摘 要：【目的】裝配式鋼節(jié)點的強度對結(jié)構整體的抗震性能有重要影響，因此需要研究節(jié)點的優(yōu)化形式?！痉椒ā糠治瞿壳把b配式結(jié)構梁柱節(jié)點的發(fā)展現(xiàn)狀，提出一種可修復摩擦型耗能節(jié)點，對該節(jié)點的構造形式、工作機理和創(chuàng)新點進行簡要闡述，通過擬靜力試驗得到節(jié)點荷載—位移滯回曲線，分析其抗震性能?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，該節(jié)點可以將地震作用產(chǎn)生的損傷集中在連接區(qū)，實現(xiàn)核心區(qū)塑性鉸外移，并且可以通過滑移板摩擦和鋼質(zhì)鉸轉(zhuǎn)動提高節(jié)點耗能能力，震后通過更換連接區(qū)滑移板實現(xiàn)節(jié)點修復。【結(jié)論】研究成果能夠為可修復鋼框架節(jié)點的設計提供一定的參考。

關鍵詞：裝配式鋼結(jié)構；梁柱節(jié)點；節(jié)點優(yōu)化；可修復節(jié)點；摩擦耗能

中圖分類號：TU391" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）21-0061-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.014

Research Status and Improvement Technology Analysis of Steel"Structure Beam-Column Joints

LIU Ruyue1 XIAO Sanxia2 ZHANG Xiaoxi3 LIN Yufang4 CHEN Wenxi4

（1.School of Civil Engineering， Fujian University of Technology， Fuzhou 350118， China; 2.Engineering School of Fujian Jiangxia University， Fuzhou 350108， China; 3.Yongfu Construction Engineering Group Co.， Ltd.， Fuzhou 350007， China; 4.Fujian Chuangsheng Construction Co.， Ltd.， Fuzhou 350100， China）

Abstract： [Purposes] As the strength of prefabricated steel joints has a significant impact on the overall seismic performance of the structure， it is necessary to study the optimization form of the joints. [Methods] This paper will analyze the current development of beam-to-column joint for prefabricated structures， a repairable friction type energy dissipation joint was proposed， and the construction form， working mechanism， and innovative points of this joint were explained.The joint load displacement hysteresis curve through quasi-static tests， and analyze its seismic performance was analyzed. [Findings] The results show that this joint can concentrate the damage caused by seismic action on the connection area， achieving plastic hinge displacement in the core area， and improving the joint's energy consumption capacity through sliding plate friction and steel hinge rotation. After the earthquake， the joint repair is achieved by replacing the sliding plate in the connection area. [Conclusions] Research findings can provide a certain theoretical reference for the construction of repairable steel frame joints.

Keywords： fabricated steel structure; beam-to-column joint; joint optimization; repairable joints; friction energy consumption

0 引言

國家主席習近平在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出，中國二氧化碳排放將力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)“碳中和”^［1］。裝配式鋼結(jié)構作為一種具有全壽命周期意義的綠色建筑結(jié)構近幾年發(fā)展迅速，該結(jié)構具有良好的延性和抗震性能，符合我國綠色發(fā)展新理念，對我國的工業(yè)發(fā)展實現(xiàn)模塊化、標準化、工業(yè)化和信息化生產(chǎn)將起到良好的促進作用。目前，裝配式鋼框架結(jié)構的抗震性能主要受梁柱節(jié)點力學性能的影響，隨著近幾年來新型梁柱節(jié)點的研發(fā)，裝配式鋼框架梁柱節(jié)點的抗震性能相較于傳統(tǒng)的全焊接形式的節(jié)點有了一定的提升。但歷次地震災害調(diào)查表明，預制裝配式建筑的倒塌仍主要是由各個構件連接部位的破壞引起的，梁柱連接節(jié)點作為裝配式鋼框架結(jié)構的薄弱環(huán)節(jié)，其破壞會導致結(jié)構失效，且損壞的節(jié)點震后修復難度大。因此，研發(fā)新型梁柱連接節(jié)點以改善裝配式鋼結(jié)構的抗震性能，同時提高其可修復性成為我國目前建筑行業(yè)的主要研究方向。

1 鋼結(jié)構梁柱節(jié)點研究現(xiàn)狀

對于如何提高鋼結(jié)構的整體性和抗震性，國內(nèi)外學者對梁柱節(jié)點的連接形式進行了諸多研究，主要有以下3個方面。

1.1 加強型節(jié)點的研究

加強型節(jié)點主要針對梁柱節(jié)點核心區(qū)部位的梁柱翼緣或梁柱腹板部位進行加強，以實現(xiàn)節(jié)點的抗震性能提升。許多學者^［2-4］對不同形式的擴翼緣加強型節(jié)點進行擬靜力試驗和有限元分析，結(jié)果表明，翼緣連接試件破壞形態(tài)為延性破壞，不同形式的擴翼加強型節(jié)點均可產(chǎn)生明顯的塑性變形， 實現(xiàn)塑性鉸外移， 提高試件的延性和耗能能力，采用圓弧形擴翼加強型節(jié)點因其荷載傳遞更直接等優(yōu)勢，綜合性能要優(yōu)于側(cè)板加強型節(jié)點。在此基礎上，張艷霞等^［5］提出一種梁端加強螺栓全拼接節(jié)點，并進行了有限元分析，結(jié)果同樣表明，該節(jié)點可以實現(xiàn)塑性鉸的外移，具有更好的塑性轉(zhuǎn)動能力。劉永娟等^［6］對腋板加強型節(jié)點的研究表明，該類節(jié)點能夠有效減緩梁柱連接處的應力集中，且考慮樓板作用后，其滯回性能更為優(yōu)良。

