浅谈带支撑钢管混凝土柱—钢梁节点研究现状

摘 要：节点是整个结构中至关重要的一部分，各个结构构件通过节点相连，节点也起着传递弯矩和剪力的作用，节点一旦发生破坏，对结构而言将是毁灭性的灾难。支撑-框架结构是一种经济实用的结构类型。但美国北岭地震、日本阪神地震和宫城县地震的震害情况表明，带支撑框架节点的破坏情况十分可观，并且节点破坏模式都属于脆性破坏。因此，对带支撑框架梁柱节点性能的研究显得尤为必要。国内外对于半刚性节点和支撑框架的研究已经涉猎甚广，较多集中于支撑节点板的性能和支撑本身性能的研究，考虑支撑作用对梁柱节点性能影响相对较少，带支撑梁柱节点性能的研究仍有未涉猎的烫手山芋。本文通过总结前人研究成果，谈谈带支撑钢管混凝土柱节点的研究现状。

1.引言

在高层建筑中，一般采用钢管混凝土柱竖向贯通，钢梁通过节点连接在柱上，支撑采用节点板与梁柱连接的方式进行设计和施工，以保证钢管混凝土柱的连续性和传力机制。梁与柱的连接要传递轴力、剪力、弯矩和扭矩，支撑节点板连接需要传递轴力。传统的钢管混凝土柱-钢梁节点由于只靠核心混凝土表面与钢管壁之间的摩擦力和粘结力作为传力机制，并且按照规范设计的钢管混凝土柱钢管径厚比一般较大，力在钢管与核心混凝土之间的传递效率不高。梁敬敏和谢华深（2017）在Roeder C.W.、Kawano、Sakino等学者研究的基础上，分析论证了节点板整体穿透式钢管混凝土柱-钢梁节点可有效提高节点核心区混凝土与钢管壁之间的组合作用水平，同时构造简单，可在实际工程中广泛运用。

随着钢结构建筑的高度不断攀升，钢结构的抗震性能显得尤为关键，纯钢框架结构的抗侧刚度较小，框架作为唯一的抗侧力体系，一旦发生破坏后果将不堪设想。支撑-钢框架结构是一种理想的抗侧力体系，它是在钢框架体系的基础上演变而来，即在框架体系中的某一跨或某几跨间，沿框架竖向设置由框架梁、柱和支撑斜杆共同构成的支撑桁架，与钢框架一起共同承担侧向荷载。在水平力的作用下，支撑杆件只承受拉压轴向力，并通过楼板的变形协调与刚接框架共同工作，它既是结构体系中的抗侧力构件，也是主要的耗能构件，在大震中能够形成双重抗侧力结构的结构体系。

然而在1978 年的日本宫城县地震中发现带支撑的节点在地震中的破坏更为严重，在所有支撑发生破坏的建筑结构中，属于节点破坏的占到了总数的71%。美国北岭地震和日本阪神地震中更是发现所有节点破坏形式均为脆性破坏。分析此现象的成因，在大震中支撐构件中产生巨大的轴向力，节点核心区域除受梁端传递的弯矩之外，还将承受支撑轴向力引起的的剪力，节点域受力状态的改变对节点的抗震性能有显著的影响。因此，有必要对带支撑梁柱节点节点核心区的应力状态进行研究。

2.带支撑钢管混凝土柱-钢梁节点研究现状

2.1节点板穿透式钢管混凝土柱-钢梁节点研究现状

我国《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第3.2.7条规定，在内力分析时，必须预先确定连接的弯矩-转角（M-θ）特性曲线，以便考虑变形的影响。欧洲规范EC3还给出了无侧移框架和有侧移框架梁柱连接节点分类方式的明确分界线，具体如图1-1所示。图2-1中横坐标 、纵坐标 分别为无量纲化后的梁柱连接节点的相对转角和弯矩，具体表达式如式（1-1）所示：

