王軍(長(zhǎng)春黃金設(shè)計(jì)院,吉林長(zhǎng)春 130000)

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鋼結(jié)構(gòu)體系中節(jié)點(diǎn)耗能能力研究進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)

王軍
(長(zhǎng)春黃金設(shè)計(jì)院,吉林長(zhǎng)春 130000)

【摘 要】為加強(qiáng)我國(guó)建筑事業(yè)的發(fā)展,相關(guān)技術(shù)不斷的得到研究與更新。并且在發(fā)展過程中特別注意相關(guān)的問題,例如目前我們最關(guān)注的就是環(huán)保方面的問題,在鋼結(jié)構(gòu)體系的研究中也越來越注重這一點(diǎn),越來越希望通過相應(yīng)的手段來降低節(jié)點(diǎn)耗能能力。在鋼結(jié)構(gòu)體系中節(jié)點(diǎn)的耗能能力,雖然是節(jié)點(diǎn)性能的一種表現(xiàn),更重要的是其能夠決定著建筑的整體抗震性。要提高節(jié)點(diǎn)的耗能能力,可以從其不同構(gòu)件入手研究。我們從鋼結(jié)構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)耗能能力研究進(jìn)展入手,并且分析其中的關(guān)鍵技術(shù),作出相應(yīng)的闡述。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu) 節(jié)點(diǎn) 耗能 抗震

我國(guó)改革開放以來，相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)以及相應(yīng)的技術(shù)得到了極大的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平也有所提高，其中作為基礎(chǔ)建設(shè)中的一個(gè)重點(diǎn)問題，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的研究也在不斷的深入，不僅僅是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)具有良好的性能，也因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)建設(shè)中不可或缺的一部分。鋼結(jié)構(gòu)具有許多良好的特點(diǎn)，建設(shè)中，國(guó)家所需要的橫截面比較小，并且自身的抗震性能好，重量輕，相應(yīng)的造價(jià)也較低。并且相應(yīng)的生產(chǎn)也比較簡(jiǎn)單，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。鋼結(jié)構(gòu)體系，對(duì)于環(huán)境的破壞程度也比較小，其相關(guān)的各種材料也可以進(jìn)行回收利用。很好的滿足了當(dāng)今低碳生活的倡導(dǎo)，可以有效地減少投入，提高各個(gè)企業(yè)的收益。由于鋼結(jié)構(gòu)體系具有如上各種各樣的優(yōu)點(diǎn)以及其性能良好，所以擁有著廣泛的應(yīng)用前景。作為鋼結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)體系的節(jié)點(diǎn)也具有重要的功能，可以通過節(jié)點(diǎn)形成結(jié)構(gòu)整體，并且能夠保證梁和柱的協(xié)同工作。鋼結(jié)構(gòu)體系的性能，以及其本身的特征會(huì)最終決定了工程的質(zhì)量，嚴(yán)重影響著鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性以及他的承載能力。本文首先展開分析，主要針對(duì)的是近年來對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)的抗震能力以及相關(guān)的技術(shù)，并且就鋼結(jié)構(gòu)體系技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行相應(yīng)的探究，提出相應(yīng)的改革措施，降低耗能，促進(jìn)發(fā)展。

1 節(jié)點(diǎn)耗能技術(shù)回顧

1.1 鉚釘連接

鉚釘連接的出現(xiàn)時(shí)間最早，甚至在利用往前一階段鐵的結(jié)構(gòu)時(shí)期就開始出現(xiàn)了，并且成為這一時(shí)期主要的連接方式。鋼材于19世紀(jì)末期開始出現(xiàn)并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)之間的連接，為了減少勞動(dòng)力并且降低相應(yīng)的支出，采用桁架式的組合構(gòu)件。隨著進(jìn)程的發(fā)展，勞動(dòng)力等各個(gè)方面的費(fèi)用支出也在不斷提高，為了節(jié)省費(fèi)用改變了原來的方式采用熱軋型鋼截面構(gòu)件來作為梁和柱，并且利用鉚釘連接的方式來連接梁和柱。并且也考慮要對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火保護(hù)，所以往往在節(jié)點(diǎn)的外面包裹素混凝土。在過去的這一段時(shí)期內(nèi)，由于環(huán)境等各種因素的影響，僅僅考慮了其關(guān)于風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)，并沒有相關(guān)抗震的設(shè)計(jì)，直到發(fā)展到1930年以后，人們才開始重視抗震問題。由于抗震作用的取值與當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)相比還是有很大不同的，相對(duì)較小。并且連接主要抗彎連接，冗余度較高。另外，就相關(guān)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，例如常見的砌筑墻體和用作防火的混凝土其附加剛度相對(duì)較大，但是在實(shí)際的生產(chǎn)和建設(shè)過程中往往不會(huì)直接進(jìn)行強(qiáng)度和耗能能力的計(jì)算，僅僅是按照相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。就相關(guān)的研究以及實(shí)際的地震情形發(fā)展來看，往往抗彎連接的結(jié)構(gòu)冗余度較高，就滯回性能差異來看，抗彎連接特別大，并且多數(shù)連接延展性以及耗能的能力都較差。就我國(guó)以前的建筑而言，抗震能力主要是由于結(jié)構(gòu)的冗余度和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的附加剛度來提供的，而鋼結(jié)構(gòu)的作用卻相對(duì)較小。這也就說明了單個(gè)連接的性能對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能的影響并不是很大。

