黃彬輝 李元齊

（同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海200092）

0 引 言

在各類建（構(gòu)）筑物中，鋼結(jié)構(gòu)以輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能優(yōu)良、裝配化程度高、綠色環(huán)保、材料可循環(huán)性等優(yōu)勢(shì)，成為結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用形式之一，在高烈度區(qū)和超高層建筑中尤為凸顯。

當(dāng)前，國(guó)家大力提倡裝配化建造技術(shù)，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)因其裝配式和施工速度快而備受青睞。梁柱節(jié)點(diǎn)在裝配式鋼結(jié)構(gòu)中占有重要的地位，裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)是指鋼結(jié)構(gòu)的梁、柱及其配套連接件的部分或全部經(jīng)工廠加工制作后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，按照規(guī)定的技術(shù)要求組裝起來(lái)的連接區(qū)域。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)承受豎向和水平作用力時(shí)，節(jié)點(diǎn)是梁與柱之間力的傳遞紐帶，節(jié)點(diǎn)特性直接影響著結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性；結(jié)構(gòu)遭受地震作用時(shí)，小地震下，節(jié)點(diǎn)的剛度成為構(gòu)件抗側(cè)力水平的主要影響因素之一；大地震下，節(jié)點(diǎn)的耗能能力和破壞機(jī)制成為結(jié)構(gòu)的抗震性能的主要決定因素之一。在鋼結(jié)構(gòu)的制作安裝過(guò)程中，梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式和抗震性能對(duì)建造的裝配化程度、施工速度和質(zhì)量、結(jié)構(gòu)的安全可靠性以及經(jīng)濟(jì)合理性至關(guān)重要，其裝配化程度成為衡量整體結(jié)構(gòu)工業(yè)化水平的重要指標(biāo)。

現(xiàn)代高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中，梁柱節(jié)點(diǎn)按照受力方式和連接剛度可分為鉸接連接、半剛性連接和剛性連接三類。鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)大多采用剛性連接，其連接形式主要有三類：鋼梁的翼緣與腹板均與鋼柱采用焊接連接，即全焊接連接類；鋼梁翼緣與柱采用焊接連接，鋼梁腹板與柱采用高強(qiáng)螺栓連接，即栓焊連接類；鋼梁的翼緣和腹板均與鋼柱采用高強(qiáng)螺栓連接，即全螺栓連接類。前兩類安裝過(guò)程中需要焊接，人的成本高，節(jié)點(diǎn)的裝配化水平低，地震作用下焊縫容易發(fā)生損傷或破壞。1994 年美國(guó)北嶺（Northbridge）地震和1995 年日本阪神（Hyogoken-Nanbu）地震中，節(jié)點(diǎn)不同程度采用了焊接連接，受建筑高度和類型、地面運(yùn)動(dòng)、設(shè)計(jì)假定和構(gòu)造做法、材料屬性、制造工藝和檢測(cè)方法影響，脆性斷裂發(fā)生于焊接處，甚至導(dǎo)致鋼框架倒塌，經(jīng)濟(jì)損失巨大［1-3］。全螺栓連接類是適應(yīng)裝配化建造技術(shù)的一個(gè)良好選擇，節(jié)點(diǎn)的抗震性能水平?jīng)Q定著其實(shí)際應(yīng)用的廣泛性。因此，梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工是鋼結(jié)構(gòu)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)，研究一種抗震性能優(yōu)良和基本或完全裝配化的節(jié)點(diǎn)將有著極其重要意義。

本文通過(guò)對(duì)自耗能和附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式、強(qiáng)度、剛度、抗震性能和應(yīng)用情況進(jìn)行歸納總結(jié)，旨在提出了一種附加可拆卸式的耗能元件梁柱節(jié)點(diǎn)，改變傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)承載性能及耗能機(jī)制，建造中基本或完全沒(méi)有焊接連接、節(jié)點(diǎn)耗能元件標(biāo)準(zhǔn)化、易操作和抗震性能優(yōu)良的新型節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“耗能元件先行、震后易更換”的抗震設(shè)計(jì)思路，形成一套適用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能研究發(fā)展的系統(tǒng)化理念。

