鲁秀秀 王 燕 刘秀丽
(青岛理工大学土木工程学院， 山东青岛 266033)
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。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。结合目前钢结构装配式梁柱连接节点的研究进展，介绍装配式H形截面梁与柱连接节点以及矩形钢管柱和工字形(H形)截面柱与梁连接节点的研究现状，针对装配式矩形钢管柱与梁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； 梁柱连接节点； 矩形钢管柱； 单边螺栓； 对拉螺栓
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，梁柱连接节点是设计的重要内容，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。因此，合理地选择装配式钢结构梁柱连接节点的形式对钢结构建筑设计和施工都具有重要意义。装配式钢结构梁柱连接节点类型主要包括：梁柱为工字或H形截面的连接节点、闭口截面钢管柱与工字或H形截面梁的连接节点，本文针对上述两种装配式钢结构梁柱连接节点的研究进展进行综述。
实际工程中多高层钢框架的梁柱较多采用H形截面，装配式钢结构梁柱采用H形截面其节点连接可以全部采用普通高强度螺栓连接，避免焊接，减少焊接应力和焊接变形，改善连接节点受力性能。
郁有升等设计了一种悬臂短梁装配式梁柱节点[1-2]，如图1所示，悬臂短梁与柱预先在工厂焊接，悬臂短梁与框架梁在施工现场采用预制拼接的连接方法，现场拼装过程中梁上、下翼缘起到就位板的作用，拼接板充当耳板作用，板件就位后通过螺栓进行连接，可避免现场施焊，提高安装效率，便于施工。
图1 悬臂短梁装配式梁柱节点
文献[1]通过ABAQUS有限元分析软件，考虑材料、几何和状态三重非线性，通过改变拼接板长度、厚度、悬臂短梁长度等参数进行三维非线性有限元静力分析，研究结果表明：拼接板长度过长或过短都会导致节点承载能力降低；随拼接板的厚度增加，节点承载能力增加；悬臂短梁长度增长，节点承载能力下降，研究建议：拼接板长度l1取值范围在(1.6～1.9)h0之间；拼接板截面面积应满足A1/A≥1.2；悬臂短梁预留长度建议l0值为(1.6～2.0)h0(h0为梁的有效截面高度，A1为拼接板的横截面面积，A为梁翼缘面积)。文献[2]对悬臂短梁装配式梁柱节点滞回性能进行分析，采用等强度设计法设计了4组16个悬臂短梁装配式梁柱节点试件，通过改变螺栓数目、悬臂梁段长度、拼接板的宽度及厚度等参数进行分析。研究结果表明：利用等强度法设计的试件延性和耗能能力比较好；拼接板宽度及厚度对节点滞回性能有影响，建议拼接板截面面积应大于梁翼缘截面面积，厚度不小于梁翼缘厚度；螺栓数对节点的承载力及延性有一定程度的影响。文献[3]对钢框架梁柱端板连接提出了一种弯矩-转角关系非线性分析方法，节点分为平齐式端板梁柱连接节点及外伸式端板梁柱连接节点，如图2所示。假设节点连接特性与受拉区、受压区以及受剪区构件有关，根据欧洲规范EC34将柱翼缘与加劲肋或腹板一部分以及端板和梁翼缘看成T型连接件进行分析。根据梁屈服线理论及弹塑性变形理论对每个T型件进行受力分析，考虑到柱腹板受压和受剪变形，对在弯矩作用下的连接转角进行了分析。梁柱连接转角分为受拉、受压及受剪三个区域，将各区域每个构件转角进行叠加，分析模型可以预测屈服时弯矩及切线刚度，将提出的分析方法与已有试验结果进行对比分析，证实了该分析模型的有效性和可行性。
a—梁柱平齐式端板连接节点;b—梁柱外伸式端板连接节点。
图 2 梁柱端板连接节点
Kishi等对单腹板角钢、双腹板角钢、顶底角钢及顶底角钢与双腹板角钢连接等4种梁柱连接方法的弯矩-转角关系进行了相关研究[5]，节点的构造详图如图3所示。通过一个简单分析程序确定连接初始弹性刚度、弯矩-转角关系和极限抗弯能力，通过最小二乘法确定形状参数，进一步分析总结出弯矩-转角关系。 Sumner等设计了钢结构梁柱外伸端板全螺栓连接节点[6]，对节点施加循环荷载，研究端板厚度、螺栓预拉力以及肋板设置对节点抗震性的影响，研究结果表明连接节点构造合理，可为钢框架抵抗地震力提供足够的强度、刚度，具有较好的延性，肋板的设置可以改善节点的受力性能，提高节点的抗震性。
