馬振宇，朱 凱，汪慧琳

（蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 園林工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215008）

2021 年10 月，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會發(fā)布了《鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)“十四五”規(guī)劃及2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)》，提出鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)“十四五”期間發(fā)展目標(biāo)：到2025 年年底，全國鋼結(jié)構(gòu)用量達(dá)到1.4 億t 左右，鋼結(jié)構(gòu)建筑占新建建筑面積比例達(dá)到15%以上。到2035 年，我國鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用達(dá)到中等發(fā)達(dá)國家水平，鋼結(jié)構(gòu)用鋼量達(dá)到每年2.0 億t 以上，鋼結(jié)構(gòu)建筑占新建建筑面積比例逐步達(dá)到40%，基本實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)智能建造。2022 年2 月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃要求，要大力發(fā)展裝配式建筑，構(gòu)建裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計和生產(chǎn)體系，擴大標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件和部品部件使用規(guī)模，提高裝配式建筑綜合效益。規(guī)劃明確，裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%以上，預(yù)計到2035 年，建筑業(yè)發(fā)展質(zhì)量和效益大幅提升，建筑工業(yè)化全面實現(xiàn)，建筑品質(zhì)顯著提升，這預(yù)示著我國的裝配式鋼結(jié)構(gòu)將有廣闊的發(fā)展空間，勢必推動我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的快速發(fā)展。

在裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)中，梁柱連接節(jié)點一直是重中之重。梁柱節(jié)點處于結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，受力頗為復(fù)雜，往往處于復(fù)合受力狀態(tài)。梁柱節(jié)點對裝配式結(jié)構(gòu)的抗震性能有直接影響。此外，梁柱節(jié)點要和周邊預(yù)制構(gòu)件進行組裝，影響施工進度。性能優(yōu)良的梁柱連接節(jié)點應(yīng)具有安裝簡單、快捷，變形能力強，延性性能好，不易發(fā)生脆性失效破壞。當(dāng)前，常用的做法有3 種：①局部改進，對傳統(tǒng)焊接節(jié)點的柱翼緣進行加焊或補焊；②削弱型節(jié)點，削弱梁端翼緣截面或腹板截面，如“狗骨式”節(jié)點；③加強型節(jié)點，直接對節(jié)點區(qū)域進行加強，如梁端翼緣加蓋板。本文研究的裝配式連接節(jié)點是采用節(jié)點端部箱體與拼接短柱焊接的方式來加強柱端，避免梁柱連接處斷裂，迫使塑性發(fā)展集中在節(jié)點端部箱體與豎腹桿空腹節(jié)間的弦桿處，確保節(jié)點具有良好的力學(xué)性能。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的鋼結(jié)構(gòu)裝配式梁柱節(jié)點的研發(fā)工作，但是關(guān)于鋼管柱桁架梁節(jié)點的研究并不多。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系中，方鋼管柱截面構(gòu)件有以下優(yōu)點：①方鋼管截面對各主軸的慣性矩相同，有利于在不設(shè)置柱間支撐的情況下實現(xiàn)等穩(wěn)設(shè)計；②截面材料距離抗彎主軸較遠(yuǎn)，材料使用少，抗彎剛度大，經(jīng)濟性好；③閉口截面的抗扭剛度大；④可以和混凝土配合使用，顯著增強承載力和剛度；⑤相比于開口截面構(gòu)件，閉口方鋼管截面在同等承載力下，表面積更小，防腐防涂料用量更少。

本文提出了一種新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點，通過將桁架梁焊接于梁端箱體，箱體直接焊接于拼接短柱之上，拼接短柱嵌入至矩形鋼管柱中，并通過法蘭實現(xiàn)與鋼柱的可靠拼接。所提出的裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點解決了螺栓在鋼管柱內(nèi)部無法施加預(yù)緊力的問題，也能加快施工進度，并具有可靠的力學(xué)性能。

