析，当T 型板厚度减小且其他参数保持不变时，螺栓连接的翼缘刚度减小，翼缘塑性变形程度增加；高强度螺栓布置决定螺栓分布力均匀性，且实现节点变形一致屈服至关重要；当高强度螺栓的大小增加且其它参数保持不变时，螺栓连接的翼缘刚度增加，翼缘塑性变形程度增加。③最佳T型板截面尺寸是梁塑性变形最小、节点弹塑性变形达到0.04 弧度时的尺寸。④所选螺栓尺寸（1～1/4 英寸）允许它的屈服，以增加T 型板和柱翼缘之间的间隙。⑤用于连接T 型板和梁翼缘的螺栓可以离柱面（靠近柱面的设置）更远，甚至可以完全忽略。

图1 全螺栓梁柱节点Fig.1 Bolted beam-to-column joints

王鹏等［9］研究了带加劲肋顶底角钢连接和双腹板顶底角钢连接的梁柱连接节点，钢梁上下翼缘、腹板通过角钢和高强螺栓与钢柱连接，属于全螺栓连接（图2），分别进行了5个不同构造的角钢连接的单调加载试验和4 种带加劲肋角钢连接的循环加载试验，得出如下结论：①节点在负弯矩作用下，仅增设顶角钢加劲肋能够较大幅度提高节点初始转动刚度与荷载，破坏模式为加劲肋处焊缝脱开，仅增设底角钢加劲肋对节点初始转动刚度影响较小，但能够增加节点的承载能力；②加劲肋顶底角钢连接节点是一种典型的半刚性连接，具备良好的转动能力和耗能能力，节点破坏模式为角钢与加劲肋处呈弧状塑性铰断裂，极限弯矩对应的层间位移角均在0.04 rad 以上，可满足美国规范FEMA 350 不小于0.03 rad 的延性设计要求。在加劲肋试件达到层间位移角0.08 rad 时，节点还能够承受0.5Mmax以上的弯矩；③带加劲肋顶底角钢连接相对于无加劲肋角钢连接节点的延性会下降，但节点的耗能能力会增强；④带加劲肋试件的梁柱节点的塑性变形性能较好；⑤加劲肋顶底角钢连接节点具有较好的延性，满足结构抗震设计的要求。

图2 全螺栓连接Fig.2 Bolted connection

1.2 带悬臂段装配式钢结构梁柱节点

李启才等［10-11］研究了两个带悬臂梁段拼接的装配式梁柱节点，柱端在工厂内通过焊缝连接一段短梁，再与钢梁采用等强拼接（图3），梁柱物理几何条件完全相同，拼接板和螺栓布置不同，通过试验，给设计提出如下建议：①弹性阶段，拼接处按照实际内力计算。梁翼缘净截面受力应考虑孔前传力，抗弯承载能力应以螺栓孔处的净截面和螺栓连接的最不利计算，腹板抗弯承载能力按照拼接区承受的弯矩扣除翼缘承担的考虑。②极限承载阶段，翼缘净截面承载能力应采用钢材的抗拉强度。③提高节点构件接触面的抗滑移系数，螺栓用量减少，耗能能力增强，节点的抗震性能得以改善。

图3 带悬臂粱段拼接的粱柱节点试件（单位：mm）Fig.3 Steel beam-to-column connection with cantilever beam splicing（Unit：mm）

郁有升等［12-14］开发了一种新型装配式梁柱节点，柱端与一段悬臂梁在工厂焊接，上下拼接板一端与悬臂梁和框架梁的翼缘交互三面焊接，另一端螺栓连接，悬臂梁和框架梁的腹板通过拼接板采用螺栓连接（图4）。试验设计了4组16个试件，采用了Abaqus 有限元软件数值模拟，其极限承载能力和延性结论如下：①螺栓数量对节点的极限承载力有影响，考虑螺栓滑移耗能性，建议不宜过多设置螺栓；②盖板宽度和厚度对节点滞回性能有影响，面积应大于框架梁翼缘截面，比值宜1.05～1.30，其厚度应大于框架梁翼缘；③悬臂梁长度是节点滞回性能的重要参数，宜取1.7～2.0倍框架梁高。