a—单腹板角钢连接；b—双腹板角钢连接；c—顶底角钢连接; d—顶底角钢与双腹板角钢连接。
图3 梁柱角钢连接节点
哈尔滨工业大学的李江东提出了适合装配式钢结构可变梁高梁柱连接节点[7]，该节点通过T型件和L型件将梁柱连接起来，特点在于L型件上长螺栓孔的使用，可以适应同一工程中不同梁高的变化。该节点拼装过程如图4，通过改变T型件及L型竖板及横板厚度、加劲肋厚度等建立有限元模型，利用ABAQUS进行有限元模拟分析。
a—第1步;b—第2步;c—第3步; d—第4步;e—第5步;f—第6步。
图4 可变梁高梁柱连接节点拼装过程
分析结果表明：L型件横板厚度改变对节点力学性能影响比较明显，建议厚度取值同梁翼缘厚度；T型件横板厚度增加，节点承载力增加，刚度变化不大；L型件横板厚度增加，节点承载力增加，转动刚度影响不大；L型件及T型件竖板对节点力学性能影响较小；加劲肋厚度不应小于梁翼缘厚度但建议其小于柱翼缘厚度；该新型可变梁高装配式梁柱节点的承载力及耗能能力较好，抗震性较好。
施刚等为了研究钢框架梁柱端板连接节点刚度和承载力，通过改变节点端板形式、端板厚度、螺栓直径及有无端板及柱腹板加劲肋等条件对节点进行了试验及有限元分析[8-9]，节点的构造详图见图5，节点的梁端端板在工厂通过焊接与梁连接，现场通过高强螺栓连接，避免了现场施焊，施工速度快，符合绿色建筑要求。
a—正视图；b—侧视图。
图5 梁柱端板连接构造详图
研究结果表明：有限元模拟结果与试验结果比较吻合，证实了试验结果的可靠性；端板外伸可以提高节点承载力；设置端板及柱腹板加劲肋可以提高节点抗弯承载力及转动刚度，设计时建议设置加劲肋；当螺栓承载力比端板承载力大时，增加端板的厚度可以提高节点承载力；增大螺栓的直径相比增大端板厚度提高节点承载力更为有效；设计时取较薄端板及较大螺栓直径，有利于提高节点的抗震性。
a—正视图;b—侧视图;c—俯视图。 1—悬臂短梁；2—腹板拼接板；3—塞焊缝；4—坡口焊缝； 5—高强螺栓；6—圆形外套筒；7—环角焊缝；8—钢管柱。
图6 圆钢管柱-钢梁分离式套筒连接节点
H形截面存在强弱轴之分，截面在两个主轴截面的刚度相差较大，尤其用于柱截面时，弱轴整体稳定性较差，不够经济，钢管柱与H形钢柱相比，两个主轴截面刚度相同，截面惯性矩大，承载力比较接近，室内柱子外露较为美观，方便后期装修，特别是在钢-混凝土组合结构中，采用钢管混凝土柱可以充分发挥钢与混凝土材料的各自优点，抗火性能好，结构承载力高，其应用范围更广。但钢管柱为闭口截面，与H形钢梁采用装配式螺栓连接时存在一定困难，螺栓紧固时无操作空间，因此，此类装配式连接节点工程应用受到一定限制，但随着新型连接节点的不断研发和研究，其应用必将会得到较快发展。
汪胜辉等针对目前圆钢管柱-钢梁连接节点常用形式如外加强环式节点、内加强环式节点、十字板式节点、锚定式节点等存在的问题对梁柱节点构造形式进行改进，采用圆钢管柱-钢梁分离式套筒连接节点[10-11]，节点详图如图6所示。
通过改变外套筒厚度对节点抗震性能进行研究，采用ANSYS有限元分析软件，按位移加载方式，在梁端施加低周往复循环荷载。有限元结果分析表明：随着外套筒厚度的增大，节点承载力提高；通过计算得出节点位移延性系数分别为2.72、2.97、3.39、3.59、3.60，5个试件位移延性系数均满足要求，所以增大套筒厚度一定程度上可以提高节点延性；5个节点黏滞阻尼系数分别为0.35、0.36、0.36、0.38、0.39，均在0.35～0.4之间，表明耗能能力较好，随着套筒厚度的增加耗能能力有所提高，抗震性能良好。
清华大学陈学森针对预制装配式钢框架体系自身特点及在设计过程中遇到的梁柱连接问题提出四种便于在施工现场进行安装的端板式梁柱连接节点[12]。该类型的节点采用工字形梁和方钢管柱，其中节点1和节点2的梁与柱直接依靠端板及高强螺栓连接，不同的是节点2在梁翼缘对应的柱腹板处设置横隔板。节点3与节点4在柱与梁翼缘相接的位置焊接外环板，在外环板外侧焊接端板，与梁端板通过螺栓连接，节点3采用平齐式端板，节点4采用外伸式不设置加劲肋。该类型节点柱选择了封闭方钢管，在现场安装时需要通过手孔紧固螺栓，施工完成后补焊手孔，费时费工，该类型节点现场施工时采用全螺栓连接，避免了焊接，加快了施工速度。利用ABAQUS有限元分析软件建立4个节点有限元模型，其应力分布如图7所示。
