王新峰 于紅燕

【摘 要】本文系統(tǒng)介紹了盒式結(jié)構(gòu)及其特點，對盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點形式做了詳細的介紹，在盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗震性能研究中，關(guān)于節(jié)點形式的選擇和設計原則做了詳細的探討。

【關(guān)鍵詞】盒式結(jié)構(gòu)；節(jié)點形式；設計原則

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)作為一種優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)類型在當今世界建筑群中被廣泛采用，并且具有廣泛的發(fā)展前景。鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)點眾多，例如重量輕、強度高、剛度大、延性良好、抗震性能好、施工方便、綜合經(jīng)濟指標好等，是當今建筑中無可爭議的主要結(jié)構(gòu)類型之一。鋼結(jié)構(gòu)體系中，裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)是一種全新的結(jié)構(gòu)體系，相較其它鋼結(jié)構(gòu)體系提出的時間較短，是馬克儉院士于2010年提出的一種全新結(jié)構(gòu)體系，并在近幾年迅速發(fā)展，由于其鋼材用量比傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)較小，延性及抗震性能更強而得到廣泛關(guān)注和研究。裝配整體式鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)體系不但被應用于工業(yè)廠房、大跨度建筑中，在多、高層住宅結(jié)構(gòu)中同樣具有廣泛的應用前景，其抗震性能是該結(jié)構(gòu)體系研究的必備環(huán)節(jié)，目前盒式結(jié)構(gòu)體系主要在整體抗震性能的研究[1]上，而節(jié)點的抗震性能研究同樣重要，但目前該領域還處于空白，空腹桁架與柱相交節(jié)點以及帶混凝土層的空腹桁架柱相交組合節(jié)點的抗震性能研究尚屬首次提出，所以研究混凝土層對盒式結(jié)構(gòu)的抗震性能影響必不可少。在盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點的擬靜力試驗中，盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點的選取尤為重要，且應分為純鋼節(jié)點和組合節(jié)點。

2 盒式結(jié)構(gòu)簡介

馬克儉院士早期深入的研究了鋼筋混凝土密肋井字樓蓋，在此基礎上于2010年提出了一種全新的鋼結(jié)構(gòu)體系，即整體裝配式鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)體系（以下簡稱盒式結(jié)構(gòu)），這種結(jié)構(gòu)體系的組成部分為：豎向是由鋼密柱與H型鋼層間聯(lián)系梁組成的單層鋼網(wǎng)格承重墻架；橫向為"十"字拼接單元組成的空腹夾層板，上下T型鋼與剪力鍵組成拼接單元，空腹夾層板與鋼網(wǎng)格承重墻架相連，組成一個空間性能好，抗側(cè)移剛度大，傳力路徑清晰，抗震性能好的全新結(jié)構(gòu)體系[2]。豎向鋼網(wǎng)格承重墻架與框架相比，豎向鋼網(wǎng)格承重墻架的網(wǎng)格小，其內(nèi)力分布均勻、內(nèi)力小、構(gòu)件小，且抗側(cè)剛度大。

3 裝配整體式鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)的特點

盒式結(jié)構(gòu)新體系具有許多優(yōu)點，相比目前常用的鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼框架-混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，盒式結(jié)構(gòu)在受力機理、傳力路徑、建筑功能、施工方法、節(jié)能環(huán)保和工程造價等方面更有優(yōu)勢。盒式結(jié)構(gòu)具體有以下優(yōu)點：

（1）小尺寸的密肋鋼柱網(wǎng)格式墻架解決了大跨度工業(yè)與公共建筑中肥梁肥柱問題，具有"板"的力學性能，其抗側(cè)移剛度較大。當與混凝土核心筒協(xié)同作用時，形成兩道抗震防線，抗震性能更加優(yōu)越；

（2）鋼空腹夾層板樓板（屋面）的單元網(wǎng)格長寬比一般小于1.5，網(wǎng)格單元受力特點相當于雙向板，力的傳遞路徑均勻合理，且能滿足撓度變形的要求；

（4）鋼結(jié)構(gòu)部分維護簡單。橫向鋼網(wǎng)格外墻采用現(xiàn)澆填充石膏墻體，墻體施工簡單，保溫性能好且不易開裂，鋼構(gòu)件完全包裹在石膏墻體內(nèi)，完全被密封，無需再做防火防銹處理。

（5）室內(nèi)無梁無柱，空間大，層高較??；

（6）水平體系和豎向體系均采用小構(gòu)件單元螺栓整體裝配，每件拼裝單元重量不超過500kg，工廠制作，構(gòu)件運輸方便，現(xiàn)場高強螺栓連接大大縮短工期，是一種適合市場推廣的鋼結(jié)構(gòu)體系[3]。

