装配式钢管混凝土柱-钢梁节点的性能分析及比选*

张孝斌，殷尧日，冯力强，刘立平，牛昌林，李英民

(1 甘肃省建设投资(控股)集团总公司， 兰州 730000； 2 重庆大学土木工程学院， 重庆 400045； 3 甘肃建投科技研发有限公司， 兰州 730000)

0 引言

随着工程材料及建筑结构形式的不断发展，装配式钢结构越来越广泛地应用到各类工程实践当中。与传统的钢筋混凝土结构相比，装配式钢结构具有重量轻、强度高、抗震性能好、施工速度快、工业化程度高，符合产业化要求，符合建筑节能发展方向[1]等优点。实际的装配式钢结构工程项目对装配式钢管混凝土柱-钢梁节点有需求，选择适用的节点连接形式，是满足工程项目的重要一步。

针对钢管混凝土柱-钢梁节点连接形式，国内外研究者进行了大量试验和有限元研究。2005年，宗周红等[2]进行了方形钢管混凝土柱-钢梁节点的拟静力试验，试验结果表明，穿芯螺栓-加劲端板连接节点与缀板焊接连接节点的整体抗震性能优于常规栓焊节点。2007年，Wu等[3]提出了双向螺栓连接的钢管混凝土柱-钢梁节点的力学模型，试验结果表明，此类形式的节点具有良好的刚度、强度、延性以及耗能能力等抗震性能。2009年，Wang等[4]进行了4个往复加载的单边螺栓连接的钢管混凝土柱-钢梁节点试验，试验结果表明，节点整体上保持了良好的延性和后期承载能力。同年，Ghobadi等[5]开展了在已有抗弯节点上设置T形加劲肋后节点塑性变形能力的试验研究，试验结果表明，水平T形加劲肋的设置可以有效地消除裂纹的扩展。2015年，张茗玮等[6]提出了一种内套筒-T形件梁柱节点，通过对节点模型进行有限元分析，发现节点耗能能力良好，且在套管厚度大于2mm时，节点具有最好的滞回性能，但随着内套筒的长度增加，节点的极限承载力却有所下降。2018年，夏军武等[7]提出了一种拼接外套筒式节点，通过试验和有限元模型研究了节点的静力性能，发现节点转动能力和延性较好，但节点在套筒根部焊缝处均产生了显著的应力集中现象，焊接质量是此类节点的关键。

随着对装配式钢管混凝土柱-钢梁节点的不断研究，选择抗震性能更好、施工难度更低、成本更经济的节点，是将其应用于实际工程项目的关键。本文基于前人研究的成果，采用归一化方法分析装配式钢管混凝土柱-钢梁节点的抗震性能，对不同的节点抗震性能指标采用归一化方法处理，使其仅与节点的构造类型相关，与其余参数无关，使得不同节点在抗震性能上具有可比性。

1 装配式钢管混凝土柱-钢梁节点构造形式

针对装配式钢管混凝土柱-钢梁节点的研究，本文检索了大量相关现有文献[8-15]，从中选择常用的装配式节点构造形式及试验条件。现有文献中多采用柱端加载方式，常在小轴压比条件下进行试验。为了研究装配式钢管混凝土柱-钢梁节点的抗震性能，本文基于前人研究的成果，选取了五种不同的装配式节点，选取的连接节点均满足小轴压比(0.2～0.4之间)且为柱端加载方式。在控制基本试验条件相同的前提下，采用归一化处理方法，分析在本文研究条件下，较适用于装配式钢管混凝土柱-钢梁结构的节点形式。节点构造形式示意图如图1所示。

图1 装配式节点构造形式示意图

保证装配式节点的可靠连接，除了考虑钢管混凝土柱和钢梁之间的连接，有些节点形式还需同时考虑钢管混凝土上下柱之间的连接，采用螺栓和焊接方式进行钢管混凝土柱和钢梁之间的连接，可采用加强环式[8]和外肋环板式[9]结合的方式，如图1(a)，(b)所示。在节点区运用隔板同时考虑了钢管混凝土上下柱和钢管混凝土柱与钢梁的连接，可以避免在层中进行上下柱的连接，隔板可分为内隔板[10]和隔板贯通[11]两种类型，如图1(c)，(d)所示。也可以采用外套筒[12]进行上下柱在节点区的连接，如图1(e)所示。各节点试验的基本信息如表1所示。

