1、1钢结构体系中节点耗能能力研究进展与关键技术【摘 要】：钢结构体系中节点的耗能能力是节点性能的一种表现,其对建筑的整体抗震性有着重要的影响。节点耗能能力可由不同部件提供，与其破坏的模式及相关的变形模式相关。本文对钢结构体系中节点耗能能力研究进展与关键技术作了简要的分析与阐述。 【关键词】：钢结构；节点；耗能；抗震 中图分类号：TU391 文献标识码： A 文章编号： 引言 随着我国科学技术和社会经济的发展,钢结构以其特有的性能及结构特征,得到了越来越多的研究。钢结构建筑不仅美观大方,而且所需构件的截面小；抗震性能好，自重轻；基础造价降低, 基础负载小；可在工厂大量生产钢结构构件,施工迅速；环境
2、破坏程度小,材料的循环利用率高,达到了绿色建筑的要求,具有十分显著社会经济效益，属于绿色节能建筑，因此有着广泛的应用前景。钢框架结构中，连接节点是保证梁与柱协同工作、形成结构整体的关键部件，它的性能直接影响结构体系的刚度稳定性和承载能力。本文对近年来节点抗震性能的研究进展及其构造措施的改进进行总结。 节点的发展历程 1.铆钉连接 远在利用铸铁和锻铁作为结构材料时期，铆钉连接就是结构构件之2间的主要连接方式。19 世纪末期，钢材逐步取代铸铁和锻铁应用于结构工程中，由于劳动力费用低，多采用桁架式的组合构件。1920 年左右，随着劳动力费用提高，实际工程中采用热轧型钢截面构件作为梁和柱。梁和柱之间借
3、助 T 型件和角钢等采用铆钉连接。 铆钉 T 形件连接应用在高层建筑中的底部几层，铆钉双角钢连接用在高层建筑的顶部几层或者低层房屋。结构为进行防火保护，通常在构件和连接节点外面包裹素混凝土。当时多数钢结构房屋不进行抗震设计，只进行抗风设计，直到1930 年左右，才开始考虑地震对结构的影响，地震作用的取值与现行标准相比要小很多。由于所有的连接均是抗弯连接，结构具有较高的冗余度。另外，砌筑墙体和用作防火的混凝土等非结构构件具有较大的附加刚度，但设计时并没有考虑早期的工程师不计算连接的强度和耗能能力，他们根据已有工程实践经验进行设计。1994 年北岭地震中，20 世纪 70年代之前的建筑物梁柱节点均
4、为抗弯连接，结构冗余度高，并且因防火保护和填充墙等引起的附加刚度在设计时未计入，在地震中这类房屋并没有破坏，也没有造成人员伤亡.然而，后来人们对该类连接在往复荷载作用下的性能进行研究发现，该连接的滞回性能差异很大，且多数连接延性和耗能能力较差。早期建筑物抗震性能优越不是由钢框架提供的，而是由结构的冗余度和非结构构件的附加刚度和承载力提供。由于非结构构件的刚度和强度，结构不能出现使连接破坏的变形，大量的连接提供了结构的冗余度，意味着单个连接的性能对整个结构性能的影响不大。2.高强螺栓 31960 年后，高强螺栓逐步代替连接中的铆钉，但连接细节仍旧和铆钉连接相同。混凝土保护层逐渐被更轻的防火材料替
5、代。这时候，抗震设计方法已经演变成类似于现代的抗震设计。人们逐渐认识到尽管地震作用力可能非常大，但如果适当考虑结构和连接节点的非弹性性能，用于建筑设计的地震作用会变小研究者对结构非弹性滞回性能研究开始增加。 地震作用的减小依赖于建筑物的质量和自振周期，因此工程师开始减少结构的质量，因为这样可以减少用于设计的地震作用。这些变化使得因防火保护和填充墙等引起的附加刚度降低。 梁柱高强螺栓连接很快被焊接连接所代替。由于在工程中应用时间比较短，且多采用与铆钉连接类似的方式，因此，高强螺栓连接节点的抗震性能研究相对较少。 3.栓焊混合连接 20 世纪 60 年代末期和 70 年代初期，焊接在钢结构梁柱连接
6、中逐渐的被广泛采用.实际工程中多数采用梁翼缘与柱子翼缘全熔透焊接、梁腹板与柱翼缘螺栓连接的方式，通常称其为栓焊混合连。接栓焊混合连接施工方便，经济性好，研究相对成熟，其滞回性能曲线饱满，刚度和强度稳定。另外，这种连接可以在梁上发展塑性，避免了连接部位脆性破坏发生。栓焊混合连接很快成为了标准的抗震连接形式。 1988 年统一建筑规范(UBC，1988) 提高了腹板的抗剪承载力设计值.抗剪承载力提高是基于实验中发现板域屈服可提供稳定可靠的耗能能力,具有更好的延性性能，大约从 1988 年开始，允许板域首先屈服，然后梁上再发展塑性。 4然而，在 1994 年的北岭地震和 1995 年的阪神地震中，采