1 自耗能裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

自耗能裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)是指按照規(guī)定的技術(shù)要求組裝起來(lái)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)部分或全部組成部分的變形而將能量耗散的節(jié)點(diǎn)。

1.1 傳統(tǒng)全螺栓裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

Popov E P 等［4-8］對(duì)全螺栓梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值非線性分析，梁上下翼緣與柱采用T 型板件和高強(qiáng)螺栓連接，腹板與柱采用連接板和高強(qiáng)螺栓連接（圖1），結(jié)論如下：①T 型板螺栓連接的整體性能與蓋板連接非常接近。加強(qiáng)端部連接能提高最大彎矩承載能力，梁局部屈曲的程度相對(duì)較小。②對(duì)T 型板件局部分析，當(dāng)T 型板厚度減小且其他參數(shù)保持不變時(shí)，螺栓連接的翼緣剛度減小，翼緣塑性變形程度增加；高強(qiáng)度螺栓布置決定螺栓分布力均勻性，且實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)變形一致屈服至關(guān)重要；當(dāng)高強(qiáng)度螺栓的大小增加且其它參數(shù)保持不變時(shí)，螺栓連接的翼緣剛度增加，翼緣塑性變形程度增加。③最佳T型板截面尺寸是梁塑性變形最小、節(jié)點(diǎn)彈塑性變形達(dá)到0.04 弧度時(shí)的尺寸。④所選螺栓尺寸（1～1/4 英寸）允許它的屈服，以增加T 型板和柱翼緣之間的間隙。⑤用于連接T 型板和梁翼緣的螺栓可以離柱面（靠近柱面的設(shè)置）更遠(yuǎn)，甚至可以完全忽略。

圖1 全螺栓梁柱節(jié)點(diǎn)Fig.1 Bolted beam-to-column joints

王鵬等［9］研究了帶加勁肋頂?shù)捉卿撨B接和雙腹板頂?shù)捉卿撨B接的梁柱連接節(jié)點(diǎn)，鋼梁上下翼緣、腹板通過(guò)角鋼和高強(qiáng)螺栓與鋼柱連接，屬于全螺栓連接（圖2），分別進(jìn)行了5個(gè)不同構(gòu)造的角鋼連接的單調(diào)加載試驗(yàn)和4 種帶加勁肋角鋼連接的循環(huán)加載試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：①節(jié)點(diǎn)在負(fù)彎矩作用下，僅增設(shè)頂角鋼加勁肋能夠較大幅度提高節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與荷載，破壞模式為加勁肋處焊縫脫開(kāi)，僅增設(shè)底角鋼加勁肋對(duì)節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度影響較小，但能夠增加節(jié)點(diǎn)的承載能力；②加勁肋頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)是一種典型的半剛性連接，具備良好的轉(zhuǎn)動(dòng)能力和耗能能力，節(jié)點(diǎn)破壞模式為角鋼與加勁肋處呈弧狀塑性鉸斷裂，極限彎矩對(duì)應(yīng)的層間位移角均在0.04 rad 以上，可滿足美國(guó)規(guī)范FEMA 350 不小于0.03 rad 的延性設(shè)計(jì)要求。在加勁肋試件達(dá)到層間位移角0.08 rad 時(shí)，節(jié)點(diǎn)還能夠承受0.5Mmax以上的彎矩；③帶加勁肋頂?shù)捉卿撨B接相對(duì)于無(wú)加勁肋角鋼連接節(jié)點(diǎn)的延性會(huì)下降，但節(jié)點(diǎn)的耗能能力會(huì)增強(qiáng)；④帶加勁肋試件的梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性變形性能較好；⑤加勁肋頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)具有較好的延性，滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要求。

