王雪峰 徐佳 王雪青 江卓林

摘 要：冷彎薄壁型鋼的節(jié)點(diǎn)連接方式多為螺栓連接或自攻螺釘連接，設(shè)計(jì)中往往被簡(jiǎn)化為理想鉸接模型來(lái)計(jì)算，但實(shí)際上這樣的連接方式使節(jié)點(diǎn)可以承擔(dān)一定的彎矩，同時(shí)節(jié)點(diǎn)處也會(huì)產(chǎn)生變形。半剛性連接理論的提出，為設(shè)計(jì)人員評(píng)估輕鋼結(jié)構(gòu)工作性能提供了新思路。

關(guān)鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu)；半剛性連接；節(jié)點(diǎn)；冷彎薄壁型鋼

1 輕鋼結(jié)構(gòu)概述

我國(guó)在“十三五”期間提出了建筑產(chǎn)業(yè)化，且加加快發(fā)展裝配式建筑。輕型鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域所體現(xiàn)出的施工速度快、工業(yè)化程度高、綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此把輕鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用到住宅建筑和公共建筑中，符合了我國(guó)未來(lái)發(fā)展裝配式建筑的規(guī)劃政策，所以我國(guó)越來(lái)越注重對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

輕鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的常規(guī)分析和設(shè)計(jì)中，大多數(shù)的連接方式是完全剛性或理想鉸接形式。完全剛性連接的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度是無(wú)窮大的，相鄰構(gòu)件在受力情況下的位移和轉(zhuǎn)角是不會(huì)發(fā)生改變的，這就意味著產(chǎn)生的彎矩全部從梁傳遞到柱子。與之相反的理想鉸接則是轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為零，相鄰構(gòu)件間的角度會(huì)隨不同的受力發(fā)生改變，因此柱子不會(huì)承擔(dān)梁上傳來(lái)的彎矩。所謂的半剛性連接則是結(jié)語(yǔ)以上所言的兩者之間，也被稱為柔性連接。采用半剛性連接方式的節(jié)點(diǎn)稱為半剛性節(jié)點(diǎn)。半剛性節(jié)點(diǎn)在其良好的連接性上兼顧了耗能能力強(qiáng)及其具有較大的屈服容量和延展容量，在保證結(jié)構(gòu)的安全性的基礎(chǔ)上節(jié)約了用鋼量，使其符合輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展理念，是一種經(jīng)濟(jì)可靠的連接方式。

2 輕鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀

重慶大學(xué)的黃川通過(guò)試驗(yàn)探究了冷彎薄壁C型鋼梁柱半剛性節(jié)點(diǎn)的相關(guān)性能。在試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了A、B兩組試件，A組試件采用尺寸為C140×50×15mm，厚1mm的型鋼梁柱，用4顆自攻螺釘連接，B組試件采用尺寸為C180×50×15mm，厚1.5mm的型鋼梁柱，用6顆自攻螺釘連接。使用液壓千斤頂加載。將試驗(yàn)結(jié)果與有限元法對(duì)比得出以下結(jié)論：（1）型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)的M-θ曲線表明，該節(jié)點(diǎn)的彎矩和相對(duì)轉(zhuǎn)角的關(guān)系均表現(xiàn)出較明顯的非線性。同時(shí)說(shuō)明試驗(yàn)中如果型鋼梁柱節(jié)點(diǎn)采用自攻螺釘連接，則其不可能是完全剛接或理想鉸接的。（2）A組試件中，節(jié)點(diǎn)的性能趨于柔性；B組試件中，節(jié)點(diǎn)的性能則更趨于剛性。由此可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)的彎矩承載力和初始剛度的影響因素為自攻螺釘?shù)臄?shù)量及鋼板厚度。

北京建筑工程學(xué)院的閻興華通過(guò)試驗(yàn)探究了輕鋼框架采用半剛性連接的梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能[2]。試驗(yàn)采用兩組試件對(duì)照的方式，選用的梁、柱試件均是H型截面，由3塊鋼板焊接而成。梁截面尺寸均為20O×8O×6×6mm，柱截面尺寸均為15O×150×8×8mm；且梁柱節(jié)點(diǎn)均采用8.8級(jí)M16的摩擦型高強(qiáng)螺栓連接， 端板厚度均為10mm。A組試件節(jié)點(diǎn)域未做處理，B組試件在節(jié)點(diǎn)域柱腹板處配置橫向及斜向加勁肋。試驗(yàn)中對(duì)梁端施加循環(huán)荷載，用來(lái)模仿地震作用。通過(guò)對(duì)兩組試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得出以下結(jié)論：（1）輕鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點(diǎn)如果采用端板加高強(qiáng)螺栓的連接方式，其節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度在強(qiáng)軸的方向上比較易于滿足“強(qiáng)柱弱連”的原則，因而其抗震性能要優(yōu)于弱軸方向。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)的延性和承載力得到有效的提高。但是，H型鋼柱由于其自身截面的不對(duì)稱性，使得柱子在弱軸方向上很難滿足“強(qiáng)柱弱梁”的原則，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視，需要采用設(shè)置鋼支撐等相關(guān)措施來(lái)加強(qiáng)柱子截面。（2）輕鋼框架采用高強(qiáng)螺栓端板連接的梁柱節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)比較明顯的變形，在實(shí)際分析中應(yīng)予以考慮；而且此時(shí)節(jié)點(diǎn)的變形不僅有節(jié)點(diǎn)域的剪切變形，還存在高強(qiáng)螺栓由于受到梁端彎矩而產(chǎn)生的拉壓變形。（3）輕鋼框架所使用的高強(qiáng)螺栓加端板連接的梁柱節(jié)點(diǎn)，因其具有良好的耗能能力、變性能力以及抗震承載能力，可在地震區(qū)的輕鋼結(jié)構(gòu)建筑中予以推廣。（4）節(jié)點(diǎn)域需要設(shè)置抗剪加勁肋的措施是完全必要的，而且應(yīng)保證施焊質(zhì)量。

