一種新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節點的設計與應用研究

馬振宇，朱 凱，汪慧琳

（蘇州農業職業技術學院 園林工程學院，江蘇 蘇州 215008）

2021 年10 月，中國鋼結構協會發布了《鋼結構行業“十四五”規劃及2035 年遠景目標》，提出鋼結構行業“十四五”期間發展目標：到2025 年年底，全國鋼結構用量達到1.4 億t 左右，鋼結構建筑占新建建筑面積比例達到15%以上。到2035 年，我國鋼結構建筑應用達到中等發達國家水平，鋼結構用鋼量達到每年2.0 億t 以上，鋼結構建筑占新建建筑面積比例逐步達到40%，基本實現鋼結構智能建造。2022 年2 月住房和城鄉建設部發布《“十四五”建筑業發展規劃》，規劃要求，要大力發展裝配式建筑，構建裝配式建筑標準化設計和生產體系，擴大標準化構件和部品部件使用規模，提高裝配式建筑綜合效益。規劃明確，裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%以上，預計到2035 年，建筑業發展質量和效益大幅提升，建筑工業化全面實現，建筑品質顯著提升，這預示著我國的裝配式鋼結構將有廣闊的發展空間，勢必推動我國裝配式鋼結構體系的快速發展。

在裝配式輕鋼結構中，梁柱連接節點一直是重中之重。梁柱節點處于結構的關鍵部位，受力頗為復雜，往往處于復合受力狀態。梁柱節點對裝配式結構的抗震性能有直接影響。此外，梁柱節點要和周邊預制構件進行組裝，影響施工進度。性能優良的梁柱連接節點應具有安裝簡單、快捷，變形能力強，延性性能好，不易發生脆性失效破壞。當前，常用的做法有3 種：①局部改進，對傳統焊接節點的柱翼緣進行加焊或補焊；②削弱型節點，削弱梁端翼緣截面或腹板截面，如“狗骨式”節點；③加強型節點，直接對節點區域進行加強，如梁端翼緣加蓋板。本文研究的裝配式連接節點是采用節點端部箱體與拼接短柱焊接的方式來加強柱端，避免梁柱連接處斷裂，迫使塑性發展集中在節點端部箱體與豎腹桿空腹節間的弦桿處，確保節點具有良好的力學性能。

目前，國內外學者已開展了大量的鋼結構裝配式梁柱節點的研發工作，但是關于鋼管柱桁架梁節點的研究并不多。在裝配式鋼結構體系中，方鋼管柱截面構件有以下優點：①方鋼管截面對各主軸的慣性矩相同，有利于在不設置柱間支撐的情況下實現等穩設計；②截面材料距離抗彎主軸較遠，材料使用少，抗彎剛度大，經濟性好；③閉口截面的抗扭剛度大；④可以和混凝土配合使用，顯著增強承載力和剛度；⑤相比于開口截面構件，閉口方鋼管截面在同等承載力下，表面積更小，防腐防涂料用量更少。

本文提出了一種新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節點，通過將桁架梁焊接于梁端箱體，箱體直接焊接于拼接短柱之上，拼接短柱嵌入至矩形鋼管柱中，并通過法蘭實現與鋼柱的可靠拼接。所提出的裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節點解決了螺栓在鋼管柱內部無法施加預緊力的問題，也能加快施工進度，并具有可靠的力學性能。

1 裝配式梁柱連接節點的研究現狀

馬強強等[1]提出了一種采用對穿螺栓連接的裝配式矩形鋼管柱與H 形鋼梁外伸端板節點。外套筒通過對穿螺栓與柱相連，既連接了上、下柱，還加強了節點剛度，而水平蓋板的布置使得梁端塑性鉸外移，以實現預期效果。但該種節點并沒有解決對穿螺栓需要在柱截面二次開孔，柱截面被削弱的問題。Deng 等[2]提出了一種全預制抗損傷梁柱連接節點，對4 個足尺節點試件進行了循環加載試驗，試驗結果表明：節點正向初始剛度高于負向初始剛度，節點具有良好的耗能能力和變形性能。Jiang 等[3]基于控制損傷的思想，提出了一種T 型抗震預制梁柱節點。對5 個節點進行了循環加載試驗，結果表明，該節點可以有效利用法蘭蓋板的塑性變形及蓋板與螺栓的摩擦滑移進行耗能；法蘭板厚度對節點的承載能力以及屈服荷載有顯著的影響，合理選擇懸臂梁與普通梁段的間距可以保證節點的轉動性能。Liu 等[4]提出一種新型全螺栓連接的方管柱桁架梁節點，節點通過法蘭板連接柱段，通過延伸的蓋板連接桁架梁。節點剛度可以通過調整螺栓的數量或尺寸來控制，并且隨著荷載經歷階梯式變化。用有限元方法研究了不同摩擦系數、螺栓孔壁壓力和螺栓尺寸對節點性能的影響。此外，還提出了滑移狀態下的節點簡化計算公式。李普等[5]提出了一種方鋼管柱桁架梁連接節點，節點主要由方鋼管柱、桁架梁、槽鋼組成，桁架梁通過槽鋼與方鋼管柱連接。所完成的2 個足尺試件的單調加載與往復加載試驗結果表明此類節點的破壞均始于腹桿，終于弦桿撕裂；Khan 等[6]提出了一種新型的預制螺栓連接梁柱節點，利用ABAQUS 軟件對節點進行了有限元分析，結果表明：在橫向荷載作用下，由于上下接頭之間存在間隙，導致了前梁的承載失效；柱榫的長度、模塊間間隙對節點的承載能力和結構性能有一定的影響。

