張孝斌，殷堯日，馮力強(qiáng)，劉立平，牛昌林，李英民

(1 甘肅省建設(shè)投資(控股)集團(tuán)總公司， 蘭州 730000； 2 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400045； 3 甘肅建投科技研發(fā)有限公司， 蘭州 730000)

0 引言

隨著工程材料及建筑結(jié)構(gòu)形式的不斷發(fā)展，裝配式鋼結(jié)構(gòu)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到各類(lèi)工程實(shí)踐當(dāng)中。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕、強(qiáng)度高、抗震性能好、施工速度快、工業(yè)化程度高，符合產(chǎn)業(yè)化要求，符合建筑節(jié)能發(fā)展方向[1]等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際的裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目對(duì)裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)有需求，選擇適用的節(jié)點(diǎn)連接形式，是滿(mǎn)足工程項(xiàng)目的重要一步。

針對(duì)鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)連接形式，國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量試驗(yàn)和有限元研究。2005年，宗周紅等[2]進(jìn)行了方形鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，穿芯螺栓-加勁端板連接節(jié)點(diǎn)與綴板焊接連接節(jié)點(diǎn)的整體抗震性能優(yōu)于常規(guī)栓焊節(jié)點(diǎn)。2007年，Wu等[3]提出了雙向螺栓連接的鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的力學(xué)模型，試驗(yàn)結(jié)果表明，此類(lèi)形式的節(jié)點(diǎn)具有良好的剛度、強(qiáng)度、延性以及耗能能力等抗震性能。2009年，Wang等[4]進(jìn)行了4個(gè)往復(fù)加載的單邊螺栓連接的鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)整體上保持了良好的延性和后期承載能力。同年，Ghobadi等[5]開(kāi)展了在已有抗彎節(jié)點(diǎn)上設(shè)置T形加勁肋后節(jié)點(diǎn)塑性變形能力的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，水平T形加勁肋的設(shè)置可以有效地消除裂紋的擴(kuò)展。2015年，張茗瑋等[6]提出了一種內(nèi)套筒-T形件梁柱節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)耗能能力良好，且在套管厚度大于2mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)具有最好的滯回性能，但隨著內(nèi)套筒的長(zhǎng)度增加，節(jié)點(diǎn)的極限承載力卻有所下降。2018年，夏軍武等[7]提出了一種拼接外套筒式節(jié)點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)和有限元模型研究了節(jié)點(diǎn)的靜力性能，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力和延性較好，但節(jié)點(diǎn)在套筒根部焊縫處均產(chǎn)生了顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，焊接質(zhì)量是此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵。

隨著對(duì)裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的不斷研究，選擇抗震性能更好、施工難度更低、成本更經(jīng)濟(jì)的節(jié)點(diǎn)，是將其應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目的關(guān)鍵。本文基于前人研究的成果，采用歸一化方法分析裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能，對(duì)不同的節(jié)點(diǎn)抗震性能指標(biāo)采用歸一化方法處理，使其僅與節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造類(lèi)型相關(guān)，與其余參數(shù)無(wú)關(guān)，使得不同節(jié)點(diǎn)在抗震性能上具有可比性。

1 裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式

針對(duì)裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的研究，本文檢索了大量相關(guān)現(xiàn)有文獻(xiàn)[8-15]，從中選擇常用的裝配式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式及試驗(yàn)條件?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中多采用柱端加載方式，常在小軸壓比條件下進(jìn)行試驗(yàn)。為了研究裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能，本文基于前人研究的成果，選取了五種不同的裝配式節(jié)點(diǎn)，選取的連接節(jié)點(diǎn)均滿(mǎn)足小軸壓比(0.2～0.4之間)且為柱端加載方式。在控制基本試驗(yàn)條件相同的前提下，采用歸一化處理方法，分析在本文研究條件下，較適用于裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式示意圖如圖1所示。

