方钢管混凝土柱—钢梁节点研究现状

方钢管混凝土柱—钢梁节点研究现状
孙雨欣
【摘要】方钢管混凝土柱-钢粱节点的力学性能直接影响方钢管混凝土结构在建筑住宅工程中的推广和应用.为全面促进钢结构设计人员对方钢管混凝土柱-钢粱节点的理解,对目前国内外研究与应用较多的4种节点构造形式、受力特点及研究现状
进行了综述.在此基础上,对方钢管混凝土柱-钢梁节点的研究与分析方向进行了展望.【期刊名称】《安徽建筑》
【年(卷),期】2016(023)004
【总页数】3页(P113-115)
【关键词】方钢管混凝土柱;钢粱;节点形式;研究现状
【作者】孙雨欣
【作者单位】安徽省建筑工程质量第二监督检测站,安徽合肥230001
【正文语种】中文
【中图分类】TU378.3
钢与混凝土组合柱以其优越的抗震性能、变形能力和良好的经济效益，越来越多地被应用于国内外高层及超高层建筑中［1］。

钢管混凝土柱按照截面形式的不同，可分为圆形钢管混凝土柱、方（矩）形钢管混凝土柱及多边形钢管混凝土柱等，其中，圆钢管混凝土柱和方钢管混凝土柱的研究与应用较为广泛。

但需指出的是，方钢管混凝土柱相对圆钢管混凝土柱而言，其对内部核心混凝土的约束作用相对较弱，因而在同等条件下，方钢管混凝土柱的受力性能比圆钢管混凝土柱稍差［2］。

在住宅建筑中，圆钢管混凝土柱的节点隐藏构造及其与墙板的连接构造均较为复杂，不容易进行施工处理。

同时，方钢管混凝土柱外形规则、节点形式简单，建筑适用性较好，防火构造处理也较为容易。

因此，方钢管混凝土柱-钢梁节点在当今建筑
工程的应用最为广泛。

为使方钢管混凝土结构能够进一步的推广和应用，国内外学者对其进行了大量的试验研究与理论分析工作，且主要集中于对方钢管混凝土柱轴压承载力机理、抗震性能和设计方法的研究，对方钢管混凝土柱-钢梁节点的研究相对较少。

为此，本文
在介绍目前国内外方钢管混凝土柱-钢梁常用节点形式的基础上，对今后的研究与
发展方向提出了几点看法与建议。

方钢管混凝土柱-钢梁节点形式虽然有很多种，但其合理与否将直接影响着结构的
整体可靠性，故节点设计应遵循整体可靠、构造简单、传力明确、方便施工的原则。

根据节点刚度性能的差异，可将方钢管混凝土柱-钢梁节点划分为刚性节点、半刚
性节点及铰接节点。

其中，多层钢框架结构采用刚性梁柱节点时可取得较好的受力性能，但构造复杂、施工难度大；铰接节点虽构造简单，但刚度及耗能能力差；半刚性连接节点则兼具刚性和铰接节点的优点。

现阶段，对方钢管混凝土柱-H型钢
梁节点研究主要集中在以下几种连接形式：内隔板式节点、隔板贯穿式节点、外肋环板式节点和外套管式节点。

2.1 内隔板式节点［3］
在钢管柱内钢梁上下翼缘对应位置处设内隔板，并采用坡口焊缝将钢梁翼缘与钢管柱壁连接；通过连接板，将钢梁腹板与钢管柱壁采用高强螺栓连接，节点如图1
所示。

因内隔板与钢梁上下翼缘处于同一水平面，故内隔板式节点具有构造简单、传力明确、节点刚度大等优点。

但内隔板的设置受钢管柱边长的限制，当钢管柱边长较小或采用成品钢管时，存在施焊困难、混凝土浇灌质量降低等问题。

此外，钢梁翼缘
与内隔板使得柱壁同一位置处两侧的钢材经历两次熔透焊缝加工，较大焊接残余应力的产生极易诱发分层或脆性破坏。

2.2 隔板贯穿式节点［4］
在钢管柱内钢梁上下翼缘对应位置处设贯穿钢管壁的隔板，并将其与钢梁翼缘采用坡口焊连接；通过连接板，将钢梁腹板与钢管柱壁采用高强螺栓连接，节点如图2所示。

贯穿式隔板将钢管柱在节点处断开，有便于上下柱壁厚及截面尺寸变化的实现，但当钢管柱承受较大的倾覆力矩而使其一侧出现受拉时，柱与隔板间的连接焊缝将会处于三向受拉应力状态。

2.3 外肋环板式节点［5］
外肋环板式节点是为克服外环板式节点对建筑内部凸角的影响而提出的。

将外环板的另外两侧改为平贴于钢管柱壁的竖向肋板，在此基础上，配以适当构造，则可形成外肋环板式节点，如图3所示。

外肋环板式节点的加工制作不受钢管柱边长限制，且能有效避免混凝土浇灌受横隔板的干扰，但其用钢量较大、焊接工艺要求较高、两个互相垂直方向上的节点刚度存在差异。

2.4 外套管式节点［6］
采用4块钢板围焊形成外套管，为保证外套管能够与钢管柱壁协同工作，通过塞
焊技术，将外套管与钢管柱壁连接，塞焊孔距离与要求按照我国现行规范［7］采用，节点如图4所示。

