轻钢框架梁柱节点的研究现状

王雪峰 徐佳 王雪青 江卓林

摘 要：冷弯薄壁型钢的节点连接方式多为螺栓连接或自攻螺钉连接，设计中往往被简化为理想铰接模型来计算，但实际上这样的连接方式使节点可以承担一定的弯矩，同时节点处也会产生变形。半刚性连接理论的提出，为设计人员评估轻钢结构工作性能提供了新思路。

关键词：轻钢结构；半刚性连接；节点；冷弯薄壁型钢

1 轻钢结构概述

我国在“十三五”期间提出了建筑产业化，且加加快发展装配式建筑。轻型钢结构在建筑领域所体现出的施工速度快、工业化程度高、综合技术经济指标好、抗震性能好等优点，因此把轻钢结构应用到住宅建筑和公共建筑中，符合了我国未来发展装配式建筑的规划政策，所以我国越来越注重对轻钢结构在实际工程中的应用。

轻钢结构梁柱节点的常规分析和设计中，大多数的连接方式是完全刚性或理想铰接形式。完全刚性连接的转动刚度是无穷大的，相邻构件在受力情况下的位移和转角是不会发生改变的，这就意味着产生的弯矩全部从梁传递到柱子。与之相反的理想铰接则是转动刚度为零，相邻构件间的角度会随不同的受力发生改变，因此柱子不会承担梁上传来的弯矩。所谓的半刚性连接则是结语以上所言的两者之间，也被称为柔性连接。采用半刚性连接方式的节点称为半刚性节点。半刚性节点在其良好的连接性上兼顾了耗能能力强及其具有较大的屈服容量和延展容量，在保证结构的安全性的基础上节约了用钢量，使其符合轻钢结构的发展理念，是一种经济可靠的连接方式。

2 轻钢框架梁柱节点研究现状

重庆大学的黄川通过试验探究了冷弯薄壁C型钢梁柱半刚性节点的相关性能。在试验中设计了A、B两组试件，A组试件采用尺寸为C140×50×15mm，厚1mm的型钢梁柱，用4颗自攻螺钉连接，B组试件采用尺寸为C180×50×15mm，厚1.5mm的型钢梁柱，用6颗自攻螺钉连接。使用液压千斤顶加载。将试验结果与有限元法对比得出以下结论：（1）型钢梁柱节点的M-θ曲线表明，该节点的弯矩和相对转角的关系均表现出较明显的非线性。同时说明试验中如果型钢梁柱节点采用自攻螺钉连接，则其不可能是完全刚接或理想铰接的。（2）A组试件中，节点的性能趋于柔性；B组试件中，节点的性能则更趋于刚性。由此可见，节点的弯矩承载力和初始刚度的影响因素为自攻螺钉的数量及钢板厚度。

北京建筑工程学院的阎兴华通过试验探究了轻钢框架采用半刚性连接的梁柱节点的抗震性能[2]。试验采用两组试件对照的方式，选用的梁、柱试件均是H型截面，由3块钢板焊接而成。梁截面尺寸均为20O×8O×6×6mm，柱截面尺寸均为15O×150×8×8mm；且梁柱节点均采用8.8级M16的摩擦型高强螺栓连接， 端板厚度均为10mm。A组试件节点域未做处理，B组试件在节点域柱腹板处配置横向及斜向加劲肋。试验中对梁端施加循环荷载，用来模仿地震作用。通过对两组试件的实验结果对比，得出以下结论：（1）轻钢结构框架梁柱节点如果采用端板加高强螺栓的连接方式，其节点强度在强轴的方向上比较易于满足“强柱弱连”的原则，因而其抗震性能要优于弱轴方向。此时，节点的延性和承载力得到有效的提高。但是，H型钢柱由于其自身截面的不对称性，使得柱子在弱轴方向上很难满足“强柱弱梁”的原则，所以在设计时应予以重视，需要采用设置钢支撑等相关措施来加强柱子截面。（2）轻钢框架采用高强螺栓端板连接的梁柱节点，节点会出现比较明显的变形，在实际分析中应予以考虑；而且此时节点的变形不仅有节点域的剪切变形，还存在高强螺栓由于受到梁端弯矩而产生的拉压变形。（3）轻钢框架所使用的高强螺栓加端板连接的梁柱节点，因其具有良好的耗能能力、变性能力以及抗震承载能力，可在地震区的轻钢结构建筑中予以推广。（4）节点域需要设置抗剪加劲肋的措施是完全必要的，而且应保证施焊质量。

内蒙古科技大学曹芙波实验探究了冷弯C型钢节点的抗震性能[3]。试验设计了4个T形节点，梁柱的截面形式均为双肢C型钢，截面的尺寸均为C160×65×20×1.8mm，弯角半径是6mm，其中C型钢及垫板均采用Q235钢，使用8.8级Φ16高强螺栓来连接，4个节点的垫板厚度及螺栓间距有所不同。试验采用液压伺服作动器在梁端施加反复的水平荷载，用来模拟地震作用。对比实验结果得到以下结论：（1）冷弯型钢节点具有承载力高，承载力的退化稳定，但刚度退化嚴重，初始刚度较大，耗能性能好，延性较差的特点。（2）节点构造中采用高强螺栓的摩擦型连接能够使整个节点的抗震性能得到很好的保证，试验过程中，高强螺栓未发生滑移，节点板也未屈服，且C型钢腹板处的螺栓孔没有出现明显的挤压变形，使得C型钢的抗弯承载力得到了最大限度的发挥。（3）螺栓连接使节点处梁截面不能连续，导致节点的抗弯承载力有所降低，但可以满足规范要求的计算值，对节点的抗震性能没有影响。

3 结束语

节点采用半刚性的设计，节约了用钢量，又降低了工程的造价。国外的学者曾经对采用半刚性连接的轻钢框架作出了经济评估，评估结果显示在保证结构安全的前提下，无侧移的框架可以节省造价的5%～10%，有侧移的框架则可以达到10%～25% ，收益效果是显著的。因此，在我国更有必要大力提倡半刚性连接的设计。因为焊接工艺的质量受到操作人员技术水平的影响较大，工程质量无法得到保证，致使许多刚性节点难以满足设计上的要求。如果采用半刚性的设计方法，在有效控制了工程质量的同时，还可以让施工人员准确的对结构的工作性能做出评估。螺栓连接与焊接相比既能节约人力、省工省时，又可以降低工程造价，其带来的整个社会经济效益是巨大的。当然，我们应该看到我国现行的规范及技术水平同欧美等发达国家之间的差距，从而针对我国的实际情况，完善符合我国实际情况的半刚性设计理论，并体现在规范中，以供设计人员使用。

参考文献：

[1] 黄川.冷弯薄壁C型钢梁柱半刚性节点实验及有限元分析[D].重庆：重庆大学，2003.

[2] 阎兴华，郝国龙.轻钢框架梁柱节点抗震性能的试验研究[D].工程力学（增刊），2003.

[3] 曹芙波，魏宏刚，桑冬梅.轻型钢结构框架节点抗震性能的研究与分析[D].钢结构，2008（3）.

[4] 黎承.冷弯薄壁型钢结构半刚性连接性能的研究[D].重庆：重庆大学，2004.

研究生创新基金项目：

轻钢框架半刚性梁柱节点抗震性能研究。