【摘要】文章報告了近年來國內(nèi)外關(guān)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點的研究現(xiàn)狀，并簡要分析了裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的發(fā)展趨勢。以文獻綜述的形式，介紹了裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點半剛性連接的種類及優(yōu)點，并從耗能能力、結(jié)構(gòu)響應和二階響應3個方面詳細介紹了裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點半剛性連接的性能特點。在鋼結(jié)構(gòu)以其材質(zhì)輕、強度高、韌性好、制作工藝不復雜、施工周期短等優(yōu)點而被建筑工程廣泛應用的大背景下，對梁柱節(jié)點半剛性連接的研究旨在為其在工程實踐中的應用與理論分析提供參考。

【關(guān)鍵詞】裝配式鋼結(jié)構(gòu)；梁柱節(jié)點；半剛性連接

【中圖分類號】TU741 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2025）01-0138-03

0 引言

鋼建筑是一種以鋼材為主體的建筑形式，屬于裝配式建筑，具備綠色建筑的優(yōu)點。其裝配程度可調(diào)節(jié)，現(xiàn)場調(diào)節(jié)越少，說明裝配越完整。采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)勢。

1）由于采用輕質(zhì)、高強度鋼材，因此，相對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其自重可降低約30%。

2）與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土建筑相比較，采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工，工期可縮短近一半。

3）鋼結(jié)構(gòu)是一種延性材料，具有強大的抗震能力，可承受較大的水平荷載。

4）裝配式鋼結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)、高強度、節(jié)約材料等優(yōu)點而備受關(guān)注。在建造過程中可以實現(xiàn)節(jié)能節(jié)水。同時，該建筑所使用的材料可拆卸、回收，回收率可達70%，環(huán)保效果顯著。

因此，對裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點半剛性連接的研究是一項非常有意義的課題。

在受力特性方面，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的梁柱連接方式通常分為鉸接、剛性連接和介于兩者之間的半剛性連接。理論上對裝配式鋼結(jié)構(gòu)的分析通常假設(shè)梁柱節(jié)點為完全剛接或完全鉸接，但在實際工程中，所有的剛接節(jié)點都有一定柔度，而鉸鏈節(jié)點也會有一定剛度，不會出現(xiàn)理想的剛接與鉸接情況，即所有的梁柱節(jié)點都處于剛接與鉸接之間，屬于半剛性節(jié)點。然而，為了便于設(shè)計和研究，通常將轉(zhuǎn)動約束達到理想剛接90%以上的連接視為剛接，而將外力作用下梁柱軸線夾角變化達到理想鉸接80%以上的連接視為鉸接[1]。介于兩者間的連接即為半剛性連接。

1 梁柱節(jié)點半剛性連接的種類、優(yōu)點和設(shè)計現(xiàn)狀

1.1 梁柱節(jié)點半剛性連接的種類

由于工程的復雜性，連接件可以設(shè)置在不同位置，因此連接件可以選用多種形式。目前工程應用較多的主要形式有：單/雙腹板角鋼連接、帶雙腹板頂?shù)捉卿撨B接、頂?shù)捉卿撨B接、端板連接和T型鋼連接。

1.2 梁柱節(jié)點半剛性連接優(yōu)點

國內(nèi)多高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)的梁柱連接過去多采用焊接方式。加工后的焊接接頭具有與剛性接頭相近的工作性能，且梁柱之間不存在相對轉(zhuǎn)角，但焊接成本較高、完成度難以保證。通過對美國及日本在1994年發(fā)生的地震調(diào)查發(fā)現(xiàn)，全焊接節(jié)點由于焊縫韌性差、殘余應力高、熱影響區(qū)等多種復雜因素，導致大量鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性斷裂。相比之下，鋼結(jié)構(gòu)的半剛性連接因其良好的變形能力和韌性，不會出現(xiàn)突然的脆性破壞，可顯著減小地震損傷。此外，高強度螺栓的半剛性連接在目前的工程中得到了廣泛的應用，以加速施工并節(jié)約工程成本。