图4 试件几何尺寸（单位：mm）Fig.4 Size of specimens（Unit：mm）

张爱林等［15］针对高层建筑高空张拉等难度，提出了一种装配式腹板摩擦耗能和可恢复功能的梁柱节点，柱端连接一端短梁，短梁通过钢绞线和高强螺栓与中间段梁连接（图5），通过一3×5 跨4层0.75倍缩尺模型的拟动力试验，得出如下结论：①节点有良好的开闭机制，可实现震后自复位和结构功能恢复，节点耗能效果良好，满足抗震设计要求；②钢绞线损失小于8%，验证了预应力施工可靠性；③建议采用装配式腹板摩擦耗能和可恢复功能的梁柱节点，其框架结构的弹塑性层间位移角适当放宽；④可实现“多遇地震无开口、无损伤，设防地震开口耗能且主体结构无损伤、罕遇地震结构损伤很小能正常使用，超罕遇地震主体结构损伤较小且仍能正常使用”性能目标。

图5 装配式腹板摩擦耗能和可恢复功能的梁柱节点Fig.5 Prefabricated web friction energy dissipation and resilient beam-to-column joints

1.3 带内套筒装配式钢结构梁柱节点

王燕等［16-17］针对方管柱和H 型钢梁的连接提出了一种新型装配式内套筒组合螺栓连接节点，柱与柱通过内套筒连接，柱与梁通过外伸端板和高强螺栓连接（图6），经理论推导和数值模拟，试验了7 个内套筒厚度、端板厚度和套筒与柱间隙不同的节点，得出如下结论：①加大内套筒厚度是增强节点刚度的有效方式，但过大则不经济，建议比柱壁厚大于2 mm；②内套筒与柱间隙对节点刚度有影响，需控制在4 mm 内；③端板厚度对节点刚度影响不明显。

1.4 带外套筒装配式钢结构梁柱节点

杨松森等［18-20］针对方管柱和H 型钢梁的连接提出了一种装配式外套筒-加强式外伸端板组件连接节点，柱与柱通过外套筒和高强对拉螺栓连接，柱与梁通过外伸端板和高强对拉螺栓连接（图7），通过3 个缩尺试验得出如下结论：①屈服机制为首先外伸板弯曲屈服，而后外套筒弯曲屈服，高强螺栓拉伸屈服，最后节点屈服；②节点初始刚度随外套筒壁厚和对拉螺栓预紧力增大而增加，但需限制预紧力最大值，以免套筒和柱发生屈曲；③外套筒壁厚适度增大，有利于提高节点抗震性能；④采用对拉螺栓比焊接连接性能好，更能满足“强柱弱梁”和“强节点”的设计要求；⑤外套筒与柱间隙以及对拉螺栓伸长值对节点塑性发展有影响，应加以控制。

图6 装配式梁柱内套筒组合螺栓节点Fig.6 Beam-to-column joints using inner sleeve composite bolts in fabricated steel structure

图7 装配式外套筒-加强式外伸端板组件连接节点Fig.7 prefabricated outer sleeve-overhang plate beam-to-column joint

1.5 开窗端板装配式钢结构梁柱节点

陈学森等［21］针对箱形钢柱与H型钢梁提出了一种端板连接节点（图8），进行了1个单调加载足尺节点和3 种预制方法循环加载的节点试验，对其承载力、刚度、转动性能、耗能能力和失效模式进行了分析，结论如下：①4个节点的极限弯矩大于全截面塑性弯矩；②按照日本规范方法得到的柱节点域受剪承载力更为合理，中国规范安全富裕度则较小；③节点的转动刚度和层间位移满足框架抗震要求，节点具有良好的变性能力和延性；④节点转角主要由柱翼缘鼓曲产生；⑤实际应用采用中间截断或侧面开窗的预制方法更为合理。