圖2 全螺栓連接Fig.2 Bolted connection

1.2 帶懸臂段裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

李啟才等［10-11］研究了兩個(gè)帶懸臂梁段拼接的裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)，柱端在工廠內(nèi)通過(guò)焊縫連接一段短梁，再與鋼梁采用等強(qiáng)拼接（圖3），梁柱物理幾何條件完全相同，拼接板和螺栓布置不同，通過(guò)試驗(yàn)，給設(shè)計(jì)提出如下建議：①?gòu)椥噪A段，拼接處按照實(shí)際內(nèi)力計(jì)算。梁翼緣凈截面受力應(yīng)考慮孔前傳力，抗彎承載能力應(yīng)以螺栓孔處的凈截面和螺栓連接的最不利計(jì)算，腹板抗彎承載能力按照拼接區(qū)承受的彎矩扣除翼緣承擔(dān)的考慮。②極限承載階段，翼緣凈截面承載能力應(yīng)采用鋼材的抗拉強(qiáng)度。③提高節(jié)點(diǎn)構(gòu)件接觸面的抗滑移系數(shù)，螺栓用量減少，耗能能力增強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)的抗震性能得以改善。

圖3 帶懸臂粱段拼接的粱柱節(jié)點(diǎn)試件（單位：mm）Fig.3 Steel beam-to-column connection with cantilever beam splicing（Unit：mm）

郁有升等［12-14］開(kāi)發(fā)了一種新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)，柱端與一段懸臂梁在工廠焊接，上下拼接板一端與懸臂梁和框架梁的翼緣交互三面焊接，另一端螺栓連接，懸臂梁和框架梁的腹板通過(guò)拼接板采用螺栓連接（圖4）。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4組16個(gè)試件，采用了Abaqus 有限元軟件數(shù)值模擬，其極限承載能力和延性結(jié)論如下：①螺栓數(shù)量對(duì)節(jié)點(diǎn)的極限承載力有影響，考慮螺栓滑移耗能性，建議不宜過(guò)多設(shè)置螺栓；②蓋板寬度和厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能有影響，面積應(yīng)大于框架梁翼緣截面，比值宜1.05～1.30，其厚度應(yīng)大于框架梁翼緣；③懸臂梁長(zhǎng)度是節(jié)點(diǎn)滯回性能的重要參數(shù)，宜取1.7～2.0倍框架梁高。

圖4 試件幾何尺寸（單位：mm）Fig.4 Size of specimens（Unit：mm）

張愛(ài)林等［15］針對(duì)高層建筑高空張拉等難度，提出了一種裝配式腹板摩擦耗能和可恢復(fù)功能的梁柱節(jié)點(diǎn)，柱端連接一端短梁，短梁通過(guò)鋼絞線和高強(qiáng)螺栓與中間段梁連接（圖5），通過(guò)一3×5 跨4層0.75倍縮尺模型的擬動(dòng)力試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：①節(jié)點(diǎn)有良好的開(kāi)閉機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)震后自復(fù)位和結(jié)構(gòu)功能恢復(fù)，節(jié)點(diǎn)耗能效果良好，滿足抗震設(shè)計(jì)要求；②鋼絞線損失小于8%，驗(yàn)證了預(yù)應(yīng)力施工可靠性；③建議采用裝配式腹板摩擦耗能和可恢復(fù)功能的梁柱節(jié)點(diǎn)，其框架結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角適當(dāng)放寬；④可實(shí)現(xiàn)“多遇地震無(wú)開(kāi)口、無(wú)損傷，設(shè)防地震開(kāi)口耗能且主體結(jié)構(gòu)無(wú)損傷、罕遇地震結(jié)構(gòu)損傷很小能正常使用，超罕遇地震主體結(jié)構(gòu)損傷較小且仍能正常使用”性能目標(biāo)。

圖5 裝配式腹板摩擦耗能和可恢復(fù)功能的梁柱節(jié)點(diǎn)Fig.5 Prefabricated web friction energy dissipation and resilient beam-to-column joints

1.3 帶內(nèi)套筒裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

王燕等［16-17］針對(duì)方管柱和H 型鋼梁的連接提出了一種新型裝配式內(nèi)套筒組合螺栓連接節(jié)點(diǎn)，柱與柱通過(guò)內(nèi)套筒連接，柱與梁通過(guò)外伸端板和高強(qiáng)螺栓連接（圖6），經(jīng)理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，試驗(yàn)了7 個(gè)內(nèi)套筒厚度、端板厚度和套筒與柱間隙不同的節(jié)點(diǎn)，得出如下結(jié)論：①加大內(nèi)套筒厚度是增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)剛度的有效方式，但過(guò)大則不經(jīng)濟(jì)，建議比柱壁厚大于2 mm；②內(nèi)套筒與柱間隙對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度有影響，需控制在4 mm 內(nèi)；③端板厚度對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度影響不明顯。