2 目前研究存在的不足

從國內外相關研究文獻可知，盡管國內外對鋼結構梁柱節點已進行一系列研究，但仍存在一定不足。

（1）國內外關于鋼管柱桁架梁連接節點的相關研究較少，在現實中該類節點應用并不廣泛；

（2）已有的裝配式梁柱節點研究主要集中了鋼柱與型鋼梁連接節點的力學性能，關于鋼管柱桁架梁連接節點的合理裝配構造仍缺乏研究；

（3）鋼管柱節點能夠提高施工效率，加快施工進度，但是對于套筒類節點，套筒與模塊之間不合理的間隙會大大影響施工效率。

3 試件設計

本文共設計了2 個足尺的裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節點，試件編號Connection-1~2。裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節點主要由方管柱、拼接短柱、高強螺栓及輕鋼桁架梁組成（圖1）。為確保桁架梁與鋼柱之間可靠連接，引入了矩形箱體與鋼柱可靠焊接。通常情況下，桁架梁的上、下弦桿采用幾字形冷彎薄壁型鋼，桁架梁腹桿采用矩形鋼管。桁架梁的弦桿與桁架梁端部矩形箱體之間采用焊接連接，豎腹桿、斜腹桿與弦桿之間采用自攻螺釘及焊接組合的連接方式。桁架梁可在工廠制作時預先安裝自攻螺釘，后進行焊接，方便裝配。

圖1 裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節點的組成

試件Connection-1 為該體系的T 形邊節點，桁架梁弦桿截面均為C80 mm×96 mm×3 mm 卷邊槽鋼，腹桿截面為□90 mm×30 mm×2 mm 矩形鋼管。試件Connection-2 為該體系的十字形中節點，桁架梁弦桿截面均為C80 mm×94 mm×2 mm 卷邊槽鋼，腹桿截面采用矩形鋼管□90 mm×30 mm×2 mm。所有試件弦桿兩端卷邊長度分別為5 mm 和30 mm，腹桿與弦桿之間采用2 顆自攻螺釘和側面角焊縫連接。桁架梁與方鋼管短柱□94 mm×6 mm 相連，且該短柱兩端設計為錐形，便于現場安裝就位。同時，為保證梁柱連接節點端部區域的可靠性，設計了拼接箱體，該箱體寬180 mm，高294 mm，采用厚度為6 mm 的鋼板制作。節點試件的詳細信息見表1。圖2 給出了4 個裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節點試件的具體尺寸。

表1 裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節點的詳細信息 mm

圖2 裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁節點的幾何尺寸（單位：mm）

4 應用前景

這種新型裝配式節點具有易于實現工業化生產、便于機械吊裝、裝配率高，可顯著縮短施工周期，便于拆卸異地重建。新型裝配式節點特點鮮明，已經在現實中開展應用。在實際施工過程中為解決套筒與模塊之間的間隙問題，加快施工速度，防止在安裝過程中出現卡頓現象，將所有拼接短柱上下端頭截面縮小，做成導向頭方便實際安裝。新型插入式連接節點，制作安裝簡便，可實現組合樓板、輕型桁架梁的一體化施工和快速吊裝，大幅度縮短施工工期，如圖3 所示。

圖3 新型插入式連接節點

一體化桁架梁組合樓蓋水平體系由桁架梁格、節點套管連接件、矩形鋼管次梁及壓型鋼板組合樓板4部分組成，如圖4 所示。桁架梁中弦桿與腹桿采用自攻螺釘連接，其余構架采用焊接。一體化桁架梁組合樓蓋，實現樓蓋和桁架梁一體化，并實現工業化生產，大幅度縮短施工周期，提高新型結構的裝配率。

圖4 一體化桁架梁組合樓蓋水平體系

一體化桁架梁組合樓蓋水平體系運至現場后，壓型鋼板組合樓板直接插入鋼管柱內并通過高強螺栓實現連接，形成新型結構體系如圖5 所示。由于樓蓋系統、套筒柱及輕鋼桁架梁均在工廠內事先加工完成，相較于傳統的現場澆筑，工廠化制作的建筑模塊更具模塊化、參數化、標準化的特點，同時因為是工廠內預制，不會出現傳統的現場制作而出現的粉塵污染、噪聲污染等問題，更加符合現代綠色化生產的理念[7]。樓蓋系統、套筒柱、輕鋼桁架梁在工廠內制作完成后運至現場，將樓蓋系統的拼接短柱插入方管鋼柱內，并通過法蘭板采用20 顆10.9 級M14 高強螺栓與鋼柱實現可靠連接，從而實現現場的快速裝配。

圖5 裝配式輕鋼樓蓋系統

5 結論

本文提出了一種新型裝配式鋼管柱輕鋼桁架梁連接節點，明確了該種節點的裝配方式及具體模塊尺寸，為套筒柱輕鋼桁架梁連接節點的合理裝配構造提供了新思路。該節點可以和一體化桁架梁組合樓蓋水平體系通過高強螺栓連接形成裝配式輕鋼樓蓋系統，能夠實現建筑的快速建造，無需焊接，避免了施工環境及施工條件造成的焊縫質量得不到保證的問題。工廠內預制可以減少噪聲、粉塵等污染，復合我國現代建筑綠色化生產的理念，同時建筑模塊也更加參數化、標準化，加速我國建筑工業化及產業化的進程。