某钢结构裸节点和组合节点弱轴力学性能研究

冯俊杰

常规结构设计通常会把梁柱连接节点假定为理想刚接或者铰接来进行处理，随着国内外众多学者对钢结构节点的分析研究越来越深，学术界普遍认为钢节点是具有一定转动刚度的。本文的研究工作是基于组件与节点相关关系展开的：设计中考虑了楼板组合效应的组合节点，通过单向加载试验与相应裸节点的力学性能进行了对比分析，重点考察了组合楼板对节点的力学性能产生的影响。

高层钢结构框架的节点一般都采用柱贯通型的连接, 典型梁柱节点构造形式为梁柱之间螺栓连接或焊接,楼盖常采用混凝土或压型钢板组合楼板, 但目前在钢框架结构节点设计时却忽略了混凝土楼板对节点承载性能的影响, 而仅将混凝土层的组合作用作为安全储备。在对于整体结构的内力及刚度分布所造成的影响尚不清楚的情况下, 这样的设计处理方式很有可能是不安全的。因此，楼板相对于钢节点的组合效应的研究是非常必要的。

一、试验模型

为了验证组件模型理论分析的正确性，进行了两类工程中常用到的弱轴节点的加载实验。裸节点试件TS1, 柱截面HM244×175×7×11，梁截面HM194×150×6×9；裸节点试件TS2，柱截面HM244×175×7×11， 梁截面HM194×150×6×9。钢材等级为Q235 级，所有焊缝均为一级焊缝，螺栓采用10.9 级摩擦型高强螺栓。相应组合节点试件为TS3 及TS4，楼板与钢梁之间通过抗剪栓钉进行连接。经混凝土设计规范验算，混凝土楼板有效宽度为1200mm，厚度为135mm。在梁长方向每米布置9 根直径为10mm 的钢筋，在宽度方向每米布置6 根直径为10mm 的钢筋，保护层厚度为25mm。具体节点构造详图1。

图1 节点详情

试验主要包括了两组中柱节点的对称加载试验和受力组件的材性试验，柱底由四根高强螺栓固定于刚性基础板上，柱顶由螺栓固定后再由千斤顶施加轴力。梁两端采用千斤顶同步对称加载，同时设置了位移计和荷载传感器来保证数据的同步性。

二、数据分析

通过对以上四组节点的实验分析，可以明确发现，组合楼板对于整个弱轴节点刚度是有非常重要的影响。

大部分裸节点的梁端截面沿中和轴呈对称分布形式，因此在进行加载试验时正弯矩作用与负弯矩作用并没有太大的区别，本文以裸节点的负弯矩作用下的力学性能来表征其力学性能；当考虑了楼板的组合作用之后，节点在正弯矩和负弯矩作用下的力学性能表现出较大的差异，因此本文对于组合节点的试验，首先分别考查了其在正负弯矩作用下的初始转动刚度，最终的节点性能指标是在负弯矩加载得出的，此种加载模式也更加符合框架体系的实际工况。

四组弱轴节点的主要试验结果列于表1。

表1 试验结果

如表1 所示，组合节点的承载力要远大于裸节点，考虑了楼板的组合效应后节点的刚度有很大的增加，在本文设计的试件中，节点刚度以及转角都发生了量纲级的变化。同时节点的破坏形式也有不同，裸节点的破坏模式主要发生在钢结构部分（端板屈服、角钢屈服等），组合节点的破坏模式主要发生在楼板部分（混凝土开裂、钢筋屈服等）。具体分析如下：

1.裸节点

本章中设计的所有试件均为中柱节点，因此节点两端为对称同步的加载方式，对于弱轴节点来说，可以忽略柱腹板对整个节点的刚度贡献。图2 给出了TS1和TS2 的弯矩转角曲线，每个试件左右两边的弹性阶段的曲线数据基本吻合，但是进入塑性阶段后曲线产生了一定差距。产生这种差异的原因在于：一方面当加载进入塑性之后，节点域的塑性变形会有一定的随机性从而导致曲线的不规律性；另一方面对称布置的作动筒在塑性阶段是受位移控制的，同时也在向采集系统反馈荷载数据，在反馈的过程中由于液压的不协同性导致两端的同步性出现偏差，从而导致了两端的不平衡弯矩的产生。