各节点试验基本信息 表1

2 节点承载力对比分析

为了对本文总结的五种装配式节点的承载力进行对比分析，在保证柱端加载和小轴压比的条件下，采用归一化方法对荷载-位移曲线进行处理。首先通过参考相关文献[16-17]，确定荷载-位移曲线中的屈服点、峰值点和极限点的位置，然后取峰值点的数据作为等式的分母，其他点的数据作为分子，得到节点的荷载比-位移比曲线。节点的荷载-位移曲线体现了从加载开始到结束时荷载与位移之间的关系，反映了节点刚度随荷载的变化情况。通过获取各节点的正向加载与反向加载下的数值，经归一化处理后，发现荷载比-位移比曲线与荷载-位移曲线相比接近且基本重合，不仅保留了原荷载-位移曲线的变化趋势，还能达到归一化的目的，为了使节点的性能便于比较分析，仅取正向荷载比-位移比曲线作为本文的研究对象。本文总结的五种连接节点的荷载-位移曲线如图2所示。

图2 装配式节点的荷载-位移曲线

图2中五种节点连接形式的荷载-位移曲线差别很大，因为各节点的材料、尺寸、连接形式等条件不同，无法直接对各节点进行比较。本文参照对应文献[8-12]中的试验数据，通过在网格纸上描点确定各关键点的坐标，采用归一化方法对荷载-位移曲线进行处理，得到五种装配式钢管混凝土柱-钢梁节点的荷载比-位移比曲线，如图3所示。

图3 装配式节点的荷载比-位移比曲线

由图3可知，五种装配式节点连接形式在屈服阶段的变化规律基本吻合，隔板贯通式节点的初始刚度最大但其屈服点承载力较小，外肋环板式节点的初始刚度最小但其屈服点承载力较大，加强环式和内隔板式节点的初始刚度较大且屈服点承载力大，外套筒式节点的初始刚度和内隔板式相当，但其屈服点承载力小于内隔板式节点；在达到峰值荷载后，加强环式节点的承载力下降最为缓慢，其延性相对较好，内隔板式节点一开始下降缓慢，随着内隔板的破坏，承载力突然发生下降，且下降幅度较大，但其破坏前的承载力仍大于其他三种节点形式，外肋环板式和外套筒式节点承载力下降速度基本相当，刚度退化较快，延性一般，隔板贯通式节点承载力下降快，刚度退化明显。从结构承载能力和延性角度出发，装配式钢管混凝土柱-钢梁结构在小轴压比下，建议采用加强环式和内隔板式节点。

3 节点耗能能力对比分析

通过对五种装配式钢管混凝土柱-钢梁节点运用归一化方法处理，得到各节点的滞回环面积比-位移比曲线，以反映各节点的耗能和变形能力。图4为本文总结的五种装配式钢管混凝土柱-钢梁节点的滞回环面积比-位移比曲线。

图4 装配式节点的滞回环面积比-位移比曲线

如图4所示，五种装配式节点连接形式在屈服阶段的变化规律基本吻合，说明这些节点在屈服阶段的变形能力基本相当。在达到峰值荷载后，加强环式节点的滞回环面积比最大，其极限点处的滞回环面积比是峰值点处的两倍以上，远大于其他节点形式，内隔板式节点的滞回环面积比仅次于加强环式节点，外肋环板式节点的滞回环面积比小于加强环式和内隔板式，但大于其他两种节点形式，外套筒式和隔板贯通式节点相对较小，表明在刚度退化阶段，加强环式节点的耗能性能最好，内隔板式节点和外肋环板式节点均表现出了较好的耗能能力，隔板贯通式节点的耗能性能最差。所以，从结构变形能力和耗能性能角度出发，装配式钢管混凝土柱-钢梁结构在小轴压比下，建议采用变形能力好且具有较好耗能性能的加强环式和内隔板式节点，加强环式节点可以设置外肋端板来提高节点的变形能力。

4 施工难易

研究五种不同装配式钢管混凝土柱-钢梁节点的适用性，除了对比分析各节点的抗震性能外，还需要对节点的施工难易程度进行对比，以满足节点的可装配性和实用性。本文总结的五种装配式节点均能实现加工厂加工后现场进行装配的要求，但各节点施工难易程度不同，下面对各节点进行分析并从施工难易程度进行对比。