圖1 裝配式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式示意圖

保證裝配式節(jié)點(diǎn)的可靠連接，除了考慮鋼管混凝土柱和鋼梁之間的連接，有些節(jié)點(diǎn)形式還需同時(shí)考慮鋼管混凝土上下柱之間的連接，采用螺栓和焊接方式進(jìn)行鋼管混凝土柱和鋼梁之間的連接，可采用加強(qiáng)環(huán)式[8]和外肋環(huán)板式[9]結(jié)合的方式，如圖1(a)，(b)所示。在節(jié)點(diǎn)區(qū)運(yùn)用隔板同時(shí)考慮了鋼管混凝土上下柱和鋼管混凝土柱與鋼梁的連接，可以避免在層中進(jìn)行上下柱的連接，隔板可分為內(nèi)隔板[10]和隔板貫通[11]兩種類(lèi)型，如圖1(c)，(d)所示。也可以采用外套筒[12]進(jìn)行上下柱在節(jié)點(diǎn)區(qū)的連接，如圖1(e)所示。各節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)的基本信息如表1所示。

各節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)基本信息 表1

2 節(jié)點(diǎn)承載力對(duì)比分析

為了對(duì)本文總結(jié)的五種裝配式節(jié)點(diǎn)的承載力進(jìn)行對(duì)比分析，在保證柱端加載和小軸壓比的條件下，采用歸一化方法對(duì)荷載-位移曲線(xiàn)進(jìn)行處理。首先通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)[16-17]，確定荷載-位移曲線(xiàn)中的屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)和極限點(diǎn)的位置，然后取峰值點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為等式的分母，其他點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為分子，得到節(jié)點(diǎn)的荷載比-位移比曲線(xiàn)。節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線(xiàn)體現(xiàn)了從加載開(kāi)始到結(jié)束時(shí)荷載與位移之間的關(guān)系，反映了節(jié)點(diǎn)剛度隨荷載的變化情況。通過(guò)獲取各節(jié)點(diǎn)的正向加載與反向加載下的數(shù)值，經(jīng)歸一化處理后，發(fā)現(xiàn)荷載比-位移比曲線(xiàn)與荷載-位移曲線(xiàn)相比接近且基本重合，不僅保留了原荷載-位移曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)，還能達(dá)到歸一化的目的，為了使節(jié)點(diǎn)的性能便于比較分析，僅取正向荷載比-位移比曲線(xiàn)作為本文的研究對(duì)象。本文總結(jié)的五種連接節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 裝配式節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線(xiàn)

圖2中五種節(jié)點(diǎn)連接形式的荷載-位移曲線(xiàn)差別很大，因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)的材料、尺寸、連接形式等條件不同，無(wú)法直接對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較。本文參照對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)[8-12]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)在網(wǎng)格紙上描點(diǎn)確定各關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，采用歸一化方法對(duì)荷載-位移曲線(xiàn)進(jìn)行處理，得到五種裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的荷載比-位移比曲線(xiàn)，如圖3所示。

圖3 裝配式節(jié)點(diǎn)的荷載比-位移比曲線(xiàn)

由圖3可知，五種裝配式節(jié)點(diǎn)連接形式在屈服階段的變化規(guī)律基本吻合，隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的初始剛度最大但其屈服點(diǎn)承載力較小，外肋環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的初始剛度最小但其屈服點(diǎn)承載力較大，加強(qiáng)環(huán)式和內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)的初始剛度較大且屈服點(diǎn)承載力大，外套筒式節(jié)點(diǎn)的初始剛度和內(nèi)隔板式相當(dāng)，但其屈服點(diǎn)承載力小于內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)；在達(dá)到峰值荷載后，加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的承載力下降最為緩慢，其延性相對(duì)較好，內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)一開(kāi)始下降緩慢，隨著內(nèi)隔板的破壞，承載力突然發(fā)生下降，且下降幅度較大，但其破壞前的承載力仍大于其他三種節(jié)點(diǎn)形式，外肋環(huán)板式和外套筒式節(jié)點(diǎn)承載力下降速度基本相當(dāng)，剛度退化較快，延性一般，隔板貫通式節(jié)點(diǎn)承載力下降快，剛度退化明顯。從結(jié)構(gòu)承載能力和延性角度出發(fā)，裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁結(jié)構(gòu)在小軸壓比下，建議采用加強(qiáng)環(huán)式和內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)。