1 裝配式梁柱連接節(jié)點的研究現(xiàn)狀

馬強強等[1]提出了一種采用對穿螺栓連接的裝配式矩形鋼管柱與H 形鋼梁外伸端板節(jié)點。外套筒通過對穿螺栓與柱相連，既連接了上、下柱，還加強了節(jié)點剛度，而水平蓋板的布置使得梁端塑性鉸外移，以實現(xiàn)預(yù)期效果。但該種節(jié)點并沒有解決對穿螺栓需要在柱截面二次開孔，柱截面被削弱的問題。Deng 等[2]提出了一種全預(yù)制抗損傷梁柱連接節(jié)點，對4 個足尺節(jié)點試件進行了循環(huán)加載試驗，試驗結(jié)果表明：節(jié)點正向初始剛度高于負(fù)向初始剛度，節(jié)點具有良好的耗能能力和變形性能。Jiang 等[3]基于控制損傷的思想，提出了一種T 型抗震預(yù)制梁柱節(jié)點。對5 個節(jié)點進行了循環(huán)加載試驗，結(jié)果表明，該節(jié)點可以有效利用法蘭蓋板的塑性變形及蓋板與螺栓的摩擦滑移進行耗能；法蘭板厚度對節(jié)點的承載能力以及屈服荷載有顯著的影響，合理選擇懸臂梁與普通梁段的間距可以保證節(jié)點的轉(zhuǎn)動性能。Liu 等[4]提出一種新型全螺栓連接的方管柱桁架梁節(jié)點，節(jié)點通過法蘭板連接柱段，通過延伸的蓋板連接桁架梁。節(jié)點剛度可以通過調(diào)整螺栓的數(shù)量或尺寸來控制，并且隨著荷載經(jīng)歷階梯式變化。用有限元方法研究了不同摩擦系數(shù)、螺栓孔壁壓力和螺栓尺寸對節(jié)點性能的影響。此外，還提出了滑移狀態(tài)下的節(jié)點簡化計算公式。李普等[5]提出了一種方鋼管柱桁架梁連接節(jié)點，節(jié)點主要由方鋼管柱、桁架梁、槽鋼組成，桁架梁通過槽鋼與方鋼管柱連接。所完成的2 個足尺試件的單調(diào)加載與往復(fù)加載試驗結(jié)果表明此類節(jié)點的破壞均始于腹桿，終于弦桿撕裂；Khan 等[6]提出了一種新型的預(yù)制螺栓連接梁柱節(jié)點，利用ABAQUS 軟件對節(jié)點進行了有限元分析，結(jié)果表明：在橫向荷載作用下，由于上下接頭之間存在間隙，導(dǎo)致了前梁的承載失效；柱榫的長度、模塊間間隙對節(jié)點的承載能力和結(jié)構(gòu)性能有一定的影響。

2 目前研究存在的不足

從國內(nèi)外相關(guān)研究文獻可知，盡管國內(nèi)外對鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點已進行一系列研究，但仍存在一定不足。

（1）國內(nèi)外關(guān)于鋼管柱桁架梁連接節(jié)點的相關(guān)研究較少，在現(xiàn)實中該類節(jié)點應(yīng)用并不廣泛；

（2）已有的裝配式梁柱節(jié)點研究主要集中了鋼柱與型鋼梁連接節(jié)點的力學(xué)性能，關(guān)于鋼管柱桁架梁連接節(jié)點的合理裝配構(gòu)造仍缺乏研究；

（3）鋼管柱節(jié)點能夠提高施工效率，加快施工進度，但是對于套筒類節(jié)點，套筒與模塊之間不合理的間隙會大大影響施工效率。

3 試件設(shè)計

本文共設(shè)計了2 個足尺的裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點，試件編號Connection-1~2。裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點主要由方管柱、拼接短柱、高強螺栓及輕鋼桁架梁組成（圖1）。為確保桁架梁與鋼柱之間可靠連接，引入了矩形箱體與鋼柱可靠焊接。通常情況下，桁架梁的上、下弦桿采用幾字形冷彎薄壁型鋼，桁架梁腹桿采用矩形鋼管。桁架梁的弦桿與桁架梁端部矩形箱體之間采用焊接連接，豎腹桿、斜腹桿與弦桿之間采用自攻螺釘及焊接組合的連接方式。桁架梁可在工廠制作時預(yù)先安裝自攻螺釘，后進行焊接，方便裝配。