1.2 削弱型節(jié)點的研究

削弱型節(jié)點主要對節(jié)點外側(cè)梁的翼緣、腹板等部位進行尺寸上的削弱，以滿足強柱弱梁的抗震設計。諸多學者^［7-11］通過對各類翼緣削弱型節(jié)點進行擬靜力試驗與有限元分析，結(jié)果表明，翼緣削弱型節(jié)點在循環(huán)往復作用下抗震性能良好，有學者還基于研究結(jié)果系統(tǒng)分析了各削弱參數(shù)對節(jié)點力學性能的影響，給出各參數(shù)合理取值的建議。此外梁翼緣處的焊接強度是決定剛性連接節(jié)點性能的主要因素，翼緣削弱深度的變化對狗骨式節(jié)點的延性及承載力影響更大。相關學者對于腹板削弱型節(jié)點^［12-13］的研究結(jié)果表明，通過對梁腹板進行開孔或改變高度等不同形式的削弱，能較好地緩解梁柱焊縫處的應力集中趨勢，減緩承載力下降趨勢，提高節(jié)點的耗能能力和延性，有效實現(xiàn)塑性鉸外移，若梁腹板開孔的構造形式選擇得當，便可通過設計合理控制節(jié)點處的塑性鉸形成位置，降低梁柱對接焊縫處發(fā)生脆性破壞的風險，使節(jié)點的抗震性能獲得顯著提高。

1.3 可修復節(jié)點的研究

隨著“可恢復功能城市”抗震理念的提出^［14］，可修復結(jié)構成了抗震領域較熱門的研究方向，其主要分為自復位結(jié)構、搖擺結(jié)構、構件可更換結(jié)構及附加耗能裝置結(jié)構^［15］，其中構件可更換結(jié)構憑借其較好的材料利用效率和拼裝的便利性，成為目前我國可修復結(jié)構研究的主要方向。在此背景下，相關學者展開了大量的研究，Shen等^［16］提出了腹板螺栓連接和端板槽鋼連接兩類可更換構件并進行一系列擬靜力試驗，結(jié)果表明：與腹板螺栓連接相比，槽鋼端板可更換連接的滯回性能更優(yōu)良。邵鐵峰等^［17］提出了具有良好的滯回性能和耗能能力的一種利用角鋼連接的局部可更換鋼梁，震后通過對受損的角鋼進行更換后，試件的力學性能仍可完全恢復，該節(jié)點與普通鋼梁相比具有相同的抗彎剛度，可通過設計來控制鋼梁出現(xiàn)損傷的部位。張愛林等^［18］提出了一種新型裝配式開洞槽鋼梁柱節(jié)點，該節(jié)點可以通過更換既定的損傷構件恢復震損后節(jié)點的力學性能以實現(xiàn)修復；通過對翼緣蓋板進行削弱實現(xiàn)塑性鉸外移，并以螺栓間距、翼緣削弱寬度、螺栓數(shù)目等參數(shù)為設計變量對節(jié)點進行擬靜力分析，結(jié)果表明：該節(jié)點在滿足承載力的基礎上可以有效實現(xiàn)損傷可控，做到震后功能可恢復。

綜上所述，構件可更換類型的可修復節(jié)點的形式較為多樣，通過對節(jié)點的各個部位采用可組裝構件設計，并將節(jié)點地震損傷集中在拼接件，震后通過更換拼接件以實現(xiàn)節(jié)點修復。由此可見，目前該類型可修復節(jié)點具有較大的研究空間。

2 新型可修復摩擦型耗能節(jié)點

2.1 可修復摩擦型耗能節(jié)點設計原理

本研究提出一種新型可修復型摩擦耗能節(jié)點技術。在承載能力方面，新型可修復摩擦型耗能節(jié)點貫徹“強節(jié)點、弱構件”的抗震設計理念，在地震作用下，通過對連接區(qū)的翼緣滑移板進行削弱處理，以降低該處的屈服承載力，將本應在鋼節(jié)點核心區(qū)產(chǎn)生的塑性鉸外移，使構件的損傷破壞集中在滑移板處，震后僅通過更換滑移板即可實現(xiàn)節(jié)點的快速修復。對連接區(qū)腹板處采用鋼質(zhì)鉸設計，由耳板處的高強螺栓抵抗連接區(qū)的彎矩，而銷軸則滿足腹板處的抗剪承載力要求。