1.3 梁柱節(jié)點半剛性連接研究現(xiàn)狀

周學軍等[2]通過對鋼結(jié)構(gòu)梁柱半剛性連接的受力性能、變形特性及破壞特征等方面的研究，結(jié)合雙腹板角鋼的極限承載力試驗，獲得了極限承載力及其相對的載荷-位移關(guān)系曲線圖。研究結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)的半剛性連接在極限承載力未達到之前就已發(fā)生較大變形，而在側(cè)向位移發(fā)生時，其二階效應也不容忽視。陳宏等[3]通過有限元與試驗對比分析了節(jié)點的受力與剛度。研究結(jié)果表明，該節(jié)點彎矩-轉(zhuǎn)角曲線數(shù)值模擬值與實測值基本一致，可供同類節(jié)點設(shè)計和使用提供參考。石文龍等[4]以裝配式鋼結(jié)構(gòu)半剛性節(jié)點為研究對象，通過對1個純鋼框梁柱節(jié)點和兩個組合梁柱框架的擬靜力試驗數(shù)據(jù)分析，對比3種結(jié)構(gòu)的滯回圖、骨架曲線和能耗等抗震性能。研究結(jié)果表明，在低周反復荷載作用下，所有試樣均表現(xiàn)出極高的承載力、延性和抗震性能。李國強等[5]采用一套完整的模型，通過室內(nèi)振動臺試驗，對鋼結(jié)構(gòu)梁柱半剛性節(jié)點的抗震性能和失效模式進行研究，對小震、中震和強震作用下的結(jié)構(gòu)動力性能、位移響應、加速度響應及結(jié)構(gòu)的破壞模式進行了研究，并利用數(shù)值模擬對該結(jié)構(gòu)進行了非線性動力時程分析。研究結(jié)果表明，該模型具有較好的抗震能力，其數(shù)值模擬結(jié)果與試驗值基本一致。王諾思[6]對具有代表性的半剛性連接進行了簡單介紹，并對比分析了其受力特點和優(yōu)缺點?？偨Y(jié)了目前國內(nèi)外關(guān)于半剛性連接的研究方法，對比不同國家現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于半剛性連接的有關(guān)條文，提出了我國在這方面的不足之處。于金光等[7]以裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱半剛性節(jié)點連接為研究對象，通過試驗和理論分析相結(jié)合的方法，研究其在不同地震作用下的承載力、剛度和耗能能力等抗震性能。研究結(jié)果表明，該試驗試塊表現(xiàn)出較好的耗能性能，半剛性連接結(jié)構(gòu)與墻體能夠協(xié)同承受水平荷載，節(jié)點處韌性較高，實現(xiàn)了延性破壞。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點半剛性連接的性能特點

2.1 耗能能力

與一般鋼框架相比，梁柱節(jié)點的半剛性連接的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系是非線性的，這種非線性的關(guān)系是由多個因素共同作用的結(jié)果，主要有以下幾個原因。

1）連接材料本身具有不連續(xù)性。

2）部分鋼結(jié)構(gòu)梁柱在節(jié)點處發(fā)生了局部失穩(wěn)，這是造成連接擬合曲線非線性的重要原因之一。

3）鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點位置存在著明顯的應力及應變集中。

4）鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接處的翼緣和腹板部位存在局部屈曲。

5）在外部荷載的影響下結(jié)構(gòu)整體發(fā)生了形變。

鋼結(jié)構(gòu)梁柱的半剛性連接具有與耗能結(jié)構(gòu)相似的耗能能力，這種能力是由半剛性連接的非線性性質(zhì)所決定。試驗過程中，耗能元件的能量損耗可由其受外力（或力矩）所做的功來度量，即由力（或彎矩）與位移（或角度）的曲線所包圍的區(qū)域來直觀體現(xiàn)。包絡(luò)面越多，代表其消能能力越強，阻尼作用越明顯。半剛性節(jié)點的滯回曲線呈橢圓形，表明其耗能能力較強，能在保證剛度的前提下提供較好的阻尼效果。當結(jié)構(gòu)發(fā)生自振時，由于阻尼作用，自身的振動能量得以耗散，各方面的反應均比無阻尼結(jié)構(gòu)低，有的低達數(shù)倍，有的低至數(shù)十倍。這也表明，裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的半剛性連接具有額外的阻尼比，如果繼續(xù)沿用現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的阻尼比值，顯然不符合實際情況，因此需要對其進行合理的阻尼比設(shè)計。

在動載荷下，梁柱節(jié)點間的摩擦力是導致其耗能增大的重要因素，但其耗能機理尚有較大的研究空間。這兩種耗能形式分別為半剛性節(jié)點的非線性特性引起的遲滯阻尼以及節(jié)點處黏彈性阻尼。通常情況下，這兩種阻尼是相互關(guān)聯(lián)的。同時也表明，在薄弱節(jié)點的情況下，黏彈性阻尼（節(jié)點）對梁柱節(jié)點半剛性連接形式的影響更大。

與裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點剛性連接相比，半剛性連接節(jié)點的耗能機制與耗能減振機制有所不同，后者能更好地承載動載荷。然而，現(xiàn)有的試驗與理論研究大多限于靜態(tài)分析。能耗是影響結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的重要因素，但目前國內(nèi)外對此問題的研究還相對較少?，F(xiàn)有的針對裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點半剛性連接的研究大多僅考慮節(jié)點的非線性耗能，忽略了節(jié)點間的摩擦力。

2.2 結(jié)構(gòu)響應

在動載荷作用下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點半剛性連接與剛性連接展現(xiàn)出截然不同的受力特性。因此，開展鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點半剛性連接動態(tài)特性的研究，對于其在震區(qū)的應用有著非常重要的意義。

采用半剛性連接的裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點會改變結(jié)構(gòu)整體的受力情況，導致梁跨中彎矩和柱腳彎矩增加，而柱頂彎矩和梁端彎矩降低。此外，會使其基本自振周期發(fā)生變化，進而影響主體結(jié)構(gòu)的動力響應。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱半剛性節(jié)點能有效降低水平地震作用，但也可能會導致結(jié)構(gòu)側(cè)移的增加。裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱半剛性連接在靜力和動力特性上存在差異，且主體結(jié)構(gòu)頂部變形并不隨著其剛度的降低而增加。在設(shè)計得當?shù)那疤嵯?，其?cè)向位移變量甚至可能比剛性框架更小。研究結(jié)果表明，當節(jié)點剛度降低時，其底部剪力會減小，而上部位移受這種變化的影響較大。

