装配式钢结构住宅节点破坏研究

2022-11-25刘芳闫百路吉林建筑大学土木工程学院吉林长春130118

安徽建筑 2022年10期

刘芳，闫百路（吉林建筑大学土木工程学院，吉林长春 130118）

0 前言

随着城市化发展的加快，人们对住房需求显著增加，促使各类住宅结构快速发展，其中钢结构住宅就是其中之一。目前，传统的住宅结构体系大多为钢筋混凝土结构，这种结构建造多为现场作业，具有建造周期长、建筑高度受限、工程质量难以把控和劳动力需求大等众多特点[1]，而装配式钢结构具有绿色环保、轻量化、模块化、易于拆解循环利用、人力投入少、部分工作可在工厂完成、对环境影响较小、可适应高层或超高层建筑、建造周期短等优点，与传统建筑模式相比更具优势[2]。在2022 年，住建部印发《“十四五”建筑业发展规划》的通知，当中提到要大力发展装配式建筑。构建装配式建筑标准化设计和生产体系，推动生产和施工智能化升级，扩大标准化构件和部品部件使用规模，大力推广应用装配式建筑，积极推进高品质装配式钢结构住宅建设[3]。因此，发展钢结构住宅是大势所趋，尤其是装配式钢结构住宅，将会是未来钢结构住宅的主体形式。基于此背景，本文将对装配式钢结构住宅节点破坏研究成果进行介绍和分析，并进一步对节点破坏的研究做出总结。

1 节点类型

在欧洲规范Eurocode3[4]和美国钢结构学会[5]（AISC）中分别将钢结构节点连接分为刚性连接、半刚性连接和铰接连接。其中刚性连接是完全约束，半刚性连接和铰接连接是局部约束。

2 节点破坏研究现状

日、美的震后调查报告显示[6]，在同等级别的地震烈度和震幅作用下，尽管日美两国钢结构存在构造方式上的不同，但节点破坏形式却表现相同。经过对节点破坏的大量研究和试验，造成节点破坏的原因有以下几点：①焊缝质量，由于工程上对焊接节点质量控制不严格、没有成熟的工艺和较为系统的操作步骤等原因造成节点焊缝存在缺陷，使焊接节点的承载能力往往达不到设计的要求；②三向应力的集中，节点在承受三向应力的作用下，连接处容易出现应力分布复杂和应力值过大的现象；③高温因素的影响，由于火灾的影响，使节点构件达到耐高温极限，造成节点构件发生烧熔现象，节点构件的优势未能发挥出来而引起的节点破坏。

2.1 焊缝质量

张军等[7]通过对梁柱节点拟静力试验的研究，得到了节点破坏过程、破坏模式、承载能力和滞回性能。试验表明，不同角钢钢肢厚度和破坏模式对节点的刚度会产生不同程度的影响；其中不同角钢形式对节点承载能力的影响较小，而厚度的提高会大大降低节点的延性。文献等[8-10]通过对承受梁端加载的装配式钢结构住宅铰接节点的研究，采用足尺十字形梁柱节点为简化对象，分析了箱型柱厚度、轴压比和斜支撑对节点性能的影响，还将试验结果与有限元模拟进行了对比。试验表明，柱截面尺寸变大，柱子承载能力也将加强，从而其破坏位置将从柱端向梁端转变。

李亮亮[11]、陈学森[12]、乌兰托亚[13]等人通过对螺纹锚固单边螺栓连接节点的拉伸试验，获得了节点的破坏特征，以及不同钢管壁厚对节点破坏模式和承载能力的影响规律；并且还建立了有限元模型来验证其结果的可靠性。相关文献[14-18]等通过对高强度螺栓连接的内套管加强节点的研究，结果表明，钢管柱在循环荷载作用下只承受螺栓上的轴向拉力，并且使节点出现向内的屈服状态。

2.2 三向应力的集中

谢甫哲等[19]通过对不同类型节点在弹塑性状态下的静力和动力非线性分析的研究，得出刚性连接节点在弹塑性阶段以剪切变形为主，且对比出新型刚接节点组件模型能充分表达出节点的受力情况，而传统刚接节点组件模型在结构小变形的弹塑性作用下可以较好显示出节点的受力状态。孟哲等[20]以装配式住宅铰接节点为研究对象，采用模拟仿真的方式对节点进行研究，试验论证了节点在单轴受力状态下，X和Y向水平倾覆力能力比传统的方式更突出，且两者的破坏形式几乎相同，均呈现于斜压破坏形式。

魏丽等[21]利用5 种等强度设计方法对装配式钢结构梁柱的刚性节点进行了研究。利用ABAQUS 对不同设计方法的节点进行数值模拟，进一步研究了梁翼缘拼接板长宽厚、预留长度和梁腹拼接板厚度等参数对节点的影响；还总结出在节点承受低周反复荷载和单调静力荷载作用下合理取值范围。郭瑞霞等[22]通过有限元ANSYS 软件对装配式钢结构住宅半刚性节点的非线性模拟分析，获得了节点在受力状况和塑性变形下的破坏过程；将理论结果与有限元分析结果进行对比，得出非线性模拟研究充分体现了半刚性节点承载能力的变化规律和该方法的可行性。张爱林等[23]通过利用软件ANSYS 分析了齐平板半刚性节点在静力荷载和循环荷载作用下的受力情况，试验结果表明，通过改变柱翼缘和端板的厚度、螺栓排列组合和节点区域加肋等方法，可使节点的弯矩值发生改变，并推出改善柱翼缘厚度和加劲肋对提升节点承载能力具有明显的优势。

2.3 高温因素的影响

Ding等[24-25]为了探讨如何促进组合节点耐火极限的设计方法，对高温下不同连接形式对钢管混凝土柱-钢梁复合节点的耐火极限以及其温度场分布的影响规律进行了研究分析。研究结果显示：在火灾作用下试件温度的分布规律吻合较好，且组合节点的耐火极限因连接方式存在明显差异。相关文献[26-27]等通过对平齐短板组合节点的研究，结果表明组合节点在高温条件下，节点的强度、刚度和破坏模式会发生变化，并且节点破坏是先从高温区域开始，逐渐向低温区域发展。

王广勇等[28]为研究荷载比对节点在火灾下力学性能的影响，采用软件ABAQUS 建立精细化模型。结果发现，节点的变形和破坏主要是由于梁和柱的温度高于核心区的温度。强旭红等[29-30]通过ABAQUS 有限元软件建立影响高强钢端板连接节点的有限元模型，研究表明：在火灾条件下，端板强度的增加可以提高节点的承载能力，因此在设计环节中提高螺栓强度防止节点在火灾后转变为脆性的失效模式。