1.2 高強(qiáng)螺栓

發(fā)展到1960年，以往的鉚釘連接的方式逐漸被替代，而高強(qiáng)螺栓技術(shù)則開始出現(xiàn)，及相關(guān)的細(xì)節(jié)問題和某種連接的差異性并不是很大，其中防火層的防火材料也被更新?lián)Q代，當(dāng)時(shí)的發(fā)展和當(dāng)今的鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)具有了一定的指導(dǎo)意義，尤其是在抗震能力方面。人們認(rèn)識(shí)到，地震作用力可能非常大，但是如果考慮結(jié)構(gòu)和連接幾點(diǎn)的非彈性性能，用于建筑設(shè)計(jì)的地震作用會(huì)變小，并且對(duì)于結(jié)構(gòu)的非彈性指揮效能研究就會(huì)開始增加。由于地震它本身特殊的作用與影響，考慮建筑物的質(zhì)量以及自振周期，工程師可以減小結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，這樣也就大大的緩解了地震的影響。這些變化以及因素也會(huì)影響附加剛度，例如在防火保護(hù)以及填充墻等方面。新采用的高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)的技術(shù)與伊朗的鉚釘連接技術(shù)相比，雖然在技術(shù)上具有一定的類似性，但是其抗震性能更加優(yōu)越。

1.3 栓焊混合連接

在發(fā)展中漸漸出現(xiàn)了一種新型的連接方式，也就是焊接技術(shù)，在發(fā)展中也得到了極大的推廣與利用。在實(shí)際的生產(chǎn)與工程中，主要采用的焊接方式有兩種，一種是梁翼緣與柱子翼緣全熔透焊接，另一種是梁腹板與柱翼緣螺栓連接的方式，通常稱其為栓焊混合連接。在我國(guó)以及世界發(fā)展過程中，該技術(shù)的研究還是相對(duì)比較成熟的，并且具有良好的優(yōu)點(diǎn)。不僅僅施工方便，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益其滯回性能曲線飽滿，剛度和強(qiáng)度穩(wěn)定。另外，這種連接可以在梁上發(fā)展塑性，避免了連接部位脆性破壞發(fā)生。栓焊混合連接很快成為了標(biāo)準(zhǔn)的抗震連接形式。1988年統(tǒng)一建筑規(guī)范(UBC，1988)提高了腹板的抗剪承載力設(shè)計(jì)值.抗剪承載力提高是基于實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)板域屈服可提供穩(wěn)定可靠的耗能能力，具有更好的延性性能，大約從1988年開始，允許板域首先屈服，然后梁上再發(fā)展塑性。

1.4 新時(shí)代發(fā)展

從21世紀(jì)開始，新技術(shù)開始出現(xiàn)，其中的典型代表就是預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)中采用的后張拉技術(shù)。以技術(shù)在發(fā)展中被應(yīng)用于鋼框架的結(jié)構(gòu)中。在結(jié)構(gòu)的運(yùn)用中開發(fā)了后張框架的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)具有良好的性能，可以有效地降低能耗，并且可以有效地保證工程的質(zhì)量。避免相鄰的梁和柱的損傷以及變形。為促進(jìn)我國(guó)相關(guān)事業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)研究者也進(jìn)行研究，主要涉及以下幾個(gè)方面：隔板貫通式節(jié)點(diǎn)、焊接和螺栓連接鋼框架的節(jié)點(diǎn)域、鋼結(jié)構(gòu)半剛性端板連接、腹板雙角鋼梁柱節(jié)點(diǎn)以及長(zhǎng)圓孔變型性高強(qiáng)螺栓節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論以及并進(jìn)行了效用理論與實(shí)踐的研究。Yoo等、 Ber man等/ Okazak i等先后對(duì)中心支撐框架和屈曲約束支撐框架中支撐與梁、柱連接的板節(jié)點(diǎn)以及偏心支撐框架中連桿與柱的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)和理論分析， 提出了保證其足夠轉(zhuǎn)動(dòng)能力的構(gòu)造改進(jìn)措施。