1.4 帶外套筒裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

楊松森等［18-20］針對(duì)方管柱和H 型鋼梁的連接提出了一種裝配式外套筒-加強(qiáng)式外伸端板組件連接節(jié)點(diǎn)，柱與柱通過(guò)外套筒和高強(qiáng)對(duì)拉螺栓連接，柱與梁通過(guò)外伸端板和高強(qiáng)對(duì)拉螺栓連接（圖7），通過(guò)3 個(gè)縮尺試驗(yàn)得出如下結(jié)論：①屈服機(jī)制為首先外伸板彎曲屈服，而后外套筒彎曲屈服，高強(qiáng)螺栓拉伸屈服，最后節(jié)點(diǎn)屈服；②節(jié)點(diǎn)初始剛度隨外套筒壁厚和對(duì)拉螺栓預(yù)緊力增大而增加，但需限制預(yù)緊力最大值，以免套筒和柱發(fā)生屈曲；③外套筒壁厚適度增大，有利于提高節(jié)點(diǎn)抗震性能；④采用對(duì)拉螺栓比焊接連接性能好，更能滿足“強(qiáng)柱弱梁”和“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的設(shè)計(jì)要求；⑤外套筒與柱間隙以及對(duì)拉螺栓伸長(zhǎng)值對(duì)節(jié)點(diǎn)塑性發(fā)展有影響，應(yīng)加以控制。

圖6 裝配式梁柱內(nèi)套筒組合螺栓節(jié)點(diǎn)Fig.6 Beam-to-column joints using inner sleeve composite bolts in fabricated steel structure

圖7 裝配式外套筒-加強(qiáng)式外伸端板組件連接節(jié)點(diǎn)Fig.7 prefabricated outer sleeve-overhang plate beam-to-column joint

1.5 開(kāi)窗端板裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

陳學(xué)森等［21］針對(duì)箱形鋼柱與H型鋼梁提出了一種端板連接節(jié)點(diǎn)（圖8），進(jìn)行了1個(gè)單調(diào)加載足尺節(jié)點(diǎn)和3 種預(yù)制方法循環(huán)加載的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，對(duì)其承載力、剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)性能、耗能能力和失效模式進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：①4個(gè)節(jié)點(diǎn)的極限彎矩大于全截面塑性彎矩；②按照日本規(guī)范方法得到的柱節(jié)點(diǎn)域受剪承載力更為合理，中國(guó)規(guī)范安全富裕度則較?。虎酃?jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和層間位移滿足框架抗震要求，節(jié)點(diǎn)具有良好的變性能力和延性；④節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角主要由柱翼緣鼓曲產(chǎn)生；⑤實(shí)際應(yīng)用采用中間截?cái)嗷騻?cè)面開(kāi)窗的預(yù)制方法更為合理。

圖8 預(yù)制裝配式梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)Fig.8 Prefabricating techniques of box columns with bolts and continuity plates embedded

1.6 法蘭裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

張愛(ài)林等［22-23］針對(duì)圓管柱和H 型鋼梁開(kāi)發(fā)了一種裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁-柱法蘭連接節(jié)點(diǎn)，柱與柱通過(guò)高強(qiáng)螺栓采用法蘭連接方式，柱與梁由高強(qiáng)螺栓和蓋板采用Z 字形連接，蓋板中間采用平狗骨式削弱（圖9），對(duì)5 個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：①懸臂端實(shí)現(xiàn)了塑性鉸外移；②蓋板螺栓數(shù)量對(duì)節(jié)點(diǎn)屈服載荷影響小，但對(duì)蓋板連接剛度和節(jié)點(diǎn)承載力影響大；③長(zhǎng)圓孔形式對(duì)初始剛度和屈服荷載有一定影響。