在能量耗散方面，新型可修復摩擦型耗能節(jié)點主要的耗能方式為翼緣滑移板在地震作用下沿豎縫槽孔的滑移和腹板鋼質(zhì)鉸的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生摩擦耗能。當螺栓與連接板螺栓孔壁發(fā)生擠壓接觸，高強螺栓由摩擦型向承壓型轉(zhuǎn)變，節(jié)點承載力有所上升，螺栓與耗能滑移板產(chǎn)生擠壓變形，此時利用耗能滑移板的塑性變形進行耗能；通過耗能節(jié)點耗散能量起到保護作用，保護核心區(qū)免受塑性損傷；鋼質(zhì)鉸在其受力發(fā)生轉(zhuǎn)動過程中使上下滑移板在受力過程中分別承受相反的抵抗軸力，能夠更好地耗散能量。

節(jié)點在地震作用下的荷載—位移曲線如圖1所示，其中a為節(jié)點的屈服位移，a ～ b為位移段節(jié)點滑移，c為當滑移板螺栓滑移至孔壁產(chǎn)生擠壓后承載力上升狀態(tài)下的節(jié)點峰值位移，d為節(jié)點的極限位移。

2.2 可修復摩擦型耗能節(jié)點的構造形式

新型可修復型摩擦耗能節(jié)點由帶有懸臂梁的鋼柱、連接區(qū)和普通梁段構成，其中連接區(qū)由內(nèi)外拼接蓋板、經(jīng)削弱處理的滑移板、L型板、鋼質(zhì)鉸組成，其中鋼質(zhì)鉸由端板、耳板和銷軸組成，耳板間通過高強螺栓連接；柱與普通梁段腹板處間隔一定距離焊接加勁肋，梁、柱和鋼質(zhì)鉸三部分通過高強螺栓進行連接，詳細構造如圖2所示?；瓢邃摬牟捎肣235鋼，其余鋼材選用Q355鋼。

2.3 可修復摩擦型耗能節(jié)點的組裝

可修復摩擦型耗能節(jié)點通過連接區(qū)將帶有懸臂梁的鋼柱與普通梁段連接。組裝時，先將由端板、耳板和銷軸組成的鋼質(zhì)鉸通過角鋼與左右梁腹板連接，完成節(jié)點初步拼接，之后通過內(nèi)外蓋板和高強螺栓連接上下滑移板，實現(xiàn)節(jié)點的整體拼裝，如圖3所示。

2.4 可修復摩擦型耗能節(jié)點的抗震性能

試驗得到的節(jié)點荷載—位移滯回曲線如圖4所示。由圖4可知，節(jié)點荷載—位移滯回曲線較為飽滿，節(jié)點耗能能力較好。當節(jié)點達到峰值荷載后開始下降，加載過程中節(jié)點滑移板出現(xiàn)摩擦滑移，曲線趨勢趨于平穩(wěn)。隨著位移增大，滑移板螺栓接觸到孔壁，節(jié)點由摩擦型節(jié)點轉(zhuǎn)為承壓型節(jié)點，承載力出現(xiàn)上升段。試驗結(jié)束時，節(jié)點位移角約為4%，說明節(jié)點具有較好的變形能力。

2.5 可修復摩擦型耗能節(jié)點的創(chuàng)新性

①節(jié)點連接區(qū)滑移板上設有豎縫開孔，腹板耳板銷軸四周設有長弧形螺栓孔，滿足拼接板間的相對滑移，有利于提高耗能區(qū)的耗能能力和變形能力，保證節(jié)點核心區(qū)不發(fā)生塑性損傷。

②節(jié)點的彎矩是可控的，其中腹板鋼質(zhì)鉸處的彎矩可全部由各耳板間的摩擦力抵抗，通過鋼質(zhì)鉸處高強螺栓數(shù)量和螺栓預緊力進行控制。

③節(jié)點的連接區(qū)構件均可拆卸拼裝，便于節(jié)點震后更換損傷構件，實現(xiàn)節(jié)點功能的可修復。

3 結(jié)論

①裝配式鋼節(jié)點的優(yōu)化形式一直是國內(nèi)外學者不斷探尋的課題，現(xiàn)有的節(jié)點加強方案在滿足要求的同時仍有較大的優(yōu)化空間。本研究提出的可修復摩擦型耗能節(jié)點各部件均可在工廠預制裝配，符合國家提出的“雙碳”目標的要求，具有良好的應用前景。

②對連接區(qū)翼緣進行削弱，采用鋼質(zhì)鉸的形式替代腹板削弱其抗彎能力，以較好地實現(xiàn)地震作用下節(jié)點核心區(qū)塑性鉸外移。通過將塑性鉸外移至連接區(qū)，從而有效地將節(jié)點的損傷集中在滑移板，震后通過更換滑移板可實現(xiàn)節(jié)點的快速修復。

③通過對連接區(qū)翼緣和腹板處進行優(yōu)化設計，形成了在地震作用下，滑移板先屈服、后滑移、再承壓的工作機制，實現(xiàn)了節(jié)點的多重耗能機制。

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收稿日期：2023-03-12

基金項目：國家自然科學基金項目（51878174）。

作者簡介：劉如月（1991— ），女，博士，講師，研究方向：裝配式結(jié)構、組合結(jié)構、工程結(jié)構抗震研究。