图8 预制装配式梁柱端板连接节点Fig.8 Prefabricating techniques of box columns with bolts and continuity plates embedded

1.6 法兰装配式钢结构梁柱节点

张爱林等［22-23］针对圆管柱和H 型钢梁开发了一种装配式钢结构梁-柱法兰连接节点，柱与柱通过高强螺栓采用法兰连接方式，柱与梁由高强螺栓和盖板采用Z 字形连接，盖板中间采用平狗骨式削弱（图9），对5 个节点数值分析，得出以下结论：①悬臂端实现了塑性铰外移；②盖板螺栓数量对节点屈服载荷影响小，但对盖板连接刚度和节点承载力影响大；③长圆孔形式对初始刚度和屈服荷载有一定影响。

图9 装配式梁-柱法兰连接节点Fig.9 Composition of beam-column flange joint of prefabricated steel structure

1.7 承载-耗能装配式钢结构梁柱节点

康婷等［24］提出了一种装配式梁端钢板耗能的新型梁柱节点，即承载-耗能铰节点（图10）。梁端通过销轴、两块槽钢和高强螺栓与钢梁连接，销轴主要承担竖向荷载，槽钢承担弯矩，地震作用下的耗能主要通过槽钢的塑性变形。通过理论推导和应用于12 层钢框架结构分析，得出如下结论：①节点采用三线性模型可近似模拟节点恢复力模型，根据薄板小扰度和屈曲后强度理论，可推导出节点转角以及屈服和极限弯矩；②分析罕遇地震分析得到的顶点位移、层间位移角和基底剪力，验证了节点可以实现“强柱弱梁”的目标；③采用承载-耗能铰节点的钢框架，薄弱层位置发生改变，层间位移角满足规范要求。

图10 装配式梁端钢板耗能梁柱节点Fig.10 Prefabricated beam-end steel plate energydissipation beam-column joint

2 附加耗能元件装配式钢结构梁柱节点

附加耗能元件装配式钢结构梁柱节点是指按照规定的技术要求组装起来，通过附加耗能元件的变形而将能量耗散而梁柱主要构件始终保持弹性的节点。

2.1 附加Π形阻尼器装配式钢结构梁柱节点

Koetaka Y 等［25］提出了一种带π 形阻尼器的梁与柱弱轴连接节点，梁上翼缘与柱采用高强螺栓和连接板连接，下翼缘与柱采用高强螺栓和π形阻尼器连接（图11）。通过6组考虑了阻尼器几何形状和布置方式影响的足尺节点循环试验，得出如下结论：①在材料和几何条件一定下，节点在水平位移大于通常情况下2 倍时表现出稳定的迟滞行为；当梁和柱处于弹性至极限状态时，阻尼器的屈服是有限的；②梁下翼缘板的上下位置设π形阻尼器有利于提高耗能和自平衡能力，由连接板和梁翼缘板平面外变形导致；③设计π 阻尼器时应考虑撬动作用，以防止滑移临界节点的滑移，从而提高消能效率；④π 型阻尼器的设计，所提出的理论公式可精确地确定滑移节点的弹性刚度、塑性强度和抗滑性能。对于用低碳钢圆柱形阻尼器，计算的塑性强度可乘以1.5 倍，以考虑应变硬化效应。

图11 π形阻尼器梁柱节点Fig.11 Steel beam-to-column joint with π dampers

2.2 附加T形阻尼器装配式钢结构梁柱节点

Oh S H 等［26-27］提出了一种带槽形耗能元件的梁柱节点，梁上翼缘采用T 型连接件和高强螺栓与柱连接，梁下翼缘采用槽形连接件、开缝阻尼器、连接板和高强螺栓与柱连接（图12）。通过3组带开缝阻尼器足尺试件和1 个常规焊接试件的循环试验，验证了其抗震性能，结论如下：①带开缝阻尼器梁柱节点在大层间位移作用下表现出稳定的滞回性能，初始刚度等于或高于焊接试件，节点可认为是刚性连接；②梁塑性截面弯矩不小于梁承受最大弯矩，塑性变形集中于开缝阻尼器，而梁和柱几乎保持弹性；③与传统梁柱节点相比，带开缝阻尼器梁柱节点的初始刚度和极限强度显著提高，震后容易更换；④带开缝阻尼器梁柱节点属于受弯控制，比支撑框架具有更有效的抗弯性能。