外套管式节点采用全螺栓连接，施工速度快；节点区域无横隔板，混凝土浇筑质量容易保证。

同时，节点区焊缝减少，在一定程度上推进了节点塑性的发展。

王来、王铁成等［3］报道了一榀三层两跨的方钢管混凝土框架模型的拟静力试验，采用了内隔板节点形式，并对节点的荷载-位移曲线、延性、破坏机制及破坏特点
等进行了研究。

结果表明：方钢管混凝土框架内隔板节点具有较好的抗震性能，但节点较多的焊缝会影响结构塑性的充分发展。

聂建国等［8］进行了14个方钢管柱-H型钢梁内隔板式十字节点试验研究，但结果表明此类节点虽然强度足够，但延性较差。

李黎明、陈志华等［4］进行了隔板贯通式节点的低周反复拟静力试验研究，共设计了3个十字形足尺试件。

根据试验所得的滞回曲线来求解节点的等效阻尼比，
并以此衡量其耗能能力，并从强度、变形和能量等三方面对隔板贯通式节点的抗震性能进行判别和鉴定。

试验结果表明：隔板贯通式节点抗震性能及耗能能力良好，适用于中高层的住宅及公用建筑。

苗纪奎、陈志华等［9］开展了3个十字型足尺外肋环板节点试件的低周反复试验，并对试件的承载力、延性、耗能能力、强度退化、刚度退化等抗震性能指标进行了比较分析。

研究结果表明：外肋环板节点抗震性能较好，同时钢管中混凝土的存在能有效改善节点的抗震性能。

李黎明、陈以一等［4］为研究冷弯方钢管-H型钢梁外套管式节点的抗震性能，
进行了3个十字形足尺试件的低周反复试验。

根据恢复力特性曲线得到了骨架曲线、节点初始刚度和刚度退化等参数，并从强度、变形和能量等三方面对外套管式节点的抗震性能进行鉴定和判别。

结果表明：外套管式节点承载力较高、延性良好，外套管厚度增加对节点承载力影响不大，但节点抗震性能和刚度在一定程度上提高。

李黎明、李宁等［10］在试验研究［7］的基础上，采用ANASYS软件进行了有
限元与试验结果的对比分析，有限元分析结果与试验结果吻合较好，并基于屈服线理论，确定了加劲肋厚度和外套管厚度的设计方法。

本文对目前国内外应用和研究较为广泛的4种方钢管混凝土柱-钢梁节点进行了综述，着重分析了它们各自的特点及适用性，但目前的研究工作上存在不足，为此本文提出几下几点看法与建议，以期为方钢管混凝土结构的进一步推广与应用明确研
究分析方向。

①现阶段的节点形式虽然较多，但尚未研究出适合钢结构产业化的节点形式，在一定程度上阻碍了我国钢结构住宅产业的发展。

②钢管宽厚比、轴压比、混凝土强度等级、节点细部尺寸等参数对节点静力性能和抗震性能的影响有待深入研究。

③各节点形式火灾作用下的力学性能研究工作尚未开展，因此，需对各节点形式火灾下的破坏形态、破坏机理进行试验研究与理论分析。

④圆钢管混凝土柱-钢梁节点理论对方钢管混凝土柱-钢梁节点的适用性，还需进一步开展试验研究和理论分析工作。

⑤方钢管混凝土柱-钢梁节点的连接刚性普遍不及整浇的混凝土结构，同时不同连接形式的节点之间的刚性差异也较大。

为此，在钢结构设计分析时，需对节点区进行一些特殊的指定以符合实际要求。

【相关文献】
［1］吕西林，陆伟东.反复荷载作用下方钢管混凝土柱的抗震性能试验研究［J］.建筑结构学报，2000，21（2）：2-11.
［2］韩林海.钢管混凝土结构［M］.北京：科学出版社，2000.
［3］王来，王铁成，邓芃.方钢管混凝土框架内隔板节点抗震性能的试验研究［J］.地震工程与工程振动，2005，25（1）：76-80.
［4］李黎明，陈志华，李宁.隔板贯通式梁柱节点抗震性能试验研究［J］.地震工程与工程振动，2007，27（1）：46-53.
［5］陈志华，闫翔宇，王亨.方钢管混凝土柱新型节点和异形柱在住宅钢结构中的应用［J］.钢结构，2007，22（1）：17-19.
［6］李黎明，陈以一，李宁，蔡玉春.外套管式冷弯方钢管与H型钢梁连接节点的抗震性能［J］.吉林大学学报（工学版），2010，40（1）：67-71.
［7］GB50017-2003，钢结构设计规范［S］.
［8］Nie J.G，Qin K，Cai C.S.Seismic Behavior of Connections Composed of CFSSTCs and Steel-Concrete Composite Beams-Experimental Study［J］.Journal of Constructional Steel
Research，2008，64（10）：1178-1191.
［9］苗纪奎，陈志华，姜忻良，等.方钢管混凝土柱与钢梁的外肋环板节点抗震性能试验研究［J］.地震工程与工程振动，2007，27（2）：85-90.
［10］李黎明，李宁，蔡玉春.新型外套管式节点试验研究及简化设计［J］.工业建筑，2011，41（5）：120-125.。