圖9 裝配式梁-柱法蘭連接節(jié)點(diǎn)Fig.9 Composition of beam-column flange joint of prefabricated steel structure

1.7 承載-耗能裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

康婷等［24］提出了一種裝配式梁端鋼板耗能的新型梁柱節(jié)點(diǎn)，即承載-耗能鉸節(jié)點(diǎn)（圖10）。梁端通過(guò)銷軸、兩塊槽鋼和高強(qiáng)螺栓與鋼梁連接，銷軸主要承擔(dān)豎向荷載，槽鋼承擔(dān)彎矩，地震作用下的耗能主要通過(guò)槽鋼的塑性變形。通過(guò)理論推導(dǎo)和應(yīng)用于12 層鋼框架結(jié)構(gòu)分析，得出如下結(jié)論：①節(jié)點(diǎn)采用三線性模型可近似模擬節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型，根據(jù)薄板小擾度和屈曲后強(qiáng)度理論，可推導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角以及屈服和極限彎矩；②分析罕遇地震分析得到的頂點(diǎn)位移、層間位移角和基底剪力，驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的目標(biāo)；③采用承載-耗能鉸節(jié)點(diǎn)的鋼框架，薄弱層位置發(fā)生改變，層間位移角滿足規(guī)范要求。

圖10 裝配式梁端鋼板耗能梁柱節(jié)點(diǎn)Fig.10 Prefabricated beam-end steel plate energydissipation beam-column joint

2 附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)是指按照規(guī)定的技術(shù)要求組裝起來(lái)，通過(guò)附加耗能元件的變形而將能量耗散而梁柱主要構(gòu)件始終保持彈性的節(jié)點(diǎn)。

2.1 附加Π形阻尼器裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

Koetaka Y 等［25］提出了一種帶π 形阻尼器的梁與柱弱軸連接節(jié)點(diǎn)，梁上翼緣與柱采用高強(qiáng)螺栓和連接板連接，下翼緣與柱采用高強(qiáng)螺栓和π形阻尼器連接（圖11）。通過(guò)6組考慮了阻尼器幾何形狀和布置方式影響的足尺節(jié)點(diǎn)循環(huán)試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：①在材料和幾何條件一定下，節(jié)點(diǎn)在水平位移大于通常情況下2 倍時(shí)表現(xiàn)出穩(wěn)定的遲滯行為；當(dāng)梁和柱處于彈性至極限狀態(tài)時(shí)，阻尼器的屈服是有限的；②梁下翼緣板的上下位置設(shè)π形阻尼器有利于提高耗能和自平衡能力，由連接板和梁翼緣板平面外變形導(dǎo)致；③設(shè)計(jì)π 阻尼器時(shí)應(yīng)考慮撬動(dòng)作用，以防止滑移臨界節(jié)點(diǎn)的滑移，從而提高消能效率；④π 型阻尼器的設(shè)計(jì)，所提出的理論公式可精確地確定滑移節(jié)點(diǎn)的彈性剛度、塑性強(qiáng)度和抗滑性能。對(duì)于用低碳鋼圓柱形阻尼器，計(jì)算的塑性強(qiáng)度可乘以1.5 倍，以考慮應(yīng)變硬化效應(yīng)。

