钢结构体系中节点耗能能力研究进展与关键技术

王军(长春黄金设计院,吉林长春 130000)



钢结构体系中节点耗能能力研究进展与关键技术

王军
(长春黄金设计院,吉林长春 130000)

【摘 要】为加强我国建筑事业的发展,相关技术不断的得到研究与更新。并且在发展过程中特别注意相关的问题,例如目前我们最关注的就是环保方面的问题,在钢结构体系的研究中也越来越注重这一点,越来越希望通过相应的手段来降低节点耗能能力。在钢结构体系中节点的耗能能力,虽然是节点性能的一种表现,更重要的是其能够决定着建筑的整体抗震性。要提高节点的耗能能力,可以从其不同构件入手研究。我们从钢结构体系节点耗能能力研究进展入手,并且分析其中的关键技术,作出相应的阐述。

【关键词】钢结构 节点 耗能 抗震

我国改革开放以来，相应的产业以及相应的技术得到了极大的发展，经济水平也有所提高，其中作为基础建设中的一个重点问题，关于钢结构的研究也在不断的深入，不仅仅是因为钢结构具有良好的性能，也因为钢结构是基础建设中不可或缺的一部分。钢结构具有许多良好的特点，建设中，国家所需要的横截面比较小，并且自身的抗震性能好，重量轻，相应的造价也较低。并且相应的生产也比较简单，可以进行批量生产。钢结构体系，对于环境的破坏程度也比较小，其相关的各种材料也可以进行回收利用。很好的满足了当今低碳生活的倡导，可以有效地减少投入，提高各个企业的收益。由于钢结构体系具有如上各种各样的优点以及其性能良好，所以拥有着广泛的应用前景。作为钢结构体系中的关键构件，钢结构体系的节点也具有重要的功能，可以通过节点形成结构整体，并且能够保证梁和柱的协同工作。钢结构体系的性能，以及其本身的特征会最终决定了工程的质量，严重影响着钢结构体系的稳定性以及他的承载能力。本文首先展开分析，主要针对的是近年来对于钢结构体系节点的抗震能力以及相关的技术，并且就钢结构体系技术的发展进行相应的探究，提出相应的改革措施，降低耗能，促进发展。

1 节点耗能技术回顾

1.1 铆钉连接

铆钉连接的出现时间最早，甚至在利用往前一阶段铁的结构时期就开始出现了，并且成为这一时期主要的连接方式。钢材于19世纪末期开始出现并应用于结构之间的连接，为了减少劳动力并且降低相应的支出，采用桁架式的组合构件。随着进程的发展，劳动力等各个方面的费用支出也在不断提高，为了节省费用改变了原来的方式采用热轧型钢截面构件来作为梁和柱，并且利用铆钉连接的方式来连接梁和柱。并且也考虑要对该结构进行防火保护，所以往往在节点的外面包裹素混凝土。在过去的这一段时期内，由于环境等各种因素的影响，仅仅考虑了其关于风荷载的设计，并没有相关抗震的设计，直到发展到1930年以后，人们才开始重视抗震问题。由于抗震作用的取值与当前的标准相比还是有很大不同的，相对较小。并且连接主要抗弯连接，冗余度较高。另外，就相关的非结构构件而言，例如常见的砌筑墙体和用作防火的混凝土其附加刚度相对较大，但是在实际的生产和建设过程中往往不会直接进行强度和耗能能力的计算，仅仅是按照相关的经验来进行设计。就相关的研究以及实际的地震情形发展来看，往往抗弯连接的结构冗余度较高，就滞回性能差异来看，抗弯连接特别大，并且多数连接延展性以及耗能的能力都较差。就我国以前的建筑而言，抗震能力主要是由于结构的冗余度和非结构构件的附加刚度来提供的，而钢结构的作用却相对较小。这也就说明了单个连接的性能对于整个结构的性能的影响并不是很大。

1.2 高强螺栓

发展到1960年，以往的铆钉连接的方式逐渐被替代，而高强螺栓技术则开始出现，及相关的细节问题和某种连接的差异性并不是很大，其中防火层的防火材料也被更新换代，当时的发展和当今的钢结构已经具有了一定的指导意义，尤其是在抗震能力方面。人们认识到，地震作用力可能非常大，但是如果考虑结构和连接几点的非弹性性能，用于建筑设计的地震作用会变小，并且对于结构的非弹性指挥效能研究就会开始增加。由于地震它本身特殊的作用与影响，考虑建筑物的质量以及自振周期，工程师可以减小结构的质量，这样也就大大的缓解了地震的影响。这些变化以及因素也会影响附加刚度，例如在防火保护以及填充墙等方面。新采用的高强螺栓连接节点的技术与伊朗的铆钉连接技术相比，虽然在技术上具有一定的类似性，但是其抗震性能更加优越。