7、用这种节点的数百栋钢结构建筑虽然没有倒塌，却有很多在节点部位出现了严重的脆性破坏，即栓焊混合连接节点并没有按照预期的破坏方式破坏。典型的破坏方式是梁下翼缘与柱子之间的全熔透焊缝出现裂纹，然后裂纹根据连接细节的不同沿着不同路径发展。 二、节点形式的选择 轻钢结构形式多样,近年来, 门式刚架钢结构获得了迅速发展, 这种体系用钢省、造价低、制作简便、施工期短、商品化程度高, 而且造型美观, 适用面广, 显示出很强的竞争优势。门式刚架中, 连接节点的设计是整个设计过程中极其重要的一环, 节点设计得当与否, 对保证结构的整体性、可靠度以及建设周期和成本有着直接影响。轻型门式刚架中普遍采用高强度螺栓的端板
8、连接,一般推荐采用端板连接作为主要的梁柱连接和构件拼接节点。 在进行结构设计时,在结构分析过程中就应该想好用哪种节点形式,根据结构构件的选用, 传力特性不同判断用刚节点、铰节点还是半刚节点, 连接方式的不同对结构影响很大, 比如: 门式刚架结构, 为了降低用钢量, 钢柱选用变截面柱子, 那么柱脚节点做成铰接, 梁与柱连接处做成刚接就比较合理。 钢结构节点的设计与优化 （1）节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是初学者常犯的错误。此外, 还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定；（2）螺栓连接分普通螺5栓连接、高强螺栓连接。普通螺栓抗剪性能差
9、, 多用在次要结构部位。高强螺栓根据受力特点分摩擦型连接和承压型连接, 两种连接方式工作原理不同,可查阅相关资料, 目前钢结构施工上摩擦型高强螺栓的连接应用较广泛, 常用 8. 8s 和 10. 9s 两个强度等级。高强螺栓最小规格为M12, 常用 M16M30。超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用。（3）焊缝设计中焊缝大小要通过计算确定, 不得任意加大焊缝, 焊缝的重心应尽量与被连接构件中心接近; 焊丝焊剂应与母材强度相匹配,当两种材质钢材焊接时应选用与低标号材质相适应的焊条。如: E43 对应Q235, E50 对应 Q345. ; Q235 与 Q345 连接时,应该选择低强度的
10、E43, 而不是 E50；（4）节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。 国内外大量研究和实践证明,在轻型钢结构的抗弯连接中, 端板连接最为经济, 它比通常的腹板、翼缘连接节省材料和紧固件, 而且避免现场焊接, 所以目前它己成为抗弯连接的主要形式。端板连接节点是轻型钢结构中普遍采用的连接形式, 它可分为刚性节点、半刚性节点和铰接节点三类,半刚性节点需要通过实验来取得较准确的设计数据,国内设计一般不采用。同时, 一些其他新型的节点连接形式也相应出现;比如带有加劲肋的刚性节点法兰连接和无加劲肋的半刚性节点法兰连接等。钢框架结构的梁柱连接多按刚性连
11、接设计,主梁与柱的连接具有足够刚度。对于梁柱节点,可以选用楔形盖板加强框架梁梁端与柱的刚性连接、在梁端下部加腋板加强框架梁梁端与柱的刚性连接、“犬骨式“的连接构造等等。在设计中遇到节点连接不满足的情况, 我们要仔细分析原因, 然后选择6合理的节点形式。 结语 钢结构梁柱连接节点是保证梁与柱协同工作，形成结构整体的关键部件，对结构构件集承重与耗能功能为一体的结构体系而言, 利用节点较为稳定的耗能能力有助于提高结构整体的抗震性能。 参考文献： 1王燕，郁有升，王鹏钢.框架梁端翼缘板式加强型节点力学性能试验研究J.工程力学，2011(3). 2GB50017，2003 钢结构设计规范S. 3陈以一, 李刚, 庄磊等. H 形钢梁与钢管柱隔板贯通式连接节点抗震性能试验 J. 建筑钢结构进展,2006(1).
