钢框架装配式梁柱连接节点抗震设计研究

张志立 张琳 焦亚辉 王杰

中建八局第四建设有限公司

摘要：装配式钢结构符合建筑工业化发展趋势，是一种绿色建筑，节点设计是整个钢结构设计研究的核心环节，提高钢框架梁柱连接节点的抗震性能是整个钢结构抗震设计的重要内容。钢框架梁柱节点抗震性能的研究对于钢框架改善结构延性、防止节点发生脆性破坏、提高结构抗震能力有着重要的理论和实践意义。本文主要介绍了近年来国内外对钢框架梁柱连接的研究现状，对装配式H形截面梁与柱连接削弱型和加强型梁柱节点的抗震研究进展进行了综述，钢框架的塑性铰在远离梁柱连接焊缝的梁翼缘上形成，达到塑性铰外移的设计目的，有效地保护梁柱节点的薄弱部位，提高结构的延性性能，避免发生脆性破坏，以实现抗震规范中“强节点弱构件”的设计思想，最后针对装配式连接节点提出了尚待研究和解决的问题。

关键词：装配式钢结构;抗震设计;梁柱节点;加强型节点

装配式钢结构符合建筑工业化发展趋势，是一种绿色建筑，装配式钢结构建筑将呈现设计多样化、构件标准化、制作工厂化、施工机械化、功能现代化的建筑工业化发展趋势。装配式建筑是指将建筑结构的部分或全部构件经工厂加工制造后运输至现场，通过可靠的连接方式安装而成。在装配式钢结构设计中，钢框架结构建筑设计的一个重要环节就是梁柱节点设计问题，如图1所示。一方面，节点构造形式对节点的强度、刚度以及整体结构的受力和变形均有直接影响;另一方面，梁柱连接节点是钢结构现场施工的重要环节，节点的构造形式对施工进度和钢结构建造成本也会产生直接影响。工程界在20世纪90年代以前一直认为这种节点具有良好的塑性耗能能力和良好的抗震性能。然而，在1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震中，許多节点出现了严重的脆性破坏[1]，即在框架还没有塑性发展之前，梁端连接抗力大大低于梁截面的抗力，从而使连接焊缝首先开裂，进而发生脆性破坏。这两次震害对节点的破坏使得人们去重新审识钢框架结构的抗震性能，并开始重视研究钢框架结构中梁柱栓焊连接节点的抗震设计。

钢框架加强型节点是近几年来国内外专家研究较多的新型梁柱连接节点，其工作原理是在距离梁端柱翼缘表面一定范围内将梁翼缘局部扩大，使钢框架的塑性铰在远离梁柱连接焊缝的梁翼缘上形成，达到塑性铰外移的设计目的，有效的保护梁柱节点薄弱部位，提高结构的延性性能，避免发生脆性破坏，实现抗震规范中“强节点弱构件”的设计思想。

图1  普通栓焊节点

Fig.1   General bolt welding joints

一、截面加强型梁柱连接节点的设计

根据其节点加强方式的不同，加强型梁柱节点主要有板式加强型节点、梁端翼缘放大型节点、肋板加强型节点和梁端加腋型节点。

（一）板式加强型节点

根据加强板尺寸和位置的不同，板式加强型节点可分为梁端翼缘板加强式节点和盖板加强型节点。其中梁端翼缘板加强式节点中梁翼缘不直接与柱翼缘连接，而是通过加强板过渡，加强板宽于梁翼缘，钢柱需采用宽翼缘;而盖板加强型节点中的梁翼缘与盖板采用同一个坡口与柱翼缘焊接在一起，盖板比梁翼缘略窄，钢柱可以采用较窄的翼缘。这两种连接节点都是通过在梁翼缘上下两侧设置加强板来增加了梁的截面高度，由于梁的截面高度与其截面模量之间呈三次方关系，所以很小厚度的加强板就可以对钢梁端截面模量增加很多，用有限的材料对节点强度提高很大，不但可以节约钢材，还可以有效提高节点的抗震性能，有效实现塑性铰的外移。根据加强板形状的不同，板式加强型节点又可分为矩形板式加强型节点和梯形板式加强型节点（如图2示）。国内外很多专家学者对板式加强型节点进行了研究。