4 盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點簡介

目前裝配整體式空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主要以全焊的剛性連接為主，由雙T型鋼組成的空腹水平受力體系與鋼柱相連接組成，具有類似桁架體系的受力特點，由抗剪剛度較大的方鋼管形成的剪力鍵抵抗水平剪力，并連接上下T型鋼共同抵抗荷載作用，使得空腹桁架與柱相交節(jié)點的抗震性能不同于常規(guī)的梁柱節(jié)點。鋼網(wǎng)格空腹桁架與柱相交節(jié)點是聯(lián)系水平受力體系和豎向受力體系的關(guān)鍵部位，主要有邊跨單向的T字形節(jié)點，包括強軸方向節(jié)點和弱軸方向節(jié)點，中間跨十字形雙向節(jié)點以及角柱強軸和弱軸兩個方向的L形節(jié)點?？紤]到焊接質(zhì)量，殘余應力，殘余變形以及費用的影響因素，工程中常通常采用熱軋T型鋼，也可由熱軋H型鋼在工廠在腹板切開而來，這樣可以得到不同腹板高度的T型鋼，T型鋼上下翼緣采用全融透的坡口焊與柱翼緣連接，其它部位采用雙面角焊縫連接，在桁架單元1/2位置截斷，預留螺栓孔，在施工現(xiàn)場用高強螺栓將拼裝單元通過上下兩塊鋼板將上下翼緣和腹板連成整體。空腹桁架與柱相交節(jié)點傳力明確，構(gòu)造簡單，施工方便，并具有良好的承載能力，能使結(jié)構(gòu)安全可靠的工作，是一種經(jīng)濟合理的節(jié)點形式。

5 盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點的設計原則

盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點的擬靜力試驗沒有相關(guān)資料，參考已有其他節(jié)點形式，為避免空腹桁架與H型鋼柱翼緣的焊縫連接的脆性破壞，應保證塑性鉸區(qū)域遠離H型鋼柱；由于盒式結(jié)構(gòu)采取空腹桁架的形式，空腹的存在一定程度上削弱了其承載力，抗剪能力的下降尤為明顯，為保證其必要的承載力，組成空腹桁架的上下T型鋼截面的選擇尤為重要；同時應保證盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點進入塑性階段后的變形能力和耗能能力；盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點亦應嚴格恪守"強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件"的設計原則。

因此，理想中的盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點實驗是讓靠近H型鋼柱翼緣的空腹桁架一端首先出現(xiàn)屈服，繼續(xù)加載過程中此處逐漸形成塑性鉸區(qū)域，以耗散地震的能量，塑性鉸區(qū)域遠離節(jié)點根部，保護了焊縫和節(jié)點核心區(qū)，避免焊縫處的脆性破壞，塑性鉸的出現(xiàn)，增大了節(jié)點的耗能能力以及節(jié)點屈服后的變形能力。由以上考慮，本次試驗所有節(jié)點的設計原則是：

（1）塑性鉸盡可能出現(xiàn)在空腹桁架的根部或空腹桁架上下T形截面型鋼與加勁板相交附近最薄弱位置，避免空腹桁架與H型鋼柱交接處的焊縫先破壞；

（2）為了不使空腹桁架和H型鋼柱太早發(fā)生剪切破壞，組成空腹桁架的上下T型鋼的腹板尺寸及空腹高度應該給予注意；

（3）對于盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點，空腹的存在削弱了空腹桁架的抗剪能力，盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點本質(zhì)上更接近削弱型節(jié)點，節(jié)點核心區(qū)相對空腹桁架其剛度要大很多，但是由于節(jié)點核心區(qū)受力復雜應當給與重視，避免節(jié)點核心區(qū)先于空腹桁架端破壞；

（4）保證焊縫質(zhì)量，需符合"強焊縫，弱鋼材"的原則，保證節(jié)點域與空腹桁架連接處焊縫的安全。

盒式結(jié)構(gòu)在水平荷載下，拼接單元形成的網(wǎng)格每段空腹桁架都有一個反彎點，反彎點兩側(cè)應力分布相似，由于鋼節(jié)點的材料性能及盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點的特點，應該采用足尺試件[4]，空腹桁架的長度取1/2空腹桁架的跨度，節(jié)點核心區(qū)上下H型鋼柱取1/2柱高，節(jié)點的選取是由盒式結(jié)構(gòu)節(jié)點在水平方向承受荷載時彎矩的反彎點位置來決定的，且宜采用T字型試件。

參考文獻：

[1] 譚增輝，馬克儉，梁影. 裝配整體式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)高層節(jié)能住宅建筑的研究與應用[J]. 貴州大學學報（自然科學版），2012，06：126-130.

[2] 宋帥，麻鳳海，陳志鵬，欒煥強，魏艷輝. 裝配整體式空間鋼網(wǎng)格正交斜放盒式結(jié)構(gòu)在多層大跨度工業(yè)建筑中的設計與應用[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2014，13：15-18.

[3] 馬克儉，張華剛，肖建春，成復秀，盧亞琴. 新型建筑結(jié)構(gòu)體系的開拓與發(fā)展[J]. 貴州工業(yè)大學學報（自然科學版），2008，04：13-27+43.

[4] 中華人民共和國建設部，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 138-2001 J 130-2001），中華人民共和國行業(yè)標準，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002-01-01.