薛 皓，馬 軍，陳曉虎

（1.軍委審計署蘭州審計中心，甘肅 蘭州 730000；2.西安審計中心，陜西 西安 710000；3.成都審計中心，四川 成都 610002）

隨著我國工業(yè)進程的加快，裝配式鋼結構的發(fā)展也被提上日程，2016 年國務院頒布 《關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》，明確指出不僅要大力發(fā)展裝配式建筑，而且要提高其在新建建筑中的比例，而后住建部在“十三五”規(guī)劃中提出鋼結構建筑要在新建綠色建筑中的比重不低于15%，鋼材是一種綠色建筑材料，且作為國家的戰(zhàn)略儲備資源，使發(fā)展研究裝配式鋼結構成為熱門課題。鋼結構輕質(zhì)高強且抗震性能優(yōu)越，而在1994 年的美國Northridge 地震[1]和1995 年的日本的阪神地震中，鋼結構建筑卻表現(xiàn)出了梁柱節(jié)點焊縫在強震作用下的脆性破壞[2-3]，而后如何避免焊縫的脆性破壞成為鋼框架節(jié)點的研究方向。

裝配式鋼結構建筑設計目標，主要是實現(xiàn)鋼結構施工現(xiàn)場的快速裝配、縮短工期，減少現(xiàn)場焊接造成的焊縫缺陷并提高結構抗震能力。發(fā)展裝配式鋼結構是實現(xiàn)模塊化鋼結構的基礎，2020 年初我國以武漢為中心而爆發(fā)了全國范圍的新冠疫情，火神山、雷神山醫(yī)院的迅速建成也成為我國裝配式建筑發(fā)展的里程碑。

1 節(jié)點的構造形式

1.1 節(jié)點構造類型

鋼結構梁柱節(jié)點根據(jù)構造形式分為加強型節(jié)點和削弱型節(jié)點，加強型節(jié)點的加強位置分為柱端加強和梁端加強，削弱型節(jié)點的削弱位置則集中在梁端。傳統(tǒng)加強型節(jié)點主要分為梁端加腋板型、梁端加肋板型、梁端板式加強型、梁端翼緣擴大型等；削弱型節(jié)點構造形式主要分為翼緣削弱型、腹板處開孔型、梁端腹板處切縫型。而新型節(jié)點是在傳統(tǒng)節(jié)點的基礎上進行組件和連接方式的改造創(chuàng)新。新型節(jié)點可以增加節(jié)點的延性，實現(xiàn)塑性鉸外移，從而進一步提高節(jié)點的抗震耗能能力。

1.2 加強型節(jié)點構造

楊松森等[4-5]提出的外套筒-加強式新型裝配式節(jié)點（如圖1 所示）。該節(jié)點是通過設置外套筒將上、下柱拼接，同時外套筒會增加節(jié)點域的剛度；在梁端設置端板并通過高強螺栓與外套筒連接；為了保證節(jié)點良好的傳力能力，設置了高強對拉螺栓。通過試驗（試驗裝置如圖2 所示）對新型節(jié)點的破壞方式、承載能力、傳力機制、延性及抗震耗能能力等進行分析。研究結果表明：隨著外套筒筒壁的增厚，節(jié)點的初始轉動剛度也會增大，試驗中當筒壁厚度由12mm 增加到14mm 時，初始轉動剛度提高約17%；外伸端板組件可以增加梁端的初始轉動剛度，且增加節(jié)點延性并增加節(jié)點的抗震耗能能力；高強對拉螺栓的設置可以容許梁柱相對轉角增大，提高節(jié)點的轉動變形能力；加載后期由于對拉螺栓的較大塑性變形，使節(jié)點產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，導致滯回曲線由“弓形”轉變?yōu)椤胺碨 形”。

圖1 外套筒-外伸端板節(jié)點構造圖

圖2 試驗裝置圖

王燕等[6-7]提出一種新型內(nèi)套筒全螺栓連接的組合節(jié)點（如圖3 所示）。該類型節(jié)點是在上、下鋼管柱內(nèi)設置內(nèi)套筒，通過高強螺栓和高強對拉螺栓將梁、柱及內(nèi)套筒連接起來，整體構造形式和外套筒相似，主要區(qū)別是套筒的布置位置分內(nèi)和外。研究結果表明：試件的破壞主要是節(jié)點域柱壁和外伸端板的屈曲變形，試驗中對拉螺栓被拉斷；內(nèi)套筒厚度增加會增大節(jié)點域的轉動剛度和抗剪切變形的能力；滯回曲線整體變現(xiàn)出“弓形”，具有良好的耗能能力。