图2  板式加强型节点

Fig.2   Plate strengthened nodes

王燕，冯双[2]等设计制作了8个1/2缩尺比例的翼缘加强型节点试件，进行了低周反复循环荷载作用下的试验研究。通过改变加强板扩翼段的尺寸和形状，对比研究了4种类型梁翼缘加强型节点的破坏形态、耗能能力、滞回性能、骨架曲线及刚度退化，研究结果表明：连接类型对滞回性能及耗力的影响显著，盖板加强型节点和梁端翼缘板加强式节点的滞回曲线相对比较饱满;并且长方形板式加强型节点的滞回性能、耗能能力明显优于梯形板式加强型点;加强板的尺寸越小，连接节点的延性、滞回性能越好;梁端翼缘板加强式节点制作简单，材料利用率高，制作成本较低，且耗能能力较好，被认为是一种连接性能较好加强型节点，因此推荐在强地震区应用。

陈杰，苏明周[3]等为了研究梁端翼缘板加强式节点在循往复荷载作用下的滞回性能，进行了4个1/2模型的拟静力加载试验，研究了梁翼缘宽厚比、腹板高厚比对节点连接性能的影响以及节点域强弱对连接塑性转动能力的影响。作为比较，笔者还进行了一个盖板加强型节点的试验。试验结果表明：梁端翼缘板加强式节点性能优良，所有试件都未发生脆性破坏，都能确保塑性铰转移到加强板以外，并且梁端塑性转角介于0.044～0.054rad之间，达到了特殊抗弯钢框架连接塑性转动能力不得小于0.03rad的要求。

T.Kim[4]等通过做试验和有限元分析软件研究了梁端翼缘板加强式节点和盖板加强型节点的连接性能。T.Kim共设计制作了5个梁端翼缘板加强式节点和5个盖板加强型节点，并分别进行了低周往复荷载试验。试验中所有试件的塑性铰均出现在远离柱翼缘的位置，并且梁腹板和翼缘均出现了局部屈曲，节点强度退化并达到了极限状态。节点的塑性转角在 2.3%～3.9%范围内，且矩形加强板节点的性能表现最好。

（二）梁端翼缘放大型节点

梁端翼缘放大型节点是通过加大梁端翼缘的宽度来降低节点焊缝中的应力，增大梁端的截面模量，从而提高钢梁的抗弯承载力。根据梁翼缘放大方式的不同，梁端翼缘大型节点可分为扩翼式连接和侧板加强式连接两种方式（见下图 3）。其中扩翼式连接是通过一个变翼缘宽度的短牛腿进行过渡，在工厂中把牛腿与钢柱焊接在一起，在现场将等翼缘宽度的钢梁与短牛腿焊接起来;而侧板加强式连接是直接在梁端部焊接几块与梁翼缘厚度相同或相似的平板。在这两种连接形式中，扩翼宽度及长度是影响节点延性及耗能能力的主要因素，国内外学者对这种问题进行了研究。

图3  梁端翼缘放大型节点

Fig.3   Beam end flange magnification node

毛辉，王燕[5]针对钢框架梁端翼缘扩大型节点试件进行了非线性有限元分析，研究了梁端扩翼形式以及扩翼参数对节点应力、塑性发展规律、塑性区分布以及极限承载力的影响。研究结果表明，通过将梁翼缘进行适当的扩大后圆弧扩翼型节点和侧板扩翼型节点，均能有效的将塑性铰移出焊缝热影响区，可以避免梁柱连接焊缝处的脆性破坏，并且比传统普通节点具有更高的极限承载力，是一种较为理想的延性节点。当采用相同的扩翼参数，圆弧型节点的延性性能要好于加侧板节点，建议工程设计中宜采用圆弧扩翼型节点。

张文元，王想军[6]等为了得到了节点类型和梁端翼缘扩人尺寸对节点延性、滞回性能和耗能能力等指标的影响规律，对梁端翼缘扩人型 （包括侧板加强型和翼缘端部放大型） 钢框架梁柱节点进行了往复循环荷载下的试验研究，并用非线性有限元程序对试验结果进行了数值模拟分析，研究了梁端翼缘扩大段的宽度及长度等参数对节点性能的影响规律及其有效取值范围，给出了实用的设计方法。研究结果表明：梁端翼缘放大型节点是一种具有良好延性和塑性转动能力的新型节点形式。