圖11 π形阻尼器梁柱節(jié)點(diǎn)Fig.11 Steel beam-to-column joint with π dampers

2.2 附加T形阻尼器裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

Oh S H 等［26-27］提出了一種帶槽形耗能元件的梁柱節(jié)點(diǎn)，梁上翼緣采用T 型連接件和高強(qiáng)螺栓與柱連接，梁下翼緣采用槽形連接件、開(kāi)縫阻尼器、連接板和高強(qiáng)螺栓與柱連接（圖12）。通過(guò)3組帶開(kāi)縫阻尼器足尺試件和1 個(gè)常規(guī)焊接試件的循環(huán)試驗(yàn)，驗(yàn)證了其抗震性能，結(jié)論如下：①帶開(kāi)縫阻尼器梁柱節(jié)點(diǎn)在大層間位移作用下表現(xiàn)出穩(wěn)定的滯回性能，初始剛度等于或高于焊接試件，節(jié)點(diǎn)可認(rèn)為是剛性連接；②梁塑性截面彎矩不小于梁承受最大彎矩，塑性變形集中于開(kāi)縫阻尼器，而梁和柱幾乎保持彈性；③與傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)相比，帶開(kāi)縫阻尼器梁柱節(jié)點(diǎn)的初始剛度和極限強(qiáng)度顯著提高，震后容易更換；④帶開(kāi)縫阻尼器梁柱節(jié)點(diǎn)屬于受彎控制，比支撐框架具有更有效的抗彎性能。

圖12 開(kāi)縫阻尼器梁柱節(jié)點(diǎn)Fig.12 Steel beam-to-column joint with slit dampers

2.3 附加摩擦阻尼器裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

Deng K L 等［28-29］提出了一種全預(yù)制抗損傷梁柱節(jié)點(diǎn)，鋼梁與鋼柱通過(guò)一段過(guò)渡區(qū)進(jìn)行連接，過(guò)渡區(qū)兩端上部分采用節(jié)點(diǎn)板、超高性能混凝土（UHPC）和高強(qiáng)螺栓連接，兩端下部分采用節(jié)點(diǎn)板和高強(qiáng)螺栓連接，其中一端螺栓孔為長(zhǎng)孔，滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦，形成摩擦阻尼器（圖13）。通過(guò)4 組足尺試驗(yàn)和理論分析，得出如下結(jié)論：①節(jié)點(diǎn)預(yù)期的允許損傷可以達(dá)到預(yù)期，梁上鋼筋混凝土板上無(wú)表面裂紋，在最大地震作用下，節(jié)點(diǎn)的UHPC 層和梁翼緣處于彈性狀態(tài)；②節(jié)點(diǎn)滯回曲線是飽滿和穩(wěn)定的，梁柱相對(duì)旋轉(zhuǎn)為1/150 時(shí)屈服，屈服力取決于阻尼器的最大靜摩擦力和阻尼器與復(fù)合材料接頭截面剛度中心的距離；③初始正剛度大于負(fù)剛度，屈服后剛度受指定塑性鉸區(qū)長(zhǎng)度和UHPC層厚度的影響；④節(jié)點(diǎn)具有顯著的耗能能力，60%以上的能量是由摩擦阻尼器消耗的；⑤提出了節(jié)點(diǎn)初始剛度和屈服彎矩的解析模型，可供設(shè)計(jì)參考；⑥為了提供足夠的剛度，建議通過(guò)改善阻尼器的摩擦界面來(lái)減小阻尼器的剛度系數(shù)。

圖13 全預(yù)制抗損傷梁柱節(jié)點(diǎn)Fig.13 A fully-prefabricated damage-tolerant beam to column connection

2.4 附加膝支撐裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

Leelataviwat S 等［30-34］提出了一種帶膝支撐梁柱節(jié)點(diǎn)，梁通過(guò)節(jié)點(diǎn)板和高強(qiáng)螺栓與柱鉸接，膝支撐通過(guò)節(jié)點(diǎn)板和高強(qiáng)螺栓與梁、柱鉸接（圖14），通過(guò)循環(huán)試驗(yàn)和數(shù)值分析，結(jié)果表明，當(dāng)膝支撐的大小維持在一定范圍，結(jié)構(gòu)遭受多遇地震時(shí)，膝支撐協(xié)同梁柱共同提供節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度；結(jié)構(gòu)遭受罕遇地震時(shí)，膝支撐循環(huán)拉壓變形，先于梁柱產(chǎn)生塑性變形，從而耗散地震能量，整個(gè)過(guò)程中梁柱始終保持彈性狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度和抗震性能等同或略高于傳統(tǒng)焊接剛性框架梁柱節(jié)點(diǎn)。地震破壞后，只需更換膝支撐，容易修復(fù)。