a—节点1；b—节点2；c—节点3；d—节点4。
图7 节点的应力云图 MPa
分析结果表明：与节点2相比，节点1受拉柱翼缘明显向外突出，受压翼缘向内凹陷，由此看出柱横隔板设置可以减小柱翼缘变形；通过节点2与节点4的对比看出，外环板设置可以使梁端板与柱相连的螺栓外移，减小柱壁出现集中应力与变形；由节点3与节点4的应力对比发现节点3梁柱端板明显分离，梁腹板与柱外环板相连螺栓对应高度范围内大面积屈服，且节点1、节点2与节点4的加劲肋都进入屈服状态，表明设置加劲肋可明显改善节点受力变形；节点4无论受力还是变形都相对比其他3个节点表现好，是较为合理的装配式梁柱连接节点。
北京工业大学刘学春等针对模块化高层钢结构研究设计了焊接、栓接、栓焊混合连接3种梁柱连接形式[13]，如图8所示，节点组成包括箱形柱、柱座、桁架梁段，其中柱座法兰与箱形柱法兰通过螺栓连接，桁架梁段与法兰分为焊接、栓接与栓焊混合连接3种连接形式。
a—焊接节点；b—栓接节点；c—栓焊混合节点。 1—带法兰板钢管柱；2—法兰板；3—桁架梁弦杆；4—桁架梁腹杆；5—节点盖板；6—节点贴板；7—节点竖向连接板。
图8 模块化装配式梁柱连接节点
利用ABAQUS有限元分析软件对3种节点进行静力分析得到其破坏机理、极限承载力和单向荷载与循环荷载下的耗能能力，分析结果表明：焊接节点延性能力较好，其极限承载力最高，但其塑性变形主要集中在梁端，不能满足“强柱弱梁”的要求；栓接节点由于节点贴板接触面出现较大的滑移，导致耗能能力降低，设计时需加强接触面摩擦处理，增大接触面摩擦系数以减小滑移；对于栓焊混合节点，两片桁架梁的刚度不同导致桁架梁产生平面外扭转，极限承载能力最低，但其延性耗能能力最强；3种节点位移延性系数he分别为7、5、7，说明3种节点延性耗能能力比较好,文献[14]通过试验验证该模块化装配式钢结构梁柱连接节点具有较好的抗震性能，能够满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求。如图9所示为远大可建集团在实际工程中对模块化装配式梁柱连接节点的应用[15]，该结构体系由钢柱、集成式组合楼板、节点加强型斜撑构成，在施工现场通过法兰及高强螺栓进行连接，施工速度快，抗震性能好。该公司的预制施工工艺获得世界高层都市建筑学会( CTBUH) 2013 高层建筑创新奖，证明该体系得到了国际权威学术机构的认可和嘉奖。
图 9 远大可建集团模块化装配式梁柱节点
1—外套管；2—T型连接件；3—高强螺栓；4—钢管柱。
图10 外套管式梁柱连接节点
同济大学李黎明等设计了3个足尺十字形外套管式节点[16-17]，如图10所示。为了研究新型装配式梁柱节点的抗震性能，改变外套管的厚度，取其厚度分别为16，20，24 mm，对节点进行了低周循环荷载试验研究。并通过ANSYS软件建立节点有限元模型对节点进行有限元分析。试验结果表明：节点最终破坏形式为T型件外侧梁翼缘出现塑性铰；实测等效黏滞阻尼系数he和位移延性系数μ与有限元的对比如表1所示，等效黏滞阻尼系数均大于0.2，由于有限元分析没有考虑螺栓滑移、材料缺陷等因素，得到的等效黏滞阻尼系数比试验值大很多；位移延性系数均大于4.0(节点OP2由于加工偏心和装置偏心导致位移延性系数小于4)，随着外套管厚度的增加，μ值和he值均有所提高，改善了节点抗震性能。
表1 试验与有限元μ值和he值对比
节点编号heμ试验值有限元分析试验值有限元分析OP10.2030.4094.64.1OP20.2180.4743.04.2OP30.2260.4554.64.2
a—安装下柱、内套筒和下方T型件;b—安装上柱和钢梁; c—安装上方T型件。
图11 节点安装顺序示意