Ting， L. C[7]研究箱形截面柱与工字型钢梁的扩翼型节点，并利用有限元软件分析扩翼型节点的节点形式对节点受力性能的影响，研究结果表明：没有加强的梁柱节点在连接根部焊缝处存在应力集中现象，而当在梁两侧增设三角形加強板时，应力集中的区域可以转移到节点域处，其中接触面处应力的传递受到三角形加强板长度与端部角度的影响，合适尺寸的加强板可以使应力平滑地传到节点域处。

（三）肋板加强型节点和梁端加腋型节点

根据梁侧肋板的个数，肋板加强型节点可分为单肋板加强型和双肋板加强型两种（如图 4）。其构造形式是在梁端上下翼缘处各焊接一块或两块垂直肋板来增加节点处梁截面的抗弯截面模量，从而提高其抗弯承载力，达到使塑性铰外移保护节点的目的。但由于此种节点增加了梁的高度，有降低建筑净空的缺点，并且给组合楼板的安装造成不便。梁端加腋型节点与肋板加强型节点相似（如图 5），其构造形式是在梁端翼缘下侧焊接一段 T 型或工字型短梁，同时也要在梁柱腹板的相应位置焊接加劲肋，用来增强梁端截面抗弯承载能力。这种节点也增加了梁的高度，降低了建筑净空，比较常用于加固修复工程。

图4  肋板加强型节点            图5  梁端加腋型节点

Fig.4   Ribbed reinforced nodes   Fig.5  Beam end plus axillary node

苏明周，顾强等[8]制作了4 个缩尺比例为1/2的常规全焊梁柱刚性节点的循环加载试验，研究了节点域柱腹板高厚比、梁翼缘宽厚比对节点破坏形态、延性和极限承载能力的影响，并对其中破坏的两个试件的焊缝修复并加腋后重新进行试验，以研究加腋修复的效果。试验结果表明：梁端加腋可以大幅度提高节点的延性和极限承载力，两个试件都是在梁上产生塑性铰而发生整体失稳破坏;但由于要在梁翼下侧焊接加强板，这增加了现场安装难度，且降低了建筑净空。

Engelhardt， Anderson，Duan， Popov， Tsai等人分别对肋板加强型节点做过试验研究，研究结果表明，肋板加强型节点有良好的延性和塑性变形能力。Chen CC用改进的肋板对节点进行加强，经过试验和对比分析发现这种节点具有良好的塑性性能。

为了对加强型节点和削弱型节点的各种性能进行对比，余海群，钱稼茹等人制作10个不同连接构造的足尺钢梁柱刚性连接节点，研究了标准栓焊连接节点、标准全焊连接节点、梁翼缘加强型节点、梁翼缘局部削弱型节点以及梁贯通型节点在梁端往复荷载作用下的破坏过程、破坏形态、承载力和塑性变形能力等抗震性能。试验结果表明：梁翼缘局部切割削弱和梁翼缘加盖板节点的梁的极限塑性转角大于0.03，梁贯通型节点、梁下翼缘加腋节点和梁翼缘打孔节点的梁的极限塑性转角大于 0.02，其余类型节点的都小于0.02。对实测的梁翼缘和腹板的应力分布的分析表明，梁根部翼缘处于三向应力状态，是其脆性断裂破坏的原因之一。

二、新型梁柱节点的设计原则

美国、日本等国家的专家学者在美国诺斯里奇地震和日本阪神—淡路地震后逐渐展开了对结构设计方法和节点形式研究工作，并做了大量的试验分析。在对传统的节点形式进行改进后，相继提出了一些新型节点，其主要思想是使塑性铰外移到远离梁柱节点的梁上，从而避免节点焊缝的脆性破坏。这些新型节点主要有削弱型梁柱节点和加强型梁柱节点两种。

（一）削弱型梁柱节点的设计原则

削弱型梁柱连接节点是通过对距离梁端一定距离的腹板或翼缘进行削弱，降低其截面面积和截面模量等截面特征量，从而使塑性铰出现在远离受力复杂且脆弱的梁柱节点的梁上，提高节点塑性变形能力，避免节点发生脆性破坏，以达到改进连接性能的目的。