图12 开缝阻尼器梁柱节点Fig.12 Steel beam-to-column joint with slit dampers

2.3 附加摩擦阻尼器装配式钢结构梁柱节点

Deng K L 等［28-29］提出了一种全预制抗损伤梁柱节点，钢梁与钢柱通过一段过渡区进行连接，过渡区两端上部分采用节点板、超高性能混凝土（UHPC）和高强螺栓连接，两端下部分采用节点板和高强螺栓连接，其中一端螺栓孔为长孔，滑动产生摩擦，形成摩擦阻尼器（图13）。通过4 组足尺试验和理论分析，得出如下结论：①节点预期的允许损伤可以达到预期，梁上钢筋混凝土板上无表面裂纹，在最大地震作用下，节点的UHPC 层和梁翼缘处于弹性状态；②节点滞回曲线是饱满和稳定的，梁柱相对旋转为1/150 时屈服，屈服力取决于阻尼器的最大静摩擦力和阻尼器与复合材料接头截面刚度中心的距离；③初始正刚度大于负刚度，屈服后刚度受指定塑性铰区长度和UHPC层厚度的影响；④节点具有显著的耗能能力，60%以上的能量是由摩擦阻尼器消耗的；⑤提出了节点初始刚度和屈服弯矩的解析模型，可供设计参考；⑥为了提供足够的刚度，建议通过改善阻尼器的摩擦界面来减小阻尼器的刚度系数。

图13 全预制抗损伤梁柱节点Fig.13 A fully-prefabricated damage-tolerant beam to column connection

2.4 附加膝支撑装配式钢结构梁柱节点

Leelataviwat S 等［30-34］提出了一种带膝支撑梁柱节点，梁通过节点板和高强螺栓与柱铰接，膝支撑通过节点板和高强螺栓与梁、柱铰接（图14），通过循环试验和数值分析，结果表明，当膝支撑的大小维持在一定范围，结构遭受多遇地震时，膝支撑协同梁柱共同提供节点强度和刚度；结构遭受罕遇地震时，膝支撑循环拉压变形，先于梁柱产生塑性变形，从而耗散地震能量，整个过程中梁柱始终保持弹性状态。节点的强度、刚度和抗震性能等同或略高于传统焊接刚性框架梁柱节点。地震破坏后，只需更换膝支撑，容易修复。

图14 带膝支撑梁柱节点Fig.14 Beam-to-column joints with knee-braced dampers

2.5 附加弧形钢板阻尼器装配式钢结构梁柱节点

Hsu H L 等［35］提出了一种带弧形钢板阻尼器梁柱节点，梁通过节点板和高强螺栓与柱铰接，弧形钢板阻尼器通过节点板和高强螺栓与梁、柱铰接（图15），通过多组循环试验和数值分析，结论如下：①采用弧形钢板阻尼器的半钢框架梁柱节点，强度、刚度和能量耗散能力提高显著；②弧形钢板阻尼器的效用主要受长度和角度影响，角度较小时，节点强度更高；③弧形钢板阻尼器受拉压时表现出稳定的滞回性能。

