李然，馬倩玲，楊秀紅，林峰，顏孫杰

（1.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京100044；2.國(guó)材（北京）建筑科學(xué)研究院有限公司，北京100038）

1 引言

輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅用鋼量少，具有工廠化程度高、施工周期短、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，滿足住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求。 近年來(lái)，隨著國(guó)家綠色發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，輕型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速[1]。

方鋼管截面形式對(duì)稱，具有各向等強(qiáng)、承載力高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在輕型鋼結(jié)構(gòu)中具有廣闊的工程應(yīng)用前景[2]。 方鋼管梁柱連接節(jié)點(diǎn)可采用焊接或螺栓連接，與焊接相比，螺栓連接施工效率高，連接質(zhì)量可控，但方鋼管截面封閉，不易進(jìn)行全螺栓連接[3]。 因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者探索研究了單向螺栓及對(duì)穿螺栓等連接形式， 以達(dá)到方鋼管柱閉口截面構(gòu)件的全螺栓連接。 楊曉杰等[3]進(jìn)行了矩形鋼管柱與H 形梁通過(guò)對(duì)穿螺栓連接節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，高強(qiáng)對(duì)穿螺栓連接節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的耗能能力；王燕等[4]提出采用高強(qiáng)螺栓和對(duì)穿螺栓組合連接的裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)： 先通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接下柱與梁端板，再使用對(duì)穿螺栓連接上柱與整體結(jié)構(gòu)，鋼梁上、下翼緣的軸力可通過(guò)對(duì)穿螺栓直接傳遞到鋼管柱的對(duì)側(cè)，因此該節(jié)點(diǎn)具有較高的承載力；單向螺栓包括膨脹單向螺栓、傘式展開(kāi)螺栓、 彈開(kāi)式單邊緊固螺栓等， 但這些單向螺栓成本高、構(gòu)造復(fù)雜，難以實(shí)際推廣應(yīng)用[5]。

基于上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種低成本、構(gòu)造簡(jiǎn)單的高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)具有重要的工程意義。 本文設(shè)計(jì)采用柔性內(nèi)套筒連接的方鋼管梁柱節(jié)點(diǎn)， 其中內(nèi)套筒分為柱內(nèi)套筒及梁內(nèi)套筒兩種形式，通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接內(nèi)套筒及方鋼管梁柱，分別形成端板節(jié)點(diǎn)及懸臂梁節(jié)點(diǎn)。 柔性內(nèi)套筒可使高強(qiáng)螺栓達(dá)到更好的緊固效果，還可完成封閉截面的全螺栓連接，豐富了裝配式輕型鋼結(jié)構(gòu)體系中方鋼管梁柱連接節(jié)點(diǎn)形式， 在低層建筑中具有良好的應(yīng)用前景。

2 新型方鋼管梁柱全螺栓套筒節(jié)點(diǎn)概述

2.1 柱內(nèi)套筒端板節(jié)點(diǎn)EP-1

端板連接是鋼框架結(jié)構(gòu)中最典型的梁柱連接形式之一，但應(yīng)用在方鋼管梁柱節(jié)點(diǎn)上受到封閉截面空間限制[6]。采取柱內(nèi)套筒連接方鋼管柱及端板，可以解決上述連接問(wèn)題。 柱內(nèi)套筒由4 塊內(nèi)襯板與2 個(gè)帽件構(gòu)成，內(nèi)襯板內(nèi)側(cè)焊有螺母，兩個(gè)帽件將內(nèi)襯板連接后組成柔性柱內(nèi)套筒，如圖1 所示；端板與梁在工廠焊接，現(xiàn)場(chǎng)組裝節(jié)點(diǎn)時(shí)只需使用高強(qiáng)螺栓連接。

圖1 柱內(nèi)套筒示意圖

節(jié)點(diǎn)安裝時(shí)， 首先將柱內(nèi)套筒和下柱通過(guò)螺栓進(jìn)行臨時(shí)固定，再將方鋼管上柱精準(zhǔn)對(duì)接到柱內(nèi)套筒上端，隨后初擰柱外貼板的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行固定，最后安裝帶有端板的方鋼管梁。高強(qiáng)螺栓從外到內(nèi)依次穿過(guò)連接端板、方鋼管上（下）柱及內(nèi)套筒，固定在內(nèi)套筒預(yù)焊螺母上，如圖2 所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)EP-1 設(shè)計(jì)示意圖

2.2 柱內(nèi)套筒端板加勁節(jié)點(diǎn)EP-2

加勁肋能夠保護(hù)梁柱連接處焊縫等薄弱環(huán)節(jié)， 提高梁柱節(jié)點(diǎn)的極限荷載和剛度、改善節(jié)點(diǎn)的抗震性能[7]。因此，在柱內(nèi)套筒端板節(jié)點(diǎn)EP-1 的基礎(chǔ)上， 提出柱內(nèi)套筒端板加勁節(jié)點(diǎn)EP-2， 如圖3 所示。 節(jié)點(diǎn)EP-2 端板的上下兩側(cè)均設(shè)置加勁肋，加勁肋的位置與梁豎向方鋼管壁相連，形狀采用多邊形，厚度與方鋼管壁厚度相同， 加勁肋的長(zhǎng)度和寬度與端板的外伸尺寸相同。

圖3 節(jié)點(diǎn)EP-2 設(shè)計(jì)示意圖

節(jié)點(diǎn)EP-2 的安裝步驟與節(jié)點(diǎn)EP-1 相同， 但端板安裝時(shí)，扭矩扳手需避開(kāi)加勁肋，確保螺栓預(yù)緊力達(dá)到設(shè)計(jì)值。

