浅谈方钢管装配式钢结构梁柱节点连接

唐 成, 黄滟雯, 马旺旺

(1.西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610000； 2.攀枝花学院土木与建筑工程学院，四川攀枝花 617000； 3.四川攀钢钢构有限公司，四川攀枝花617000)

[定稿日期]2017-09-07

目前国内对装配式钢结构梁柱连接节点的研究较为丰富，其中对H型钢柱和梁连接节点研究较多。但H型钢作为结构立柱存在一些不足，如H形截面柱两个主轴截面的刚度和稳定性相差较大，且无法满足结构柱变截面要求。方钢管柱与 H 型钢柱相比，两个主轴截面刚度相同，截面惯性矩大，能根据轴力的大小调整截面尺寸。但钢管柱是封闭型截面，在与梁进行螺栓连接时不具备操作空间，施工具有一定的困难，在工程结构应用中受到限制。不过随着对装配式节点的不断深入研究，其应用必将得到快速的发展。

1 方钢管柱与钢梁节点研究发展与现状

1.1 外套筒式连接

文献[1]提出了一种外套筒式梁柱连接节点，并设计3个十字形节点进行抗震试验研究，节点构造如图1所示。

1.钢管柱 2.H型梁 3.外套管 4.T形连接件 5.加劲肋 6.高强度螺栓图1 外套筒式节点形式

为了研究外套管厚度对节点抗震性能的影响，改变节点的外套管厚度，进行低周往复加载试验研究。试验研究表明: 节点在往复荷载的作用下，滞回曲线介于梭形与弓形之间，整体较为饱满，且位移延性系数大于4，表现出较好的延性和耗能能力；等效粘滞阻尼系数与能量耗散系数随着外套管厚度的增加有所提高；通过有限元软件ANSYS 对节点进行数值模拟分析，因模拟分析并未考虑螺栓滑移、材料缺陷等因素，使得节点滞回曲线最终呈梭形，未出现捏缩段。

文献[2]在研究外套管厚度对节点抗震性能影响的基础之上，进一步分析其它因素对节点性能的影响。借助有限元软件ANSYS建立节点模型，模拟分析外套管厚度、T 型件腹板、翼缘厚度及是否设置加劲肋等对节点力学性能的影响。数值模拟分析结果表明：当小于8 mm时，外套管厚度的增加使得节点的承载能力与刚度提高较为明显；增加T 型件翼缘和腹板厚度，使得节点屈服承载力显著增加，但极限承载力基本保持不变；加劲肋的设置可以提高节点的承载力，降低节点延性。外套筒式节点施工时需要在钢管柱及外套管上开设施工孔，完成螺栓的紧固，拼装完成后补焊施工孔。

1.2 模块化式连接

文献[3]就模块化装配式高层钢结构中常见的梁柱节点，设计了焊接、栓接和栓焊混合连接三类节点连接方式，节点构造如图2所示。

节点主要由箱形柱、柱座、桁架梁组成，柱由焊接在箱形柱与柱座端部的法兰盘螺栓连接，桁架梁与法兰盘分别采用焊接、栓接与栓焊混合连接。

利用有限元软件ABAQUS对三类节点进行静力分析和滞回性能分析，得到焊接、栓接与栓焊混合连接节点的极限承载力、耗能能力和破坏机理。模拟分析结果表明: 焊接节点具有较大刚度和承载能力，但其塑性变形主要集中在节点域，不能满足“强节点弱构件”的建筑抗震要求。同时，因为桁架梁与柱座焊接，导致柱座先于桁架梁出现屈服，亦不满足“强柱弱梁”的设计要求；栓接节点在盖板与桁架梁弦杆连接处形成耗能区，使得桁架梁的应力大于节点域应力值，保护了节点域，其耗能能力因为贴板接触面的滑移有所下降；栓焊混合节点表现出承载能力低和延性耗能能力高的特性，其因为分别采用螺栓和焊接连接的桁架梁发生平面外的扭转破坏。

(a) 焊接连接

(b) 螺栓连接

(c) 栓焊混合接

1.3 端板式连接

文献[4]就预制装配式钢框架体系的特点及在设计过程中梁柱节点连接问题，提出四种便于现场施工的端板梁柱连接节点。该类型节点采用冷成型钢管柱和热轧型工字形梁拼装而成，节点通过梁端焊接的端板与柱由螺栓连接。四种节点分为两类：一类为端板直接与柱壁板由螺栓直接相连，节点一、节点二区别在于是否在柱的内侧设置横隔板；另一类为在柱壁板上与梁翼缘相对应位置处焊接外环板，并在外环板的外侧焊接柱端板，节点三、节点四分别采用平齐式端板连接与外伸式端板连接。节点构造如图3所示。

(a) 节点一

(b) 节点二

(c) 节点三

(d) 节点四

1.梁端板 2.钢管柱 3.工字梁 4.端板加劲肋 5.横隔板 6.外环板 7.柱端板

图3 端板式节点

在进行理论分析研究的同时，利用有限元软件ABAQUS 建立四种节点有限元模型并加以模拟分析。结果表明: 四种节点的初始刚度存在明显的差异，节点一初始刚度最小，节点四最大，按照欧洲规范对节点的划分，除节点一为铰接节点，其余均为半刚性节点；在荷载的作用下，节点一柱受拉表面向外明显突出，受压表面部分向内凹陷，连接端板也因受拉产生较大的变形。与节点一相比，节点二因横隔板的限制，柱表面的变形较节点一小，通过对比可以得出横隔板的设置能有效地减小柱的变形；由节点三与节点四的应力应变对比分析，采用平齐式端板连接的节点三在柱端板和外环板均发生明显的变形，梁受拉处的端板出现分离，腹板与柱外环板由螺栓相连对应高度范围内大面积屈服，而节点四的梁柱端板变形较小，刚度与承载力较前三种节点最大。