其基本思想[9]是根据地震弯矩梯度对节点附近钢梁上某一区域进行削弱，使得削弱后的区域截面抵抗弯矩梯度等于该区域截面地震弯矩需求梯度，由于塑性铰总是在结构M/Mu值最大的截面处首先出现，因此只要使削弱区段梁截面的M/Mu值比梁上其它截面的M/Mu值大，则梁上事先选定的削弱区域就会形成塑性铰，远离梁柱翼缘交界面。如图6中表示出了钢梁抗弯承载能力Mu和外荷载产生的弯矩Mu的对比曲线，对钢梁进行削弱后，其抗弯承载能力曲线变成了梯度曲线，在远离梁柱节点的位置，梁的抗弯承载力与外荷载产生的弯矩比较接近，塑性铰将会在此处出现。

图6  削弱型梁柱节点设计原理

Fig.6  Design principle of weakened beam - column joint

（二）加强型梁柱节点的设计原则

加强型节点是通过一定的构造措施对框架梁柱节点进行加强，增加其截面面积和截面模量等截面特征量，使其抗弯承载力大于钢梁上其他截面，当钢梁受到外荷载时，节点不会先于钢梁发生破坏，使塑性铰出现在梁柱节点外一定距离的梁上，从而达到使塑性铰外移保护节点的目的。

其的基本思想[9]根据地震弯矩梯度对梁端截面进行加强，使加强后的区域截面抵抗弯矩大于地震弯矩需求梯度，由于塑性铰总是在结构M/Mu值最大截面处首先出现，因此只要使得加强

段端部梁截面的M/Mu值小于梁上其它截面处的M/Mu值，加强段端部就会形成塑性铰，远离梁柱翼缘交界面。如图7表示出了钢梁抗弯承载能力Mu和外荷载产生的弯矩Mu的对比曲线，对梁端截面进行加强后，其抗弯承载能力曲线变成了梯度曲线。在梁端位置，梁的抗弯承载力大于外荷载产生的弯矩，使塑性铰不会出现在梁柱节点处。

图7  加强型梁柱节点设计原理

Fig.7  Design principle of reinforced beam - to - column joint

三、结语：

从我国钢结构建筑发展趋势来看，设计多样化、构件标准化、制作工厂化、施工机械化、功能现代化将成为装配式钢结构建筑发展的趋势。节点无论是削弱式还是加强式，设计的目的都是希望在地震作用下，在梁柱节点以外出现塑性铰，即出现在钢梁上，达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准目标。

工程界的学者提出了更好使塑性铰外移的节点型式，主要有加强型节点和削弱型节点，这两种节点形式都能实现塑性铰的外移，从而达到保护梁柱节点、避免节点处焊缝脆性破坏的目的。但H形钢柱与钢梁采用装配式连接在实际工程应用中还存在一些尚待解决的问题，如节点初始转动刚度计算模型、螺栓抗拉承载力、节点及部件的非线性变形、滞回性能以及结构屈服时序等，节点连接安装过程中存在一定困难，螺栓紧固时操作空间等，上述问题使钢结构工程采用装配式连接节点在实际工程应用中受到一定限制，但随着钢结构装配式新型连接节点的不断研发必将会得到解决，装配钢结构梁柱连接节点的研究还有待广大学者进一步深入探索。

参考文献：

[1] Duane K Miller. Lessons Learned from the Northridge Earthquake [J]. Engineering Structures，1998，20（4-6）：249-260.

[2] 王燕，冯双等. 钢框架梁翼缘加强型节点低周反复荷载试验研究.建筑结构学报（增刊1）[J]，2009： 108-114.

[3] 陈杰，苏明周.钢结构焊接翼缘板加强式梁柱刚性连接滞回性能试验研究.建筑结构学报， 2007. 28（3）： 1-7.

[4] T.Kim， A.S.W.， Cover-Plate and Flange-Plate Steel Moment-Resisting Connections. Structural Engineering， 2002. 128（4）： 474-482.

[5] 毛辉，王燕.钢框架梁翼缘扩翼型节点受力性能研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版）， 2010， （01） . 42（1）.

[6] 张文元，王想军等. 梁端翼缘扩大型梁柱节点抗震性能和设计方法[J].哈尔滨工业大学学报，2009，41（12）.

[7] Ting， L. C.， Shanmugam， N. E.， and Lee， S. L.， Box-Column to I-Beam Connections with External Stiffeners. Journal of Constructional Steel Research， 1991， 18 （3）

[8] 蘇明周，顾强等.大型火电厂全焊钢框架梁柱连接抗震性能及加腋修复试验研究[J].建筑结构，2006.36（8）

[9] 冯双.钢框架两端梁端翼缘板加强式节点力学性能研究[D].青岛：青岛理工大学，2009.