2 當(dāng)前節(jié)點(diǎn)形式的選擇

與輕鋼結(jié)構(gòu)的各種良好的特點(diǎn)使得其迅速發(fā)展，并且在發(fā)展中形成了形式多樣的輕鋼結(jié)構(gòu)。關(guān)于輕鋼結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展，也是由于其優(yōu)越性造成的，例如企業(yè)不僅僅能夠節(jié)約鋼材，并且相應(yīng)的工程造價(jià)也非常低，工程的施工時(shí)間比較短，除此之外，其余外形外觀均比較好，形成了極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在這一體系和門式剛架中，要進(jìn)行合理有效科學(xué)的設(shè)計(jì)，其中最重要的一部分就是關(guān)于連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，只有保證了連接節(jié)點(diǎn)的科學(xué)設(shè)計(jì)，才能夠有效地保證結(jié)構(gòu)的整體性以及結(jié)構(gòu)的可靠度，甚至可以降低成本，提高工作效率。在輕型門式剛架中，主要采用的是高強(qiáng)度螺栓的端板連接，并且利用該技術(shù)來連柱以及構(gòu)件。由于節(jié)點(diǎn)屬于關(guān)鍵技術(shù)，所以在之前就應(yīng)該進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的選擇，在技術(shù)的選擇過程中應(yīng)該注意結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選用，可

以根據(jù)傳力特性來進(jìn)行選擇，一般主要有鋼節(jié)點(diǎn)、半鋼節(jié)點(diǎn)以及鉸節(jié)點(diǎn)，在選擇中要保證其合理性與科學(xué)性。

下面就節(jié)點(diǎn)涉及的相關(guān)問題進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述。

2.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的過程中要綜合考慮各種因素，首先要考慮施工空間與構(gòu)件吊裝順序。在工程中往往會(huì)出現(xiàn)這種情況，到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)之后主要構(gòu)件不能夠有效地安裝，這是應(yīng)該注意的問題。另外還應(yīng)該注意要使工人方便的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位，并且可以對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行臨時(shí)加固。

2.2 節(jié)點(diǎn)中使用螺栓分析

關(guān)于螺栓連接主要有兩種方式，一種是普通的螺栓連接，用一種是高強(qiáng)度螺栓連接。普通的螺栓連接和高強(qiáng)度的螺栓連接是有一定區(qū)別的，首先普通的螺栓連接往往用于較次要的部位，這樣的部位往往要求的抗剪性較低。而高強(qiáng)度螺栓連接的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在高強(qiáng)度。其主要分為兩類，一類是摩擦型，一類是承壓型。其中摩擦型應(yīng)用相對(duì)較廣泛，常用8.8s和10.9s兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。高強(qiáng)螺栓最小規(guī)格為M12，常用M16～M30。超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重使用。

2.3 考慮基建設(shè)計(jì)中制造廠工藝水平

就長(zhǎng)期的實(shí)踐與理論研究可以發(fā)現(xiàn)，目前最常用的輕型鋼結(jié)構(gòu)，主要采用最經(jīng)濟(jì)的短板連接方式，可以有效地避免現(xiàn)場(chǎng)焊接的這種現(xiàn)象，也成為了目前抗彎連接最主要的形式。該技術(shù)主要分為三大類，一是剛性節(jié)點(diǎn)，二是非剛性節(jié)點(diǎn)，最后還有一類是鉸接節(jié)點(diǎn).。但是由于半剛性節(jié)點(diǎn)它本身具有一定的弊端，所以利用的也相對(duì)較少。并且在時(shí)代的發(fā)展過程中，各種新型的節(jié)點(diǎn)連接方式不斷出現(xiàn)，給該領(lǐng)域注入了強(qiáng)勁的動(dòng)力。因此在節(jié)點(diǎn)的選擇過程中，一定要做到綜合考慮，做到合理科學(xué)。

3 利用節(jié)點(diǎn)耗能能力的關(guān)鍵問題

在節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件當(dāng)中，其中重要的一部分是破壞模式，其影響著耗能的能力。甚至破壞模式的順序以及他發(fā)展的程度也會(huì)影響各項(xiàng)指數(shù)。分析節(jié)點(diǎn)破壞模式與構(gòu)件破壞模式之間的影響和制約機(jī)制。實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)耗能有效利用的構(gòu)造措施。

4 結(jié)語(yǔ)

在結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)具有重要的作用，相關(guān)研究也在不斷深入，而加強(qiáng)其耗能功能也具有重要的意義，降低能耗的基礎(chǔ)上有助于提高中期的抗震性能。希望相關(guān)的研究能夠?qū)τ谠擃I(lǐng)域的發(fā)展起到一個(gè)推動(dòng)作用，不斷改進(jìn)與創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn):

[1]陳以一,王偉,趙憲忠.鋼結(jié)構(gòu)體系中節(jié)點(diǎn)耗能能力研究進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2010,06:81-88.

[2]張冬芳.復(fù)式鋼管混凝土柱—鋼梁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究[D].長(zhǎng)安大學(xué),2013.