圖1 裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點的組成

試件Connection-1 為該體系的T 形邊節(jié)點，桁架梁弦桿截面均為C80 mm×96 mm×3 mm 卷邊槽鋼，腹桿截面為□90 mm×30 mm×2 mm 矩形鋼管。試件Connection-2 為該體系的十字形中節(jié)點，桁架梁弦桿截面均為C80 mm×94 mm×2 mm 卷邊槽鋼，腹桿截面采用矩形鋼管□90 mm×30 mm×2 mm。所有試件弦桿兩端卷邊長度分別為5 mm 和30 mm，腹桿與弦桿之間采用2 顆自攻螺釘和側(cè)面角焊縫連接。桁架梁與方鋼管短柱□94 mm×6 mm 相連，且該短柱兩端設(shè)計為錐形，便于現(xiàn)場安裝就位。同時，為保證梁柱連接節(jié)點端部區(qū)域的可靠性，設(shè)計了拼接箱體，該箱體寬180 mm，高294 mm，采用厚度為6 mm 的鋼板制作。節(jié)點試件的詳細(xì)信息見表1。圖2 給出了4 個裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點試件的具體尺寸。

表1 裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點的詳細(xì)信息 mm

圖2 裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節(jié)點的幾何尺寸（單位：mm）

4 應(yīng)用前景

這種新型裝配式節(jié)點具有易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、便于機械吊裝、裝配率高，可顯著縮短施工周期，便于拆卸異地重建。新型裝配式節(jié)點特點鮮明，已經(jīng)在現(xiàn)實中開展應(yīng)用。在實際施工過程中為解決套筒與模塊之間的間隙問題，加快施工速度，防止在安裝過程中出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，將所有拼接短柱上下端頭截面縮小，做成導(dǎo)向頭方便實際安裝。新型插入式連接節(jié)點，制作安裝簡便，可實現(xiàn)組合樓板、輕型桁架梁的一體化施工和快速吊裝，大幅度縮短施工工期，如圖3 所示。

圖3 新型插入式連接節(jié)點

一體化桁架梁組合樓蓋水平體系由桁架梁格、節(jié)點套管連接件、矩形鋼管次梁及壓型鋼板組合樓板4部分組成，如圖4 所示。桁架梁中弦桿與腹桿采用自攻螺釘連接，其余構(gòu)架采用焊接。一體化桁架梁組合樓蓋，實現(xiàn)樓蓋和桁架梁一體化，并實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，大幅度縮短施工周期，提高新型結(jié)構(gòu)的裝配率。

圖4 一體化桁架梁組合樓蓋水平體系

一體化桁架梁組合樓蓋水平體系運至現(xiàn)場后，壓型鋼板組合樓板直接插入鋼管柱內(nèi)并通過高強螺栓實現(xiàn)連接，形成新型結(jié)構(gòu)體系如圖5 所示。由于樓蓋系統(tǒng)、套筒柱及輕鋼桁架梁均在工廠內(nèi)事先加工完成，相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)場澆筑，工廠化制作的建筑模塊更具模塊化、參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點，同時因為是工廠內(nèi)預(yù)制，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)的現(xiàn)場制作而出現(xiàn)的粉塵污染、噪聲污染等問題，更加符合現(xiàn)代綠色化生產(chǎn)的理念[7]。樓蓋系統(tǒng)、套筒柱、輕鋼桁架梁在工廠內(nèi)制作完成后運至現(xiàn)場，將樓蓋系統(tǒng)的拼接短柱插入方管鋼柱內(nèi)，并通過法蘭板采用20 顆10.9 級M14 高強螺栓與鋼柱實現(xiàn)可靠連接，從而實現(xiàn)現(xiàn)場的快速裝配。

圖5 裝配式輕鋼樓蓋系統(tǒng)

5 結(jié)論

本文提出了一種新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點，明確了該種節(jié)點的裝配方式及具體模塊尺寸，為套筒柱輕鋼桁架梁連接節(jié)點的合理裝配構(gòu)造提供了新思路。該節(jié)點可以和一體化桁架梁組合樓蓋水平體系通過高強螺栓連接形成裝配式輕鋼樓蓋系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑的快速建造，無需焊接，避免了施工環(huán)境及施工條件造成的焊縫質(zhì)量得不到保證的問題。工廠內(nèi)預(yù)制可以減少噪聲、粉塵等污染，復(fù)合我國現(xiàn)代建筑綠色化生產(chǎn)的理念，同時建筑模塊也更加參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化，加速我國建筑工業(yè)化及產(chǎn)業(yè)化的進程。