該類型節(jié)點實現(xiàn)了全螺栓連接，為模塊化鋼結構建筑奠定了基礎，試驗裝置如圖4 所示。

圖3 外套筒-外伸端板節(jié)點構造圖

圖4 試驗裝置圖

Liu 等[8-10]對H 型梁與方鋼管柱的連接方式進行研究，在反復的試驗研究和理論支持下，全螺栓雙夾板連接節(jié)點（如圖5 所示）取得較顯著的成果。試驗（試驗裝置如圖6 所示）結果表明：全螺栓連接的新型節(jié)點延性較好，最終的破壞形式是上下翼緣發(fā)生較大的塑性變形導致的局部撕裂；全螺栓連接的節(jié)點在加載過程中未出現(xiàn)明顯的滑移現(xiàn)象，破壞位置遠離柱，實現(xiàn)了塑性鉸的外移；節(jié)點結構上對稱，在試驗中表現(xiàn)得力學性能也是一致的；理論計算與試驗的結果較為一致。

圖5 全螺栓雙夾板連接節(jié)點

圖6 試驗裝置圖

1.3 削弱型節(jié)點構造

盧林楓等[11-12]對鋼梁進行改進，讓波紋形梁腹板代替普通腹板形式（如圖7 所示），并進行弱軸方向的抗震性能模擬分析。柱采用H 型鋼，在弱軸方向用蒙皮板與H 型鋼梁連接，試驗（試驗裝置如圖8所示）研究結果表明：弱軸方向的延性系數(shù)大于6.0，塑性轉動能力大于等于0.06rad，滿足規(guī)范要求的延性大于等于3.0 與塑性轉動能力大于等于0.03rad；在位移加載過程中，蒙皮板和與梁連接的焊縫基本均未達到屈服強度，實現(xiàn)了“強節(jié)點，弱構件”的抗震目標；文中建議削弱深度的參數(shù)取值范圍，在此參數(shù)范圍內(nèi)取值節(jié)點會表現(xiàn)出比較理想的抗震能力。

圖7 箱型節(jié)點域弱軸連接節(jié)點

圖8 試驗裝置圖

何浩祥等[13-14]在狗骨式削弱型節(jié)點的基礎上，在翼緣削弱處用低屈服點的金屬材料填充原翼緣削弱部分（如圖9 所示）進行減震分析。具體方式是將梁端距離柱0.5bf～0.75bf（bf指梁的翼緣寬度）的位置開始開槽，削弱深度和削弱長度的取值區(qū)間分別為0.20bf～0.25bf與0.65hb～0.85hb（hb指梁截面高度），然后在開出的圓弧削弱區(qū)域填充低材性的鋼材。擬靜力試驗（試驗裝置如圖10 所示）結果顯示：低屈服點鋼對翼緣和腹板進行先削再填補，會先于其他地方屈服，并降低節(jié)點損壞程度；只有選擇合理的削弱和填補尺寸，才能更容易、更明顯的實現(xiàn)塑性鉸外移。

圖9 箱型節(jié)點域弱軸連接節(jié)點

圖10 試驗裝置圖

2 節(jié)點受力性能研究

2.1 摩擦型“塑性鉸”構造形式及力學性能

摩擦型“塑性鉸”[15-16]屬于梁端削弱型的新型裝配式節(jié)點，未發(fā)生地震及小震作用時，主要依靠限位螺栓及拼接板間靜摩擦承受外部荷載；當發(fā)生中震或大震作用時，限位螺栓被剪斷，此時傳遞剪力主要依靠加載旋轉螺栓，而實現(xiàn)地震下耗能主要方式是摩擦耗能。擬靜力試驗（試驗裝置如圖11 所示）結果表明：試件耗能分兩個階段，第一階段是由限位螺栓變形與拼接板相互轉動摩擦共同耗能，另一階段是限位螺栓剪斷后僅靠摩擦耗能；骨架曲線圖（如圖12 所示；其中PH-1 表示限位螺栓采用4.8級普通螺栓，PH-2 表示限位螺栓采用8.8 級高強螺栓）中顯示在普通抗剪螺栓剪斷后，承載力下降迅速，而后又保持數(shù)值穩(wěn)定，采用高強螺栓因限位螺栓無法剪斷而導致限位螺栓孔發(fā)生擠壓變形，耗能能力強于前者。摩擦型“塑性鉸”構造形式新穎，但耗能能力主要和摩擦材料與旋轉加載螺栓的預緊力有關。當使用高強限位螺栓時容易造成拼接板的擠壓破壞，使用普通限位螺栓，在螺栓剪斷后，轉動摩擦力較小不能滿足承載力要求。