李黎明等分析新型外套管式节点力学性能影响因素，通过改变节点外套管厚度、T型件腹板及翼缘厚度以及加劲肋设置建立有限元模型，研究参数变化对节点力学性能变化的影响[18]。分析结果表明：套管厚度对节点力学性能影响较大，随着套管厚度增加，节点承载力增加，延性降低； T型件翼缘厚度和腹板厚度增加，节点承载力增加，延性及耗能能力降低；设置加劲肋提高了节点承载力，延性却降低较小，改善了节点的力学性能。该新型节点在工厂加工时需要在钢管柱及外套管上开手孔，现场拼装完成后补焊手孔，手孔的存在导致该节点安装时费时费力，需要进一步改善。
张茗伟等提出了一种组装式钢管内套筒-T型件梁与柱连接装置[19]，该节点安装顺序如图11所示。文献[20]针对内套筒厚度的改变，设计了BASE、T-1、T-2试件、T-3试件，利用ANSYS有限元分析软件在梁端施加低周往复荷载，研究节点力学性能，图12所示为4个试件破坏阶段的应力云图。
a—试件T-1;b—试件BASE;c—试件T-2;d—试件T-3。
图12 试件破坏阶段应力云图 MPa
研究结果表明：4个试件应力发展均从梁端上下翼缘处逐渐向梁中部发展，当发生破坏时T型件翼缘中部发生受拉大变形并且应力较大；最终破坏形态上T型件翼缘发生受弯屈曲塑性变形；内套筒厚度增加，柱子侧壁上应力逐渐向靠近梁端一侧发展，上方T型件翼缘受弯变形程度逐渐减小，下方T型件翼缘受弯变形逐渐增大，这种现象在试件T-2和T-3中尤为明显；试件承载力及等效黏滞阻尼系数如表2所示。
表2 试件承载力和黏滞阻尼系数
试件编号屈服承载力/kN极限承载力/kN等效黏滞阻尼系数BASE78.2111.80.340T-163.8101.60.329T-286.7124.20.351T-387.7128.90.358
主要研究结论：随内套筒厚度增大，节点滞回性能增加，节点承载力明显增加；试件T-2与试件T-3二者滞回性能比较接近，承载力变化不大，建议内套筒厚度应比柱壁厚增加2 mm，节点受力较为合理；随内套筒厚度增大节点刚度提高，等效黏滞阻尼系数增大，抗震性能提高。针对内套筒长度改变设计了BASE、L-1、L-2试件，图13所示为3个试件破坏阶段应力云图。
研究结果表明：由于高强度对拉螺栓与高强螺栓间距增大，上方T型件在发生中部弯曲破坏的同时其翼缘两端还发生翘曲现象，下方T型件也发生较大程度的弯曲；高强对拉螺栓螺帽发生滑移；随内套筒长度增加，柱侧壁应力逐渐增加；试件承载力及等效黏滞阻尼系数如表3所示。
a—试件BASE;b—试件L-1;c—试件L-2。
图13 试件破坏阶段应力云图 MPa
表3 试件承载力和黏滞阻尼系数
试件编号屈服承载力/kN极限承载力/kN等效黏滞阻尼系数BASE78.2111.80.340L-167.1106.40.319L-262.3102.60.292
由上述研究可知：随内套筒长度增加，螺栓对T型件约束能力变弱，上部T型件发生翼缘中部屈曲同时还发生端部翘曲；套筒长度增加，试件等效黏滞阻尼系数he逐渐减小，耗能能力减弱；套筒长度增加，螺栓对T型件约束能力变弱，梁柱相对转角变大；分析节点受力性能，建议在满足构造连接的尺寸上，尽量减小内套筒长度，提高节点受力性能。该新型装配式梁柱连接节点的优点是对拉螺栓的使用，可避免开手孔，提高安装效率，缩短工期，在施工现场无焊接施工，符合绿色建筑的要求。
钢管柱与H形钢梁连接方式采用全螺栓连接，是一种较为简单的连接方式，但螺栓选择是一个重要问题，国内一般采用高强螺栓或高强对拉螺栓，但这也不是最优化方案，针对这些问题，同济大学徐婷对国外单边螺栓的研究进展进行了较为全面的介绍，包括美国的BOM，HSBB和Ultra-Twist螺栓，荷兰的Flowdrill技术，英国的Hollo-bolt，RMH,EHB，Molabolt和Ylind Yolt螺栓以及澳大利亚Ajax ONESIIDE螺栓，详细介绍了其组成部件、安装方法及紧固原理[21]。
许炎彬等结合《单边紧固螺栓》发明专利22，设计了钢管柱与H型钢梁外伸式端板连接节点23，节点连接螺栓采用国产自锁式单向螺栓，通过改变钢管柱厚度及端板厚度设计了3类节点，每个节点设计两个相同试件，节点构造详图及试验安装完成的节点如图14所示。
a—节点构造详图；b—钢管柱内侧单边螺栓。
图14 节点构造详图及试验节点