1.4 内套筒式连接

文献[5]提出了一种内套筒-T型件梁柱节点连接形式，将套筒置于钢管内作为柱与柱、柱与梁的连接部分，节点构造如图4所示。

1.上钢管柱 2.下钢管柱 3.内套筒 4.钢梁 5.T型连接件 6.高强度对拉螺栓 7.高强螺栓 8.围焊缝图4 内套筒式-T型件梁柱节点(螺栓型)

利用有限元软件ANSYS 建立节点模型，在梁端施加低周往复荷载，对其承载能力、滞回性能和骨架曲线等性能进行模拟分析。研究结果表明：在往复荷载作用下，节点的滞回曲线呈弓形，反映出节点具有良好的塑性变形能力和较好吸收地震能量。在节点到达屈服后，因为连接构件的高强度螺栓产生相对滑移，使得节点的滞回曲线呈现一定地捏缩段。节点最终因为T型连接件翼缘发生较大的受弯屈曲塑性变形而破坏。

针对内套筒厚度和长度对节点性能的影响，设置了7组试件进行数值模拟分析，研究结果表明: 随着内套筒厚度的增大，节点的滞回性能有明显的提升，滞回曲线由反S形逐渐变为弓形，且承载能力、刚度和效黏滞阻尼系数均有所提高；随着内套筒长度的增加，连接的T型件翼缘长度也随之增加，高强度螺栓对T 型件翼缘变形的约束能力削弱，上部 T 型件翼缘中部发生屈曲的同时还发生端部翘曲，试件的等效黏滞阻尼系数减小，耗能能力减弱，梁柱间相对转角变大。节点因为使用对拉螺栓连接上部柱，避免了在柱壁上开设施工孔，达到了现场全装配式的要求。但是实际运用中仍存在一定的困难，如组装完下部构件后，内套管、上钢管柱及其两侧的T型件需通过对拉螺栓紧固连接，如何在施工中做到快速方便的连接仍有待解决。同时，对于内套筒式连接，构件制作精度要求极高。

文献[6]通过理论推导了内套筒组合螺栓连接节点的初始刚度，在理论研究的基础之上设计了3个试件研究其抗震性能,节点构造如图5所示。

研究结果表明：节点具有较好的承载力、刚度、耗能能力和良好的抗震性能；随着内套筒厚度的增加，节点的初始刚度、屈服承载力和极限承载力均呈增加趋势，同时节点域的剪切变形逐渐减小，但增加内套筒厚度导致节点的延性降低、刚度退化程度增大；改变外伸端板的厚度对节点初始刚度影响较小，增大内套筒与柱之间的间隙导致节点初始刚度显著降低；通过螺栓型节点与焊接型节点的性能对比分析可知，螺栓型节点在耗能能力和刚度等方面优于焊接型节点，承载能力和节点域剪切变形较焊接型节点差。

1.外伸端板 2.水平盖板 3.端板加劲肋图5 内套筒式-T型件梁柱节点(焊接型)

1.5 悬臂式连接

文献[7]根据悬臂梁的拼接，提出了三种带Z字形拼接梁柱节点，节点构造如图6所示。针对节点是否设置梁段削弱段及削弱段的位置制作了3组试件，研究节点的破坏模式和初始刚度。试验结果表明：带Z字形悬臂梁段拼接节点的最终破坏模式存在一定的差异，节点一因为悬臂梁在靠近拼接区域的下翼缘发生局部屈曲产生破坏，节点三表现为悬臂梁削弱段局部屈曲破坏，节点二在靠近拼接区域的悬臂梁下翼缘和削弱段产生局部屈曲破坏，因为拼接区的滑移和削弱段的存在，节点在破坏前均发生明显的塑性变形，属于延性破坏；悬臂梁设置的削弱段对节点的初始转动刚度影响较小，降低了节点的屈服弯矩。

(a) 节点一

(b) 节点二

(c) 节点三

2 结束语

文中介绍了装配式方钢管柱与钢梁连接节点的国内研究现状与发展历程，方钢管应用于装配式钢结构较H型钢性能更优，但其在施工上存在一定困难，对方钢管装配式钢结构梁柱节点还需深入研究。

[1] 李黎明,陈以一,李宁,等.外套管式冷弯方钢管与H型钢梁连接节点的抗震性能[J]. 吉林大学学报： 工学版,2010(1):67-71.

[2] 李黎明,陈以一,李宁,等.新型外套管式梁柱节点多因素分析研究[J]. 工程力学,2009(11):60-67.

[3] 刘学春,徐阿新,倪真,等.模块化装配式钢结构梁柱节点极限承载力分析与抗震性能研究[J]. 工业建筑,2014(8):23-26.

[4] 陈学森.多层装配式钢框架体系和研究[C]//第24届全国结构工程学术会议论文集,2015:4.

[5] 张茗玮.装配式钢管内套筒-T型件梁柱连接节点力学性能分析[D].青岛理工大学,2015.

[6] 马强强.装配式梁柱内套筒组合螺栓连接节点力学性能研究[D].青岛理工大学,2016.

[7] 张爱林,郭志鹏,刘学春,等.悬臂梁段不同拼接方式下延性节点静力性能分析[J]. 北京工业大学学报,2017(5):770-779.