3 節(jié)點(diǎn)耗能能力對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)五種裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)運(yùn)用歸一化方法處理，得到各節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)面積比-位移比曲線(xiàn)，以反映各節(jié)點(diǎn)的耗能和變形能力。圖4為本文總結(jié)的五種裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)面積比-位移比曲線(xiàn)。

圖4 裝配式節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)面積比-位移比曲線(xiàn)

如圖4所示，五種裝配式節(jié)點(diǎn)連接形式在屈服階段的變化規(guī)律基本吻合，說(shuō)明這些節(jié)點(diǎn)在屈服階段的變形能力基本相當(dāng)。在達(dá)到峰值荷載后，加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)面積比最大，其極限點(diǎn)處的滯回環(huán)面積比是峰值點(diǎn)處的兩倍以上，遠(yuǎn)大于其他節(jié)點(diǎn)形式，內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)面積比僅次于加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)，外肋環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的滯回環(huán)面積比小于加強(qiáng)環(huán)式和內(nèi)隔板式，但大于其他兩種節(jié)點(diǎn)形式，外套筒式和隔板貫通式節(jié)點(diǎn)相對(duì)較小，表明在剛度退化階段，加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的耗能性能最好，內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)和外肋環(huán)板式節(jié)點(diǎn)均表現(xiàn)出了較好的耗能能力，隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的耗能性能最差。所以，從結(jié)構(gòu)變形能力和耗能性能角度出發(fā)，裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁結(jié)構(gòu)在小軸壓比下，建議采用變形能力好且具有較好耗能性能的加強(qiáng)環(huán)式和內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)，加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置外肋端板來(lái)提高節(jié)點(diǎn)的變形能力。

4 施工難易

研究五種不同裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的適用性，除了對(duì)比分析各節(jié)點(diǎn)的抗震性能外，還需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的施工難易程度進(jìn)行對(duì)比，以滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)的可裝配性和實(shí)用性。本文總結(jié)的五種裝配式節(jié)點(diǎn)均能實(shí)現(xiàn)加工廠(chǎng)加工后現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配的要求，但各節(jié)點(diǎn)施工難易程度不同，下面對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析并從施工難易程度進(jìn)行對(duì)比。

加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的施工難度在于通過(guò)加強(qiáng)環(huán)板開(kāi)孔，在鋼管混凝土柱中澆灌混凝土，并保證鋼管上下柱中間混凝土的貫通性良好，H型鋼梁上下翼緣與加強(qiáng)環(huán)板之間的焊接，也是施工過(guò)程中需要確保的工序，此類(lèi)節(jié)點(diǎn)的施工難度較低。外肋環(huán)板式節(jié)點(diǎn)是在加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上采用連接件進(jìn)行上下翼緣與鋼管柱表面的連接，并在連接件上設(shè)置豎向加勁肋以提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能，外部加勁肋與環(huán)板之間采用焊接，節(jié)點(diǎn)的施工難度較低，但與加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的施工工序相比略多。內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)施工時(shí)需要在鋼管內(nèi)設(shè)置內(nèi)隔板，由于鋼管柱尺寸的限制，管內(nèi)焊接內(nèi)隔板和澆筑混凝土都有一定的難度，并且在鋼管表面的同一位置上焊接多次，導(dǎo)致焊接熱效應(yīng)過(guò)大，焊接處容易發(fā)生脆性破壞，施工難度較高。隔板貫通式節(jié)點(diǎn)施工時(shí)需要將打斷的鋼管柱分別焊接在隔板的上下兩面，對(duì)焊接的要求較高，施工難度較大。外套筒式節(jié)點(diǎn)在施工過(guò)程中難以保證套筒與鋼管柱表面的無(wú)縫接觸，不可避免地在施工過(guò)程中會(huì)留有縫隙，最后會(huì)導(dǎo)致鋼管柱與套筒間被拉裂，施工難度大于其他節(jié)點(diǎn)。綜上所述，以難度等級(jí)高、較高、中等、較低、低對(duì)本文提出的五種裝配式節(jié)點(diǎn)的施工難易程度進(jìn)行分類(lèi)，如表2所示。由表2可知，從施工難易程度的角度考慮，加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)和外肋環(huán)板式節(jié)點(diǎn)是較優(yōu)的選擇。

