钢结构梁柱连接节点抗震性能研究进展

第39卷第5期2011年10月

福州大学学报（自然科学版）

Journal of Fuzhou University（Natural Science Edition）

Vol．39No．5

Oct．2011

DOI：CNKI：35－1117/N．20111014．1025．019文章编号：1000－2243（2011）05－0658－08钢结构梁柱连接节点抗震性能研究进展

吴兆旗，何田田，姜绍飞，苏建强

（福州大学土木工程学院，福建福州350108）

摘要：钢结构梁柱连接节点是保证梁和柱协同工作的关键部件，其性能直接影响结构的刚度、稳定性和承载能

力．对钢结构梁柱节点应用及发展历史进行回顾，对近年来节点抗震性能的研究进展及其构造措施的改进进

行总结．发现目前梁柱连接节点的耗能能力和塑性变形多是由梁端形成的塑性铰提供；尽管这些节点在实验

中表现出优越的抗震性能，但实际工程这些节点若受到损坏，修复相对困难且费用较高．为便于震后修复，基

于控制思想提出了带有耗能元件的梁柱节点构造．然而目前该技术尚存在一些不足，需要进一步研究．

关键词：钢结构；梁柱节点；抗震性能；焊接连接；螺栓连接；耗能元件

中图分类号：TU391文献标识码：A

Research advances in seismic performance of steel beam－to－column connections

WU Zhao－qi，HE Tian－tian，JIANG Shao－fei，SU Jian－qiang

（College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian350108，China）Abstract：Beam－to－column connections are the key parts for guaranteeing beams and columns to

work together．Their performance can affect significantly the stiffness，stability and bearing capacity of

structures．This paper looked back the history of application and development of the beam－to－col-

umn joints，and summarized the seismic performance research and some improvements of connection

details recently．It was found that the energy dissipation and plastic rotation of the common joints are

provided by the plastic hinges which are formed in the beams．Although the joints display excellent

seismic performance in laboratory，the damaged joints in practice will be repaired difficultly and cost-

ly．Some innovative connections，based on the intelligent control concept，could not only provide good

seismic performance but could also be easily repaired after a heavy earthquake．However，the technol-

ogy of the connections is not enough to use in practice and the further research need carry out．

Keywords：Steel structure；beam－to－column connections；seismic performance；welded connec-tions；bolted connections；energy absorption parts

钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观等一系列优点，与混凝土结构相比它是环保型的和可再次利用的，也是易于产业化的结构［1－2］．钢框架结构是由钢梁、钢柱构件通过节点连接构成，既承受竖向荷载又承受水平荷载的结构体系．框架结构由于建筑平面布置灵活、抗震性能好以及计算理论相对成熟，在中低层到高层建筑中广泛应用．钢框架结构中，连接节点是保证梁与柱协同工作、形成结构整体的关键部件，它的性能直接影响结构体系的刚度、稳定性和承载能力．本文对钢结构梁柱节点的历史进行回顾，并对近年来节点抗震性能的研究进展及其构造措施的改进进行总结，进而对钢结构梁柱节点抗震性能研究提出一些看法．

1发展历程

1．1铆钉连接

远在利用铸铁和锻铁作为结构材料时期，铆钉连接就是结构构件之间的主要连接方式．19世纪末期，

收稿日期：2010－06－30

通讯作者：吴兆旗（1977－），博士，助理研究员，zhaoqi_wu@fzu．edu．cn

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51008081）；中国博士后科学基金资助项目（20100470867）；福州大学科技发展基金资助项目（2010－XQ－25）

第5期吴兆旗，等：钢结构梁柱连接节点抗震性能研究进展钢材逐步取代铸铁和锻铁应用于结构工程中．由于劳动力费用低，多采用桁架式的组合构件．1920年左右，随着劳动力费用提高，实际工程中采用热轧型钢截面构件作为梁和柱．梁和柱之间借助T 型件和角钢等采用铆钉连接（如图1所示）．铆钉T 形件连接应用在高层建筑中的底部几层，铆钉双角钢连接用在高层建筑的顶部几层或者低层房屋．结构为进行防火保护，通常在构件和连接节点外面包裹素混凝土．当时多数钢结构房屋不进行抗震设计，只进行抗风设计．直到1930年左右，才开始考虑地震对结构的影响．地震作用的取值与现行标准相比要小很多．由于所有的连接均是抗弯连接，结构具有较高的冗余度．另外，砌筑墙体和用作防火的混凝土等非结构构件具有较大的附加刚度，但设计时并没有考虑．早期的工程师不计算连接的强度和耗能能力，他们根据已有工程实践经验进行设计．1994年北岭地震中，20世纪70年代之前的建筑物梁柱节点均为抗弯连接，结构冗余度高，并且因防火保护和填充墙等引起的附加刚度在设计时未计入，在地震中这类房屋并没有破坏，也没有造成人员伤亡．然而，后来人们对该类连接在往

复荷载作用下的性能进行研究发现，该连接的滞回性能差异很大，且多数连接延性和耗能能力较差［3］．早

期建筑物抗震性能优越不是由钢框架提供的，而是由结构的冗余度和非结构构件的附加刚度和承载力提供．由于非结构构件的刚度和强度，结构不能出现使连接破坏的变形．大量的连接提供了结构的冗余度，意味着单个连接的性能对整个结构性能的影响不大

．

图1

梁柱铆钉连接节点Fig．1Beam －to －column rivets connected joints

1．2高强螺栓

1960年后，高强螺栓逐步代替如图1所示的连接中的铆钉，但连接细节仍旧和铆钉连接相同．混凝土保护层逐渐被更轻的防火材料替代．这时候，抗震设计方法已经演变成类似于现代的抗震设计．人们逐渐认识到尽管地震作用力可能非常大，但如果适当考虑结构和连接节点的非弹性性能，用于建筑设计的地震作用会变小．研究者对结构非弹性滞回性能研究开始增加．地震作用的减小依赖于建筑物的质量和自振周期，因此工程师开始减少结构的质量，因为这样可以减少用于设计的地震作用．这些变化使得因防火保护和填充墙等引起的附加刚度降低．

梁柱高强螺栓连接很快被焊接连接所代替．由于在工程中应用时间比较短，且多采用与铆钉连接类似的方式，因此，高强螺栓连接节点的抗震性能研究相对较少．

1．3栓焊混合连接

20世纪60年代末期和70年代初期，焊接在钢结构梁柱连接中逐渐的被广泛采用．实际工程中多数采用梁翼缘与柱子翼缘全熔透焊接、梁腹板与柱翼缘螺栓连接的方式（如图2），通常称其为栓焊混合连

接．栓焊混合连接施工方便，经济性好，研究相对成熟

［4－6］，其滞回性能曲线饱满，刚度和强度稳定．另外，这种连接可以在梁上发展塑性，避免了连接部位脆性破坏发生．栓焊混合连接很快成为了标准的抗震连接形式．

1988年统一建筑规范（UBC ，1988）提高了腹板的抗剪承载力设计值．抗剪承载力提高是基于实验中

发现板域屈服可提供稳定可靠的耗能能力、具有更好的延性性能

［5－7］．大约从1988年开始，允许板域首先屈服，然后梁上再发展塑性．预期的栓焊混合连接破坏先后顺序如图3所示．

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