圖11 試驗裝置圖

圖12 骨架曲線

2.2 新型梁翼緣削弱型節(jié)點構造形式及力學性能

新型翼緣削弱型節(jié)點[17]通過在梁端設置旋轉單元和“狗骨式”耗能鋼板(即拼接板)實現(xiàn)地震作用下的精準耗能,拼接板（Q235B）的材性等級低于梁柱（Q345B）的材性等級，目的是保證梁柱節(jié)點焊縫的安全，且Q235B 鋼材的延展性較好。與梁腹板連接的單、雙連接板上均設置有限位螺栓孔，使梁柱相對轉角得到有效地控制。擬靜力試驗（試驗裝置如圖13 所示）結果顯示：拼接板厚度及削弱深度不同，新型節(jié)點分別呈現(xiàn)出不同的承載能力、耗能能力、延性等；新型裝配式節(jié)點能夠保證在試驗加載位移較大時不出現(xiàn)節(jié)點梁柱焊縫的脆性破壞；滯回曲線中出現(xiàn)了滑移現(xiàn)象，造成曲線整體呈反S 型，主要是由拼接板與梁翼緣連接的螺栓直徑比孔徑略小造成的；由于滑移現(xiàn)象存在，使骨架曲線（如圖14 所示；其中SJ-1 表示拼接板每邊削弱25mm、厚度為10mm 的試件，SJ-2 表示拼接板每邊削弱35mm、厚度為10mm 的試件，SJ-3 表示拼接板每邊削弱35mm、厚度為12mm 的試件，SJ-4 表示拼接板每邊削弱45mm、厚度為12mm 的試件）沒有明顯的屈服點，也造成節(jié)點延性系數(shù)值較??；拼接板的屈曲是造成節(jié)點承載能力下降的主要因素，防止拼接板過早的屈曲能夠有效地增加節(jié)點的延性；增加削弱深度會使節(jié)點在前期快速提高承載能力，但會使拼接板更容易屈曲；增加拼接板厚度能夠有效防止拼接板過早屈曲，從而增加節(jié)點的延性性能?？刂破唇影迩姆椒ㄓ性黾悠唇影宓暮穸?、使用“T”形的拼接板、拼接板外設置防屈曲套筒等。另一方面是滑移現(xiàn)象降低了節(jié)點的轉動剛度，可以通過在梁翼緣和拼接板之間布置摩擦材料、增加加工精度減少孔隙等。

圖13 試驗裝置圖

圖14 骨架曲線

3 節(jié)點發(fā)展趨勢

1）裝配式鋼結構的抗震設計目標是實現(xiàn)“強節(jié)點，弱構件”，地震作用時新型節(jié)點首先要有較好的耗能能力，目前我國的新型鋼結構梁柱節(jié)點構造形式較多，但理論研究卻滯后于試驗分析，而實際工程需要根據(jù)需求對節(jié)點的各參數(shù)進行設計計算。所以對于擁有較好耗能能力的節(jié)點首要任務是進行理論研究，才能實現(xiàn)新型節(jié)點的廣泛推廣應用。

2）裝配式新型節(jié)點應用于模塊化鋼結構領域在我國已得到一定的發(fā)展，但即便有良好抗震性能的節(jié)點在實際工程中因樓板和墻板的存在，也很難有操作空間。同樣對于可替換耗能構件的新型節(jié)點也需要考慮能否實現(xiàn)震后耗能構件的替換。

3）目前新型節(jié)點的試驗研究以單個節(jié)點的試驗較多，也出現(xiàn)空間框架的試驗研究。但多層多跨的框架試驗極少，這一方面的研究內(nèi)容較少也影響著新型節(jié)點在中高層建筑中的應用與推廣。