內(nèi)蒙古科技大學(xué)曹芙波實(shí)驗(yàn)探究了冷彎C型鋼節(jié)點(diǎn)的抗震性能[3]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4個(gè)T形節(jié)點(diǎn)，梁柱的截面形式均為雙肢C型鋼，截面的尺寸均為C160×65×20×1.8mm，彎角半徑是6mm，其中C型鋼及墊板均采用Q235鋼，使用8.8級(jí)Φ16高強(qiáng)螺栓來(lái)連接，4個(gè)節(jié)點(diǎn)的墊板厚度及螺栓間距有所不同。試驗(yàn)采用液壓伺服作動(dòng)器在梁端施加反復(fù)的水平荷載，用來(lái)模擬地震作用。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：（1）冷彎型鋼節(jié)點(diǎn)具有承載力高，承載力的退化穩(wěn)定，但剛度退化嚴(yán)重，初始剛度較大，耗能性能好，延性較差的特點(diǎn)。（2）節(jié)點(diǎn)構(gòu)造中采用高強(qiáng)螺栓的摩擦型連接能夠使整個(gè)節(jié)點(diǎn)的抗震性能得到很好的保證，試驗(yàn)過(guò)程中，高強(qiáng)螺栓未發(fā)生滑移，節(jié)點(diǎn)板也未屈服，且C型鋼腹板處的螺栓孔沒(méi)有出現(xiàn)明顯的擠壓變形，使得C型鋼的抗彎承載力得到了最大限度的發(fā)揮。（3）螺栓連接使節(jié)點(diǎn)處梁截面不能連續(xù)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力有所降低，但可以滿足規(guī)范要求的計(jì)算值，對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能沒(méi)有影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

節(jié)點(diǎn)采用半剛性的設(shè)計(jì)，節(jié)約了用鋼量，又降低了工程的造價(jià)。國(guó)外的學(xué)者曾經(jīng)對(duì)采用半剛性連接的輕鋼框架作出了經(jīng)濟(jì)評(píng)估，評(píng)估結(jié)果顯示在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，無(wú)側(cè)移的框架可以節(jié)省造價(jià)的5%～10%，有側(cè)移的框架則可以達(dá)到10%～25% ，收益效果是顯著的。因此，在我國(guó)更有必要大力提倡半剛性連接的設(shè)計(jì)。因?yàn)楹附庸に嚨馁|(zhì)量受到操作人員技術(shù)水平的影響較大，工程質(zhì)量無(wú)法得到保證，致使許多剛性節(jié)點(diǎn)難以滿足設(shè)計(jì)上的要求。如果采用半剛性的設(shè)計(jì)方法，在有效控制了工程質(zhì)量的同時(shí)，還可以讓施工人員準(zhǔn)確的對(duì)結(jié)構(gòu)的工作性能做出評(píng)估。螺栓連接與焊接相比既能節(jié)約人力、省工省時(shí)，又可以降低工程造價(jià)，其帶來(lái)的整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。當(dāng)然，我們應(yīng)該看到我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)范及技術(shù)水平同歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，從而針對(duì)我國(guó)的實(shí)際情況，完善符合我國(guó)實(shí)際情況的半剛性設(shè)計(jì)理論，并體現(xiàn)在規(guī)范中，以供設(shè)計(jì)人員使用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃川.冷彎薄壁C型鋼梁柱半剛性節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)及有限元分析[D].重慶：重慶大學(xué)，2003.

[2] 閻興華，郝國(guó)龍.輕鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的試驗(yàn)研究[D].工程力學(xué)（增刊），2003.

[3] 曹芙波，魏宏剛，桑冬梅.輕型鋼結(jié)構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究與分析[D].鋼結(jié)構(gòu)，2008（3）.

[4] 黎承.冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)半剛性連接性能的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2004.

研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目：

輕鋼框架半剛性梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究。