图2 TS1和TS2的弯矩转角曲线

2.讨论与评估

TS1 和TS2 最终的破坏模式都有较大的钢结构构件的塑性变形，节点最终的破坏模式是以构件产生了大变形从而不能满足结构的正常使用极限状态来判断的。TS1 在梁端板上部位置产生了较大的平面外变形，下部基本没有变形，连接端板的两排螺栓都是处于受拉状态，因此端板上下两排螺栓都可按照受拉的单向弹簧来进行处理，对于端板的上翼缘则可以按照受弯弹簧来进行处理。TS2 的主要破坏部位是角钢部分，其中腹板角钢产生了明显的拉弯变形，底部角钢有明显的受弯变形，螺栓有明显的弯曲变形。此类弱轴节点与构造较为复杂，既要考虑到角钢的拉弯刚度又要考虑到螺栓的受拉变形和受弯变形。为了简化模型，可以将腹板处的双腹板角钢以及相应的螺栓简化为受拉T 型件来处理。

3.组合节点

组合节点的节点力学性能受混凝土楼板的影响非常大，并且考虑了混凝土楼板后组合楼板在正负弯矩作用下的力学性能也是有差别的。本次实验是在负弯矩作用下加载至试件破坏的。通过表1 可以看出，不同荷载工况下同一节点的初始转动刚度有很大的区别。图3 给出了两组组合节点在不同荷载工况下的弯矩转角曲线，可以看出，组合节点在正弯矩作用下的节点刚度要大于其在负弯矩作用下的节点刚度。在正弯矩作用下，组合节点中起主要作用的力学组件是处于受压状态的混凝土楼板，在负弯矩作用下，组合节点中起主要作用的力学组件是混凝土楼板中的受拉钢筋。

图3 TS3和TS4的弯矩转角曲线

4.讨论与评估

组合节点的破坏模式与裸节点的破坏模式基本不同，组合节点的破坏主要发生在混凝土楼板，整个节点的弯曲变形较小，试验最终是以混凝土的压溃为标准来判断节点失去承载力。当节点受负弯矩作用时，节点域的转动中心位于梁下翼缘与柱腹板的交界处，混凝土楼板的抗拉性能可以忽略。当节点受正弯矩作用时，节点域的转动中心位于混凝土楼板内部，裸节点部分处于受拉状态，此时混凝土楼板中的钢筋受压性能可以忽略。随着加载的进行，底部压型钢板与混凝土楼板脱开。混凝土楼板开裂方式略有不同，对于TS3 来说楼板裂缝是以柱为中心向四周发展的，而TS4 的楼板裂缝则是沿着混凝土板的有效宽度方向均匀开裂的，造成这种差异的原因在于TS3 的裸节点刚度要高于TS4的裸节点刚度，从而造成了TS3 节点核心区裸节点与组合楼板之间的相互约束要略高于TS4 的相互约束。

三、结语

本文通过裸节点和组合节点的弱轴单向加载试验，综合对比了楼板的组合作用对整个节点体系的影响，通过试验发现，考虑了楼板的组合作用后的节点力学性能较裸节点有非常明显的变化，并且这些变化是不可忽略的。结论如下：

（1）考虑了楼板的组合效应后的组合节点在力学性能考察方面具有方向性，分为正弯矩作用和负弯矩作用，同时混凝土受压性能和钢筋受拉性能作为新的力学组件考虑到组合节点中。

（2）裸节点的破坏模式主要集中在钢结构部分的节点域，由于钢材良好的延性导致整个裸节点体系的破坏模式是以正常使用极限状态来主导判断的；组合节点破坏模式主要集中在混凝土楼板中，混凝土的延性较差导致整个组合节点体系的变形不会特别大，此时应该按照承载力的极限状态来主导判断。