研究结果表明：在单向螺栓及钢管柱壁厚度相同时，端板厚度较小的试件发生端板断裂的破坏模式，其受弯承载力较小；当单向螺栓及端板厚度相同时，钢管柱壁厚度较小的试件其受弯承载力和屈服荷载较小；当钢管柱壁及端板厚度均较大，其受弯承载力和屈服荷载均比较大且最后发生单向螺栓拉断或拔出的破坏模式，是较合理的装配式梁柱连接节点。
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。H形截面的两个主轴截面刚度相差较大，尤其用于柱截面时，弱轴整体稳定性较差，不够经济。钢管柱与H形钢柱相比，两个主轴截面刚度相同，承载力接近，特别是用于钢-混凝土组合结构中，可以充分发挥钢与混凝土材料的各自优点：抗火性能好、结构承载力高。但钢管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、钢管柱与套筒的接触、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，螺栓紧固时无操作空间等，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。
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Lu Xiuxiu Wang Yan Liu Xiuli
(School of Civil Engineering， Qingdao Technological University， Qingdao 266033， China)
ABSTRACT：Fabricated steel structure accords with the industrialization development trend of construction and it is a kind of green building. Design diversification, component standardization, manufacture industrialization, construction mechanization, function modernization of the development trend of construction industrialization will be shown in fabricated steel structure building. Combined with the current research progress in fabricated beam-column joints of steel structure, the research status of the fabricated joints of H-steel beam-column and the fabricated joints of rectangular steel tube column and I (H)-steel-beam were introduced. The problems that need to be further studied and solved were proposed about fabricated joints of rectangular tube steel column and beam.
KEY WORDS：fabricated steel structure; beam-column connection joint; rectangular steel tube column; one-side bolt; split bolt
*国家自然科学基金项目(51508290)；青岛市建设科技计划项目(JK2014-8)。
第一作者：鲁秀秀，女，1990年出生，硕士研究生。
通信作者：王燕，yanwang2010803@163.com。
收稿日期：2016-02-26
DOI：10.13206/j.gjg201610001
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