2.3 梁內(nèi)套筒懸臂梁節(jié)點(diǎn)CB-1

懸臂梁節(jié)點(diǎn)具有良好的延性，實(shí)現(xiàn)了塑性鉸的外移，節(jié)點(diǎn)耗能包括滑移耗能、 螺栓桿和孔壁擠壓耗能及拼接區(qū)板件的屈服耗能，耗能能力良好[8]，可較好地適用于裝配式輕型鋼結(jié)構(gòu)。因此，提出梁內(nèi)套筒懸臂梁節(jié)點(diǎn)CB-1，內(nèi)套筒由3 塊內(nèi)襯板、1 塊帶齒條內(nèi)襯板與2 個(gè)帽件構(gòu)成， 帶齒條內(nèi)襯板開(kāi)有槽道，槽道內(nèi)側(cè)設(shè)鋸齒狀構(gòu)造，兩個(gè)帽件將內(nèi)襯板連接后組成柔性梁內(nèi)套筒，如圖4 所示。 安裝時(shí)可以采用專用工具通過(guò)齒條調(diào)整內(nèi)套筒位置，解決懸臂梁方鋼管封閉截面連接問(wèn)題。

梁內(nèi)套筒在工廠加工完成并提前放置在鋼梁內(nèi)， 構(gòu)件基本屬于“光桿”構(gòu)件。 安裝時(shí)，首先進(jìn)行方鋼管柱及懸臂短梁的裝配連接，再對(duì)接懸臂短梁及放置柔性內(nèi)套筒的方鋼管梁，通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)內(nèi)套筒到合適的位置，與方鋼管短梁、梁外貼板通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接。 高強(qiáng)螺栓從外到內(nèi)依次穿過(guò)梁外貼板、方鋼管梁及梁內(nèi)套筒，固定在梁內(nèi)套筒預(yù)焊螺母上，如圖5 所示。

2.4 梁內(nèi)套筒懸臂梁攻絲節(jié)點(diǎn)CB-2

節(jié)點(diǎn)CB-2 的梁內(nèi)套筒在4 個(gè)內(nèi)襯板上鉆孔攻絲， 以攻絲鋼板來(lái)代替螺母，兩個(gè)帽件將內(nèi)襯板連接成柔性梁內(nèi)套筒，如圖6 示， 梁外貼板和內(nèi)套筒與懸臂短梁連接安裝方式與節(jié)點(diǎn)CB-1 相同。

圖6 沖絲梁內(nèi)套筒示意圖

3 節(jié)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)

1）承載力高。 方鋼管截面形式對(duì)稱，各向等強(qiáng)，抗扭剛度大，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好。

2）全螺栓連接。 無(wú)須現(xiàn)場(chǎng)焊接，保障施工質(zhì)量、提高施工效率；與現(xiàn)有的采用單向螺栓的節(jié)點(diǎn)相比，新型方鋼管梁柱全螺栓套筒節(jié)點(diǎn)造價(jià)低、可靠性高，符合住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)。

3）結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。 全部構(gòu)件在工廠加工，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、批量化生產(chǎn)；構(gòu)件出廠后，基本是“光桿”構(gòu)件，可提高運(yùn)輸效率及現(xiàn)場(chǎng)裝配效率。

4）用鋼量少。 采用此節(jié)點(diǎn)的3 層以下輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋用鋼量約35 kg/m2，且具有材料可回收、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，不僅適用于低層住宅，還可應(yīng)用在地震災(zāi)后的安置房屋。

4 技術(shù)控制要點(diǎn)

4.1 節(jié)點(diǎn)焊接加工

焊接加工是裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)， 直接影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 內(nèi)套筒預(yù)焊螺母、端板與方鋼管梁的焊接操作對(duì)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量尤為重要，因此，工廠需嚴(yán)格按照要求進(jìn)行焊接。焊接完成后，工廠應(yīng)采取檢驗(yàn)等質(zhì)量控制措施，確保焊接達(dá)到預(yù)期效果，以便后續(xù)的裝配式輕型鋼結(jié)構(gòu)施工順利進(jìn)行。

4.2 攻絲加工

攻絲的加工質(zhì)量是施工時(shí)梁內(nèi)套筒與高強(qiáng)螺栓有效對(duì)接的關(guān)鍵，因此，進(jìn)行攻絲加工時(shí)需嚴(yán)格把控生產(chǎn)質(zhì)量。 加工完成后，工廠在組裝內(nèi)套筒前要對(duì)攻絲絲扣進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，保證安裝時(shí)內(nèi)套筒與方鋼管的有效對(duì)接。

4.3 高強(qiáng)螺栓

出廠前應(yīng)按規(guī)定對(duì)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行性能檢驗(yàn)； 在貯存過(guò)程中，注意防潮防腐、防污染；高強(qiáng)螺栓安裝前要保證結(jié)構(gòu)表面及墊片整體干燥和清潔； 安裝時(shí)高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范取值， 避免因扭矩值過(guò)高或過(guò)小導(dǎo)致的螺栓斷裂或緊固不足等問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

裝配式新型方鋼管梁柱全螺栓套筒節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)須焊接施工，全部采用高強(qiáng)螺栓快速安裝，保障施工質(zhì)量、提高安裝效率，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、批量化生產(chǎn)，有利于推進(jìn)裝配式輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 后續(xù)可通過(guò)試驗(yàn)研究此節(jié)點(diǎn)的抗震性能，進(jìn)而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。