各節(jié)點(diǎn)的施工難易程度 表2

5 成本對(duì)比

在實(shí)際工程案例中，除了考慮到節(jié)點(diǎn)的抗震性能和施工難易外，工程成本也是綜合衡量一種節(jié)點(diǎn)形式是否具有實(shí)用性的一項(xiàng)指標(biāo)。本文綜合所總結(jié)的五種裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)形式，對(duì)各節(jié)點(diǎn)的成本進(jìn)行估算，按單位極限承載力成本對(duì)各節(jié)點(diǎn)的造價(jià)成本進(jìn)行對(duì)比，得出較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的節(jié)點(diǎn)形式。鋼材按市場(chǎng)單價(jià)6 000元/t，混凝土按500元/m3計(jì)算，各節(jié)點(diǎn)的螺栓、端板、焊接成本與工人施工成本之和按鋼材與混凝土成本之和的兩倍考慮。通過(guò)對(duì)所檢索文獻(xiàn)[8-12]的試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟牧线M(jìn)行估算，得出成本工程量，如表3所示。

各節(jié)點(diǎn)成本工程量統(tǒng)計(jì) 表3

各節(jié)點(diǎn)成本除鋼材和混凝土以外，螺栓、端板、焊接材料以及施工成本之和按等于材料成本計(jì)算，得出各節(jié)點(diǎn)的單位極限承載力成本如表4所示。

各節(jié)點(diǎn)的單位極限承載力成本 表4

由表4可知，外肋環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的單位極限承載力成本最低，和未設(shè)置肋板的加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)相比，其成本僅僅是加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)的40%左右，可見(jiàn)，加肋會(huì)大大降低節(jié)點(diǎn)的單位極限承載力成本。外套筒式節(jié)點(diǎn)的單位極限承載力成本是外肋環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的三倍多，在相同的承載力要求下，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外肋環(huán)板式節(jié)點(diǎn)，且在本文總結(jié)的五種裝配式節(jié)點(diǎn)中，成本最高。內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)的單位極限承載力成本略低于外套筒式節(jié)點(diǎn)，隔板貫通式節(jié)點(diǎn)的單位極限承載力成本大致為外肋環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的兩倍。所以，從成本對(duì)比結(jié)果來(lái)看，外肋環(huán)板式節(jié)點(diǎn)是最為經(jīng)濟(jì)的節(jié)點(diǎn)形式。

6 結(jié)論

本文采用歸一化方法得到了五種裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的荷載比-位移比曲線(xiàn)、滯回環(huán)面積比-位移比曲線(xiàn)，對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)承載力、結(jié)構(gòu)延性、耗能性能、剛度退化等指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，探討了不同裝配式節(jié)點(diǎn)的抗震性能差異，同時(shí)對(duì)不同節(jié)點(diǎn)的施工難易程度進(jìn)行了對(duì)比，并對(duì)單位極限承載力成本進(jìn)行了估算，得出如下主要結(jié)論：

(1)本文總結(jié)的五種裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)，從抗震性能的角度出發(fā)，在小軸壓比及柱端加載條件下，建議采用加強(qiáng)環(huán)式和內(nèi)隔板式節(jié)點(diǎn)，加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)可設(shè)置外肋端板以提高節(jié)點(diǎn)的變形能力。

(2)加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)和外肋環(huán)板式節(jié)點(diǎn)的施工難度相對(duì)較低，從施工難易角度來(lái)考慮時(shí)，在鋼管柱尺寸較小時(shí)，建議采用加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)，在鋼管柱尺寸較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加外肋環(huán)板來(lái)提高環(huán)式節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

(3)從單位極限承載力成本來(lái)看，在相同的承載力要求下，外肋環(huán)板式節(jié)點(diǎn)是最為經(jīng)濟(jì)的選擇，且明顯優(yōu)于其他節(jié)點(diǎn)形式。

(4)本文總結(jié)的五種裝配式節(jié)點(diǎn)連接形式，僅考慮了滿(mǎn)足小軸壓比及柱端加載條件下節(jié)點(diǎn)的性能對(duì)比，為相同前提條件下的裝配式鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)的選擇提供了參考，其他不同條件下的節(jié)點(diǎn)性能尚需進(jìn)一步研究。