1999～2004年间，Roeder C.W.等以节点板穿透式钢管混凝土柱节点为研究对象对其节点的组合作用、节点内力传递机制、粘结应力水平等方面进行了大量的试验研究，研究发现摩擦力并非核心混凝土与节点板之间主要的传力机制；节点板焊接水平肋条式穿透式节点在不降低节点转动刚度的同时，节点板与核心混凝土之间的组合作用水平最高；并且搜集整理了以往研究者进行的粘结强度实验，在此基础上进行了试验研究和有限元分析。研究发现方、矩形钢管混凝土的界面粘结强度低于圆钢管混凝土；核心混凝土的收缩会降低钢管和核心混凝土之间的粘结强度，因此钢管混凝土界面的粘结强度和核心混凝土直径与钢管厚度之比有关；核心混凝土强度对粘结强度无影响。

Chiew等对腹板穿透式节点、外加强环板式节点、钢筋贯通焊接翼缘式节点、翼缘焊接盖板式节点等4类梁柱节点进行了试验研究。研究结果表明，穿心腹板式节点、钢筋贯通焊接翼缘式节点通过穿心腹板及贯通钢筋将大部分剪力传递给核心混凝土，并且有效地避免了钢管由于剪力过大发生局部屈曲而提前退出工作。

Kawano，Sakino和Okamoto对带支撑的环板穿透式钢管混凝土柱-钢梁节点的传力性能进行了试验研究。试验结果表明，节点板与核心混凝土之间的机械咬合力是主要的传力机制；带支撑的横隔板穿透式钢管混凝土柱框架节点由于穿透横隔板充当了抗剪件，管壁能够将更多的荷载传递给核心混凝土，最终的破坏形态是支座处外露的混凝土被压碎。

梁敬敏对节点板穿透式钢管混凝土柱-钢梁节点的力学性能进行了试验分析和基于ABAQUS的有限元分析，发现该节点具有较高的承载能力与良好的耗能能力，节点板焊接水平肋条式和节点板开孔式穿心节点能显著提高节点板高度范围内核心混凝土和节点板之间的承压面积，并使节点板与混凝土形成机械咬合作用，从而提高钢管壁与核心混凝土之间的传力效率，使混凝土得到充分利用，降低钢管和核心混凝土的相对滑移，传力性能最好。

谢华深对节点板穿透式圆钢管混凝土柱-钢梁节点的力学性能，选取梁与节点板焊接长度、梁是否与钢管管壁焊接等参数进行参数分析。结果表明节点板穿心式节点克贵为刚性节点，将梁翼缘与钢管壁进行焊接，部分荷载可以通过翼缘直接传递到钢管混凝土柱上，可有效降低节点板的应力水平，有助于提高节点初始刚度；若梁翼缘未与柱焊接，则梁与节点板的焊接长度不应小于梁高，这将有利于提高节点极限承载力和初始转动刚度。

石永久、王元清结合国内外已有的钢框架焊接节点拟静力试验，采用ABAQUS 建立九种不同构造节点的非线性有限元模型，与标准节点在承载力、刚度、滞回性能、退化特性、断裂倾向指数、破坏形态以及塑性铰位置等进行对比分析，深入探讨不同构造形式节点的受力性能。剪切域强弱对于节点的破坏模式有较大影响；同时考虑抗震效果、建筑要求以及经济指标，削弱型节点并没有过多的削弱节点承载能力以及刚度，并且滞回性能稳定；合理地控制塑性铰的位置可以提高结构的延性，改变节点的破坏模式，降低焊缝断裂的几率，对增强结构抗震性能是很好的措施。

Daxu Zhang通过减小节点区钢管壁厚度对钢管混凝土柱-钢梁节点进行削弱，并采取低周往复循环荷载试验和有限元分析两種研究手段，研究节点的滞回性能。研究表明节点的破坏模式对节点域的应力水平和应力分布有显著影响。梁柱节点破坏模式中包括节点核心区剪切变形的具有更好的延性和耗能性能。