图15 带弧形钢板阻尼器梁柱节点Fig.15 Beam-to-column joints with steel curved dampers

2.6 附加形状记忆合金元件装配式钢结构梁柱节点

王伟、方成等［36-40］提出了一种带超弹性形状记忆合金（SMA）螺杆-角钢混合梁柱节点，梁通过SMA 螺杆、高强螺栓和角钢与钢柱连接，形成自复位装配式钢结构梁柱节点（图16），对8 组全尺试样（6 组为在外侧设置SMA、1 组为在内侧设置SMA、1 组为内外侧均设置SMA）进行了试验，分析了SMA 螺栓预应力、螺栓长度、角钢厚度、螺栓和角钢的布置主要参数影响。通过循环试验和理论分析，得出如下结论：①试样表现出理想的屈服原则和变形模式。主要的非线性变形由SMA 螺栓和角度提供，而柱和梁无损伤。②试样在2%的位移下表现出很好的自复位能力；超过2%时，自复位能力取决于SMA 螺栓预应力、螺栓长度、角钢厚度、螺栓和角钢的布置主要参数；所有试件的延性能力至少在位移为4%；最大等效黏性阻尼在11%～15%，表明能量耗散能力适中。③设计这种连接的框架，提供了一个计算示例，进一步说明所提出的设计方法。设计框架也通过比较设计预测与测试结果在残余旋转方面的验证。

图16 带SMA螺杆和角钢装配式钢结构梁柱节点Fig.16 Beam-column joints of assembled steel structures with with combined superelastic SMA bolts and steel angles

3 讨论

3.1 强度和刚度

与传统焊接刚性梁柱节点相比，自耗能装配式钢结构梁柱节点的强度和刚度在弹性阶段较易接近或达，但塑性阶段则难以接近或达到，尤其是图1～图2 和图6～图7 类型；而附加耗能元件装配式钢结构梁柱节点无论在弹性阶段还是塑性阶段，都较容易达到或略高。

3.2 破坏形态

自耗能装配式钢结构梁柱节点的破坏形态是节点的连接板、梁或局部柱翼缘处先出现塑性变形，并耗散地震能量，最终节点失效，甚至容易出现整体结构倒塌。附加耗能元件装配式钢结构梁柱节点的破坏形态是节点的附加耗能元件先出现塑性变形，并耗散地震能量，梁柱始终处于弹性状态而不屈服，耗能元件在弹性阶段则为节点提供强度和刚度。

3.3 滞回曲线

图 17 给出了典型节点的滞回曲线［9，11，18，21，23-26，28，30，35-36］。从图中节点滞回曲线的对比可以看出，传统的全螺栓节点呈梭形，曲线比较饱满，塑性能力较强，T 型板比角钢具有更好的抗震性能和耗能能力；带悬臂段节点、带内外套筒节点、开窗端板节点、法兰式节点和承载-耗能节点呈弓形或反S形，具有“捏缩”效应，螺栓表现出一定的滑移效应。

图17 典型节点滞回曲线Fig.17 Typical node hysteresis curve

附加耗能元件装配式钢结构梁柱节点的滞回曲线呈梭形，形状非常饱满，反映出节点的塑性变形能力很强，具有很好的抗震性能和耗能能力。

3.4 装配式钢结构梁柱节点承载性能设计新理念

装配式钢结构梁柱节点作为结构体系中的一个重要耗能组成部分，其强度、刚度、破坏机理和抗震性能直接影响整体结构的安全和使用，因此，确保装配式钢结构梁柱节点的承载能力和抗震性能的合理性成为一项亟需解决的重要问题，其设计理念的系统化成为一种必然。“耗能元件先行、震后易更换”的观点是符合这一要求，在尽可能不影响建筑使用空间和功能的前提下，在梁柱节点区域附加耗能元件，其耗能方式可以是常见的金属摩擦（图13）、轴向受压和屈曲（图14、图15）等，也可以是作者提出的弯曲形成塑性铰（图18）等，遭受多遇地震时，耗能元件与梁柱共同承担水平和竖向荷载，提供强度和刚度，遭受罕遇地震时，耗能元件先进入塑性阶段，耗散能量，梁柱始终处于弹性阶段，并维持整体结构的稳定，整体结构不倒塌。地震后，耗能元件易拆卸和更换，维修成本低。