加强环式节点的施工难度在于通过加强环板开孔，在钢管混凝土柱中浇灌混凝土，并保证钢管上下柱中间混凝土的贯通性良好，H型钢梁上下翼缘与加强环板之间的焊接，也是施工过程中需要确保的工序，此类节点的施工难度较低。外肋环板式节点是在加强环式节点的基础上采用连接件进行上下翼缘与钢管柱表面的连接，并在连接件上设置竖向加劲肋以提高节点的抗震性能，外部加劲肋与环板之间采用焊接，节点的施工难度较低，但与加强环式节点的施工工序相比略多。内隔板式节点施工时需要在钢管内设置内隔板，由于钢管柱尺寸的限制，管内焊接内隔板和浇筑混凝土都有一定的难度，并且在钢管表面的同一位置上焊接多次，导致焊接热效应过大，焊接处容易发生脆性破坏，施工难度较高。隔板贯通式节点施工时需要将打断的钢管柱分别焊接在隔板的上下两面，对焊接的要求较高，施工难度较大。外套筒式节点在施工过程中难以保证套筒与钢管柱表面的无缝接触，不可避免地在施工过程中会留有缝隙，最后会导致钢管柱与套筒间被拉裂，施工难度大于其他节点。综上所述，以难度等级高、较高、中等、较低、低对本文提出的五种装配式节点的施工难易程度进行分类，如表2所示。由表2可知，从施工难易程度的角度考虑，加强环式节点和外肋环板式节点是较优的选择。

各节点的施工难易程度 表2

5 成本对比

在实际工程案例中，除了考虑到节点的抗震性能和施工难易外，工程成本也是综合衡量一种节点形式是否具有实用性的一项指标。本文综合所总结的五种装配式钢管混凝土柱-钢梁节点形式，对各节点的成本进行估算，按单位极限承载力成本对各节点的造价成本进行对比，得出较为经济实用的节点形式。钢材按市场单价6 000元/t，混凝土按500元/m3计算，各节点的螺栓、端板、焊接成本与工人施工成本之和按钢材与混凝土成本之和的两倍考虑。通过对所检索文献[8-12]的试验模型的材料进行估算，得出成本工程量，如表3所示。

各节点成本工程量统计 表3

各节点成本除钢材和混凝土以外，螺栓、端板、焊接材料以及施工成本之和按等于材料成本计算，得出各节点的单位极限承载力成本如表4所示。

各节点的单位极限承载力成本 表4

由表4可知，外肋环板式节点的单位极限承载力成本最低，和未设置肋板的加强环式节点相比，其成本仅仅是加强环式节点的40%左右，可见，加肋会大大降低节点的单位极限承载力成本。外套筒式节点的单位极限承载力成本是外肋环板式节点的三倍多，在相同的承载力要求下，其成本远远大于外肋环板式节点，且在本文总结的五种装配式节点中，成本最高。内隔板式节点的单位极限承载力成本略低于外套筒式节点，隔板贯通式节点的单位极限承载力成本大致为外肋环板式节点的两倍。所以，从成本对比结果来看，外肋环板式节点是最为经济的节点形式。

6 结论

本文采用归一化方法得到了五种装配式钢管混凝土柱-钢梁节点的荷载比-位移比曲线、滞回环面积比-位移比曲线，对装配式节点承载力、结构延性、耗能性能、刚度退化等指标进行对比分析，探讨了不同装配式节点的抗震性能差异，同时对不同节点的施工难易程度进行了对比，并对单位极限承载力成本进行了估算，得出如下主要结论：

(1)本文总结的五种装配式钢管混凝土柱-钢梁节点，从抗震性能的角度出发，在小轴压比及柱端加载条件下，建议采用加强环式和内隔板式节点，加强环式节点可设置外肋端板以提高节点的变形能力。

(2)加强环式节点和外肋环板式节点的施工难度相对较低，从施工难易角度来考虑时，在钢管柱尺寸较小时，建议采用加强环式节点，在钢管柱尺寸较大时，应适当增加外肋环板来提高环式节点的抗震性能。

(3)从单位极限承载力成本来看，在相同的承载力要求下，外肋环板式节点是最为经济的选择，且明显优于其他节点形式。

(4)本文总结的五种装配式节点连接形式，仅考虑了满足小轴压比及柱端加载条件下节点的性能对比，为相同前提条件下的装配式钢管混凝土柱-钢梁节点的选择提供了参考，其他不同条件下的节点性能尚需进一步研究。