1.3 栓焊混合连接

在发展中渐渐出现了一种新型的连接方式，也就是焊接技术，在发展中也得到了极大的推广与利用。在实际的生产与工程中，主要采用的焊接方式有两种，一种是梁翼缘与柱子翼缘全熔透焊接，另一种是梁腹板与柱翼缘螺栓连接的方式，通常称其为栓焊混合连接。在我国以及世界发展过程中，该技术的研究还是相对比较成熟的，并且具有良好的优点。不仅仅施工方便，而且具有良好的经济效益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，大约从1988年开始，允许板域首先屈服，然后梁上再发展塑性。

1.4 新时代发展

从21世纪开始，新技术开始出现，其中的典型代表就是预制混凝土框架结构中采用的后张拉技术。以技术在发展中被应用于钢框架的结构中。在结构的运用中开发了后张框架的节点。节点具有良好的性能，可以有效地降低能耗，并且可以有效地保证工程的质量。避免相邻的梁和柱的损伤以及变形。为促进我国相关事业的发展，国内研究者也进行研究，主要涉及以下几个方面：隔板贯通式节点、焊接和螺栓连接钢框架的节点域、钢结构半刚性端板连接、腹板双角钢梁柱节点以及长圆孔变型性高强螺栓节点，并进行了相应的理论以及并进行了效用理论与实践的研究。Yoo等、 Ber man等/ Okazak i等先后对中心支撑框架和屈曲约束支撑框架中支撑与梁、柱连接的板节点以及偏心支撑框架中连杆与柱的连接节点进行了试验和理论分析， 提出了保证其足够转动能力的构造改进措施。

2 当前节点形式的选择

与轻钢结构的各种良好的特点使得其迅速发展，并且在发展中形成了形式多样的轻钢结构。关于轻钢结构形式的发展，也是由于其优越性造成的，例如企业不仅仅能够节约钢材，并且相应的工程造价也非常低，工程的施工时间比较短，除此之外，其余外形外观均比较好，形成了极强的竞争优势。在这一体系和门式刚架中，要进行合理有效科学的设计，其中最重要的一部分就是关于连接节点的设计，只有保证了连接节点的科学设计，才能够有效地保证结构的整体性以及结构的可靠度，甚至可以降低成本，提高工作效率。在轻型门式刚架中，主要采用的是高强度螺栓的端板连接，并且利用该技术来连柱以及构件。由于节点属于关键技术，所以在之前就应该进行节点的选择，在技术的选择过程中应该注意结构构件的选用，可

以根据传力特性来进行选择，一般主要有钢节点、半钢节点以及铰节点，在选择中要保证其合理性与科学性。

下面就节点涉及的相关问题进行简要叙述。

2.1 节点设计注意事项

在节点设计的过程中要综合考虑各种因素，首先要考虑施工空间与构件吊装顺序。在工程中往往会出现这种情况，到达施工现场之后主要构件不能够有效地安装，这是应该注意的问题。另外还应该注意要使工人方便的进行现场定位，并且可以对节点进行临时加固。

2.2 节点中使用螺栓分析

关于螺栓连接主要有两种方式，一种是普通的螺栓连接，用一种是高强度螺栓连接。普通的螺栓连接和高强度的螺栓连接是有一定区别的，首先普通的螺栓连接往往用于较次要的部位，这样的部位往往要求的抗剪性较低。而高强度螺栓连接的优越性，主要体现在高强度。其主要分为两类，一类是摩擦型，一类是承压型。其中摩擦型应用相对较广泛，常用8.8s和10.9s两个强度等级。高强螺栓最小规格为M12，常用M16～M30。超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。

2.3 考虑基建设计中制造厂工艺水平

就长期的实践与理论研究可以发现，目前最常用的轻型钢结构，主要采用最经济的短板连接方式，可以有效地避免现场焊接的这种现象，也成为了目前抗弯连接最主要的形式。该技术主要分为三大类，一是刚性节点，二是非刚性节点，最后还有一类是铰接节点.。但是由于半刚性节点它本身具有一定的弊端，所以利用的也相对较少。并且在时代的发展过程中，各种新型的节点连接方式不断出现，给该领域注入了强劲的动力。因此在节点的选择过程中，一定要做到综合考虑，做到合理科学。

3 利用节点耗能能力的关键问题

在节点的构件当中，其中重要的一部分是破坏模式，其影响着耗能的能力。甚至破坏模式的顺序以及他发展的程度也会影响各项指数。分析节点破坏模式与构件破坏模式之间的影响和制约机制。实现节点耗能有效利用的构造措施。

4 结语

在结构梁柱节点中，节点具有重要的作用，相关研究也在不断深入，而加强其耗能功能也具有重要的意义，降低能耗的基础上有助于提高中期的抗震性能。希望相关的研究能够对于该领域的发展起到一个推动作用，不断改进与创新。

参考文献:

[1]陈以一,王伟,赵宪忠.钢结构体系中节点耗能能力研究进展与关键技术[J].建筑结构学报,2010,06:81-88.

[2]张冬芳.复式钢管混凝土柱—钢梁节点力学性能研究[D].长安大学,2013.