研究結(jié)果表明，在動載荷作用下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點半剛性連接的變形狀態(tài)具有不確定性。在不同動載條件下，結(jié)構(gòu)的位移反應狀況也各不相同。與剛性連接節(jié)點相比，半剛性連接節(jié)點的剛度略有下降，但具有更強的減震性能。因此，半剛性連接結(jié)構(gòu)的變形反應具有較大的不確定性。此外，結(jié)構(gòu)的位移反應狀況受連接形式、結(jié)構(gòu)自振頻率等外部因素的影響。因此，在未來研究中，必須充分考慮各因素對其位移反應的影響，并將其作為整體進行分析。

2.3 二階效應

二階效應主要反映了結(jié)構(gòu)的變形對受力的影響，尤其是橫向位移對垂直力的影響。在設(shè)計裝配式鋼結(jié)構(gòu)時，須考慮到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，其中二階效應對穩(wěn)定性有顯著影響。如果在設(shè)計過程中將半剛性節(jié)點考慮為剛性節(jié)點，可能產(chǎn)生如下不利影響。

1）降低了二階效應的作用。

2）由于對梁柱節(jié)點剛度的高估，導致柱的極限承載力理論計算值偏大，安全系數(shù)降低。若將其簡化成鉸接，其計算結(jié)果與上述分析情況正好相反。

對框架結(jié)構(gòu)來說，當發(fā)生側(cè)向位移時（無論是荷載控制不當或發(fā)生初始傾斜），都會產(chǎn)生二階效應，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。盡管該效應對低層框架結(jié)構(gòu)的作用不大，可忽略不計，但對多層框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形的影響卻是不容忽視的。

國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于二階效應影響的計算尚未考慮梁柱間的節(jié)點形式，無法準確反映其受力情況，因此按現(xiàn)行規(guī)范進行計算將導致結(jié)構(gòu)內(nèi)力和側(cè)移量偏小。與傳統(tǒng)的剛接節(jié)點相比，鋼結(jié)構(gòu)梁柱半剛性節(jié)點的二階效應與剪力變形均會被放大。在強震下，框架結(jié)構(gòu)通常會受到往復荷載的影響，當彎降段坡度過大時，具有二階效應的框架可能發(fā)生傾斜，嚴重時甚至會導致坍塌。在軸壓較低時，節(jié)點受力性能基本不受影響，但在軸壓足夠大時，節(jié)點的滯回特性會發(fā)生明顯改變，且強度、剛度及延性均會隨軸壓的增加而顯著降低。

目前，關(guān)于二階效應對結(jié)構(gòu)地震反應的影響尚無統(tǒng)一標準。通過控制軸壓比限值和層間位移來減小二階效應，已成為一種較為常見的方法。

3 結(jié)語

裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點半剛性連接因其出色的動靜力學性能而備受整個建筑行業(yè)的關(guān)注。目前，國內(nèi)外已開展大量試驗與理論研究，一些最新研究結(jié)果也在相應的論文或規(guī)范中有所體現(xiàn)。然而，仍存在諸多不足，尤其是能夠直接應用于工程實踐的定量設(shè)計方法有待進一步深入研究。

1）目前，全球大部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的半剛性連接應基于節(jié)點曲線進行分析，但這些方法通常避開了節(jié)點剛度和如何計算等基本問題。盡管已有幾種計算曲線的方法被提出，但它們在工程設(shè)計中的可操作性不強，應用范圍也須進一步擴展。

2）目前對裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱半剛性連接的地震行為的研究尚處于起步階段。首先，其在地震作用下的地震反應機理尚不明確，至今尚無簡便、精確、統(tǒng)一的分析方法。其次，梁柱半剛性連接在設(shè)計上仍有許多值得優(yōu)化的部分，導致其在工程中缺乏合適的研究對象。

3）至今，關(guān)于半剛性連接節(jié)點的抗火性能的相關(guān)試驗研究仍缺乏深入探討。盡管該類型連接節(jié)點在實際工程中具有一定的應用價值，但其在高溫環(huán)境下的表現(xiàn)和耐久性問題仍未得到充分驗證。

4）在我國現(xiàn)行建筑規(guī)范中，雖然已經(jīng)明確表示對半剛性連接方法的認可并允許被使用。但對于這一連接方式，尚未進一步細化或提出具體的操作標準。為在我國早日推廣裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的半剛性連接，須做到以下兩點：一是在我國現(xiàn)行規(guī)范中對其穩(wěn)定性做詳細的設(shè)計計算；二是研制可用于工程設(shè)計的實用計算軟件，以方便工程實際的使用。

參考文獻

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[作者簡介]馬萬里（1996—），男，河北滄州人，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。