圖14 帶膝支撐梁柱節(jié)點(diǎn)Fig.14 Beam-to-column joints with knee-braced dampers

2.5 附加弧形鋼板阻尼器裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

Hsu H L 等［35］提出了一種帶弧形鋼板阻尼器梁柱節(jié)點(diǎn)，梁通過(guò)節(jié)點(diǎn)板和高強(qiáng)螺栓與柱鉸接，弧形鋼板阻尼器通過(guò)節(jié)點(diǎn)板和高強(qiáng)螺栓與梁、柱鉸接（圖15），通過(guò)多組循環(huán)試驗(yàn)和數(shù)值分析，結(jié)論如下：①采用弧形鋼板阻尼器的半鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)度、剛度和能量耗散能力提高顯著；②弧形鋼板阻尼器的效用主要受長(zhǎng)度和角度影響，角度較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度更高；③弧形鋼板阻尼器受拉壓時(shí)表現(xiàn)出穩(wěn)定的滯回性能。

圖15 帶弧形鋼板阻尼器梁柱節(jié)點(diǎn)Fig.15 Beam-to-column joints with steel curved dampers

2.6 附加形狀記憶合金元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

王偉、方成等［36-40］提出了一種帶超彈性形狀記憶合金（SMA）螺桿-角鋼混合梁柱節(jié)點(diǎn)，梁通過(guò)SMA 螺桿、高強(qiáng)螺栓和角鋼與鋼柱連接，形成自復(fù)位裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)（圖16），對(duì)8 組全尺試樣（6 組為在外側(cè)設(shè)置SMA、1 組為在內(nèi)側(cè)設(shè)置SMA、1 組為內(nèi)外側(cè)均設(shè)置SMA）進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了SMA 螺栓預(yù)應(yīng)力、螺栓長(zhǎng)度、角鋼厚度、螺栓和角鋼的布置主要參數(shù)影響。通過(guò)循環(huán)試驗(yàn)和理論分析，得出如下結(jié)論：①試樣表現(xiàn)出理想的屈服原則和變形模式。主要的非線性變形由SMA 螺栓和角度提供，而柱和梁無(wú)損傷。②試樣在2%的位移下表現(xiàn)出很好的自復(fù)位能力；超過(guò)2%時(shí)，自復(fù)位能力取決于SMA 螺栓預(yù)應(yīng)力、螺栓長(zhǎng)度、角鋼厚度、螺栓和角鋼的布置主要參數(shù)；所有試件的延性能力至少在位移為4%；最大等效黏性阻尼在11%～15%，表明能量耗散能力適中。③設(shè)計(jì)這種連接的框架，提供了一個(gè)計(jì)算示例，進(jìn)一步說(shuō)明所提出的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)框架也通過(guò)比較設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)與測(cè)試結(jié)果在殘余旋轉(zhuǎn)方面的驗(yàn)證。

圖16 帶SMA螺桿和角鋼裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)Fig.16 Beam-column joints of assembled steel structures with with combined superelastic SMA bolts and steel angles

3 討 論

3.1 強(qiáng)度和剛度

與傳統(tǒng)焊接剛性梁柱節(jié)點(diǎn)相比，自耗能裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度在彈性階段較易接近或達(dá)，但塑性階段則難以接近或達(dá)到，尤其是圖1～圖2 和圖6～圖7 類型；而附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)無(wú)論在彈性階段還是塑性階段，都較容易達(dá)到或略高。

3.2 破壞形態(tài)

自耗能裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)是節(jié)點(diǎn)的連接板、梁或局部柱翼緣處先出現(xiàn)塑性變形，并耗散地震能量，最終節(jié)點(diǎn)失效，甚至容易出現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)倒塌。附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)是節(jié)點(diǎn)的附加耗能元件先出現(xiàn)塑性變形，并耗散地震能量，梁柱始終處于彈性狀態(tài)而不屈服，耗能元件在彈性階段則為節(jié)點(diǎn)提供強(qiáng)度和剛度。