2.2带支撑梁-柱节点研究现状

2008～2011年间，Reoder C.W.针对支撑节点板式连接节点，考虑节点板形状、节点板尺寸和厚度、屈服板带设计类型和宽度、焊缝类型、焊缝长度、支撑角度、连接类型等参数对节点延性的影响，设计了大量单层单跨平面框架拟静力试验。试验结果表明在进行节点板设计时考虑预留6～8t（t为节点板厚度）的椭圆形和三折线型屈服板带，能够提供更好的延性，有效延缓梁、柱的局部屈曲；美国规范推荐的锥形节点板虽然能延缓梁柱的局部屈曲，但也使焊缝提早出现断裂；支撑的角度越陡，支撑和节点焊缝越早出现断裂；在钢管内壁采用角焊缝连接或采用全熔透焊缝能有效地避免焊缝过早断裂失效。在以上研究成果的基础上Reoder等对节点设计方法进行了改进，并提出了合理的工程设计建议。

Jung-Han Yoo基于前人大量中心支撑-框架实验的基础上，利用有限元分析软件进行模拟分析，研究节点板、梁柱连接构造、支撑角度、构件的弹塑性变形能力等因素对节点抗震性能的影响，并优化设计模型。研究发现通过考虑地震变形需求和允许特定性能水准下节点板的屈曲来设计节点板连接可以提高体系的抗震性能。

王秀丽应用非线性有限元软件ANSYS 对带有支撑和无支撑的这种半刚性节点进行了数值模拟，分析比较了支撑对梁柱节点区域应力分布的影响，应力应变分布特征以及承载力的变化。结果表明：钢框架腹板双角钢梁柱半刚性节点加上支撑后，较大幅度的提高了节点的刚度和承载力，有效的转移了塑性铰，反复荷载作用下的滞回曲线更加饱满，拥有更好的抗震性能。

张文元和杜鹏通过对带支撑段的支撑节点板进行有限元分析，提出了考虑支撑对节点板平面外转动刚度贡献的有限元模型，并利用该模型对带支撑段的节点板性能进行参数分析。研究表明随着 的增加，受压极限承载力降低，当 较小，采用Whitmore有效宽度法对节点板受压承载力进行估算偏于保守。为了能够考虑应力重分布，提出用45°支撑轴力扩散角代替原来的30°进行计算。

张文元和周宇等对支撑板式连接节点与框架梁柱间相互作用进行研究，分别在铰接框架和刚接框架中对梁柱中的附加弯矩进行参数分析。试验结果表明，由于节点板的存在是梁柱中产生附加弯矩，附加弯矩对铰接框架的强度和稳定性产生不利影响，对刚接框架而言，以梁单元验算的截面强度将偏危险。

Aiken、Tsai、Christopulos、Jeffrey、Roeder C.W.等学者的大量试验研究表明，带支撑（普通支撑或BRB）梁柱节点破坏模式均为节点板屈曲、梁端屈曲、焊缝开裂。Mingming Jia通过对双层单跨BRB组合框架进行拟静力试验，发现其破坏模式也不超出上述三个范畴，并且发现使用全焊接节点时，节点的极限变形能力取决于梁柱连接的转动能力，而非支撑的变形能力。

3.结论

Reoder C.W.在对节点板穿透式节点形式的研究开始的比较早也相对较为系统，99年～04年间Reoder团队对穿透式节点的传力机制和组合作用水平进行了大量地研究，同时也对节点板构造形式进行了评估，提出了组合作用最优解。但04年之后对此节点形式的性能再无进一步的研究。国内梁敬敏和谢华深等人在Reoder的基础之上，对节点板穿透式节点的节点性能和构造形式进行了更深一步的研究，但他们均未考虑支撑对节点性能的影响，在节点板穿透式钢管混凝土柱-钢梁节点性能的研究方面，国内外现有研究成果绝大部分是在裸节点的传力机制、钢管混凝土柱核心混凝土与钢管之间的组合作用水平方面的研究，且均未考虑支撑对节点区性能的影响。对于带支撑的梁柱节点性能的研究，目前问题较多集中于支撑节点板的性能和支撑本身性能的研究，对带支撑的梁柱节点性能的研究较少，同时破坏模式考虑不全面。事实上由于支撑的加入，使得节点域的受力变得十分复杂，只有把支撑作用下节点的传力机制、刚度变化和抗震性能研究透彻，才能让节点更好地服务于整体结构。

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（作者单位：华南理工大学）