3.3 滯回曲線

圖 17 給出了典型節(jié)點(diǎn)的滯回曲線［9，11，18，21，23-26，28，30，35-36］。從圖中節(jié)點(diǎn)滯回曲線的對(duì)比可以看出，傳統(tǒng)的全螺栓節(jié)點(diǎn)呈梭形，曲線比較飽滿，塑性能力較強(qiáng)，T 型板比角鋼具有更好的抗震性能和耗能能力；帶懸臂段節(jié)點(diǎn)、帶內(nèi)外套筒節(jié)點(diǎn)、開(kāi)窗端板節(jié)點(diǎn)、法蘭式節(jié)點(diǎn)和承載-耗能節(jié)點(diǎn)呈弓形或反S形，具有“捏縮”效應(yīng)，螺栓表現(xiàn)出一定的滑移效應(yīng)。

圖17 典型節(jié)點(diǎn)滯回曲線Fig.17 Typical node hysteresis curve

附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回曲線呈梭形，形狀非常飽滿，反映出節(jié)點(diǎn)的塑性變形能力很強(qiáng)，具有很好的抗震性能和耗能能力。

3.4 裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)承載性能設(shè)計(jì)新理念

裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)體系中的一個(gè)重要耗能組成部分，其強(qiáng)度、剛度、破壞機(jī)理和抗震性能直接影響整體結(jié)構(gòu)的安全和使用，因此，確保裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的承載能力和抗震性能的合理性成為一項(xiàng)亟需解決的重要問(wèn)題，其設(shè)計(jì)理念的系統(tǒng)化成為一種必然?！昂哪茉刃小⒄鸷笠赘鼡Q”的觀點(diǎn)是符合這一要求，在盡可能不影響建筑使用空間和功能的前提下，在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域附加耗能元件，其耗能方式可以是常見(jiàn)的金屬摩擦（圖13）、軸向受壓和屈曲（圖14、圖15）等，也可以是作者提出的彎曲形成塑性鉸（圖18）等，遭受多遇地震時(shí)，耗能元件與梁柱共同承擔(dān)水平和豎向荷載，提供強(qiáng)度和剛度，遭受罕遇地震時(shí)，耗能元件先進(jìn)入塑性階段，耗散能量，梁柱始終處于彈性階段，并維持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，整體結(jié)構(gòu)不倒塌。地震后，耗能元件易拆卸和更換，維修成本低。

圖18 帶彎曲耗能阻尼器梁柱節(jié)點(diǎn)Fig.18 Beam-column joints with bending energy dissipation dampers

4 結(jié) 論

（1）傳統(tǒng)的全螺栓連接梁柱節(jié)點(diǎn)為滿足“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”要求，除需考慮螺栓孔和板件厚度等因素，還需采用加強(qiáng)或局部削弱措施，需求的螺栓數(shù)量大，安裝精度要求高。

（2）帶懸臂段節(jié)點(diǎn)、帶內(nèi)外套筒節(jié)點(diǎn)、開(kāi)窗端板節(jié)點(diǎn)、法蘭式節(jié)點(diǎn)和承載-耗能節(jié)點(diǎn)改善了傳統(tǒng)的全螺栓節(jié)點(diǎn)的承載和耗能，但螺栓的需求量并未得以根本改變，其安裝精度和難度依然較大，抗震耗能方面還伴有螺栓的滑移效應(yīng)。

（3）附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)相比自耗能節(jié)點(diǎn)有明顯改觀，抗震性能優(yōu)良，其中Π 形阻尼器、T 形阻尼器、摩擦阻尼器、膝支撐和弧形鋼板阻尼器節(jié)點(diǎn)的彈性和塑性極限承載力提高有限，膝支撐和弧形鋼板阻尼器提高較大，但對(duì)建筑空間有一定影響，對(duì)鋼柱在節(jié)點(diǎn)域段產(chǎn)生較大水平力，有一定的不利影響。

（4）基于“耗能元件先行、震后易更換”的觀點(diǎn)，在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域設(shè)置一段支撐鋼梁的水平段鋼板，鋼板通過(guò)彎曲形成塑性鉸耗能，與鋼柱通過(guò)全螺栓剛接，與鋼梁通過(guò)螺栓鉸接，控制鋼板與鋼梁線剛度的比值，從而保持梁柱始終處于彈性狀態(tài)。