Analysis of Beam-column Joints in Island Steel Structure Buildings
李彬①② LI Bin；高屹② GAO Yi
（①海军工程大学，武汉 430000 ②海军勤务学院，天津 300450）
（①Naval Uninersity of Engineering，Wuhan 430000，China；②Naval Logistics Academy，Tianjin 300450，China）
摘要：目前，钢结构住宅在全世界引起高度重视，其节能环保，便捷高效等特点极大的满足现代工程的建设需要，同时，钢结构房屋梁柱节点形式对于研究其安全性与耐久性尤为重要，但在远海岛礁，由于气候条件，场地以及施工条件等等原因的限制，选取合适的节点连接方式势在必行，本文通过分析常见的几种钢结构房屋梁柱连接方式，以用于实际工程远海岛礁工程的建设与施工。
Abstract: At present, steel structure houses are highly valued all over the world. Their energy saving, environmental protection, convenience and high efficiency can meet the needs of modern engineering construction. At the same time, the beam-column joint form of steel structure is especially important for studying its safety and durability. But in the remote island reef, due to climatic conditions, site and construction conditions, etc., it is imperative to choose the appropriate node connection method. This paper analyzes the common beam-column connection of several steel structure houses to provide reference for the construction of the actual offshore reef project.
关键词：钢结构住宅；梁柱节点；岛礁工程
Key words: steel structure；beam-column node；island reef engineering
中图分类号：TU393 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）36-0151-04
0 引言
上个世纪初，随着城市人口数量的急剧增长，住房开始出现供应不足的状况、房价暴涨，加之传统混凝土结构住宅存在的固有缺陷。人们开始将目光投向预制装配式建筑物的领域中[1]。经过几十年的研究探索，西方国家已经将诸多理念付诸实践，形成较为成熟的设计施工技术，开创了一套先进高效的装配式建筑体系，因此开展对钢结构房屋节点连接方式的研究具有着重大的意义。但由于远海岛礁施工条件的种种限制，并综合考量建筑物的节能与环保，需要对常见的节点连接方式进行优化分析选取。
1 常见的梁柱节点连接方式
在装配式钢结构的连接中梁柱节点的连接尤为重要，根据以往经验得知，大多数钢结构建筑物的破坏往往由于梁柱连接节点的破坏引起的，节点连接方式的好坏甚至直接很大程度上决定了建筑物的安全性。
在装配式钢结构的梁柱节点连接方式上大致分为以下几种[2]：①刚性连接；②半刚性连接；③铰接。
其分类方式以连接传递弯矩的能力为依据。
①当梁柱为钢接时，连接既能传递梁端剪力亦能传递梁端的弯矩。②当梁柱为半钢接时，连接能传递梁端剪力，但仅能传递梁端1/4的弯矩。③当梁柱为铰接时，连接仅能传递梁端剪力，而不能或者传递很微小一部分梁端弯矩。
2 框架梁结构
2.1 刚性节点连接
框架梁结构刚性节点连接类型分为以下三种[3]：①混合连接方式；②全焊接连接方式；③T型钢连接方式。
其中混合连接方式常见做法是将梁的上下翼缘焊接于钢柱表面之上，梁的腹板采用角钢利用高强螺栓使其与柱固定（如图1所示）。全焊接连接方式是指将梁的上下翼缘以及腹板剖面与钢柱焊接，形成一个整体（如图2所示），但由于焊接水平的高要求也导致施工工艺的复杂化，不太适用于岛礁工程的快速简洁施工，同时该做法也易导致应力集中，造成节点破坏，T型钢连接方式指的是采用T型钢将梁柱的翼缘通过高强螺栓相连接（如图3所示），此方法有效缓解了应力集中的问题，在业界也有学者称为大刚度半刚性连接，针对目前的条件适用性能较强。
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2.2半刚性节点连接
框架梁结构半刚性节点连接方式较多，常见的半刚性节点连接的类型分为以下三种[3]：①腹板双角钢连接；②顶底角钢连接；③腹板单角钢或单板连接。
其中腹板双角钢连接的做法是采用两个角钢或者钢板将梁的腹板与柱采用高强螺栓连接在一起（如图4），采用此种方案大约能承受完全刚接节点弯矩的五分之一。顶底角钢连接的做法为采用两个角钢将梁的上下翼缘分别与柱相连（如图5）。腹板单角钢或单板连接指的是仅有一侧腹板用角钢与柱相连（如图6），该种方式刚度较小，作用效果类似于柔性连接。考虑岛礁较强风荷载以及地震等因素的影响，易对半刚性连接节点造成破坏，加之目前研究文献较少，此方案应用较少。
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2.3 铰接节点连接
在框架梁结构中，常见的铰接节点做法是[4]：将钢梁腹板与焊在柱上的连接件通过螺栓连接（如图7所示），铰接节点虽然构造简单，施工便捷，经济效益较高，但由于其整体的抗侧向能力不足，但由于岛礁的特殊条件，比如台风的限制，该种节点连接方式的应用较少。
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3 方钢管混凝土梁柱结构
3.1 刚性节点连接
方钢管混凝土梁柱结构的刚性节点连接有多种方式[5]，本文着重分析以下两种方案：①带悬臂梁段的内隔板式刚接节点；②外隔板式刚接节点。
其中带悬臂梁段的内隔板式刚接节点的具体做法为：在钢柱上预焊接一段短钢梁，随后将钢梁翼缘与预焊短钢梁焊接连接，同时采用高强螺栓将钢梁腹板与短钢腹板相接。（如图8所示）这种做法的优点在于能够保证内隔板与梁翼缘处于同一平面，使节点达到刚性要求。同时也存在运输不便等问题，岛礁施工运输条件有限，该方法的应用还值得商榷。外隔板式刚接节点的具体做法为：将钢梁的翼缘与外隔板焊接连接，同时用高强螺栓将钢梁的腹板与短钢腹板相连接。（如图9所示）这种做法虽占用空间稍大，但确实有效的缓解了应力集中所产生的质量安全问题，本着安全第一的想法，此方案应当予以考虑。
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3.2 半刚性节点连接
方钢管混凝土梁柱结构的半刚性节点方式较多[5]，这里例举一种较为新颖的方案，即：长螺栓连接的半刚性节点。该方案的做法是，通过角钢将梁的上下翼缘与钢管相连，其中角钢与钢梁相连部分采用普通高强螺栓，与钢管相连部分采用贯通钢管的长高强螺栓（如图10所示）。该方法抗震性能良好，但其工艺较为复杂，也易导致钢管局部应力集中，造成损害，同时由于岛礁长期高湿高盐的气候特性，纯螺栓连接易导致节点锈蚀，造成节点破坏，所以应当尽可能避免该方式的选取，或者添加防腐涂层。
3.3 铰接节点连接
本文例举一种铰接节点连接方案，该方案的具体做法是[6]：使用高强螺栓将连接件与钢梁腹板相接，其中连接件与钢管采用焊接连接（如图11所示），也可在钢梁下翼缘设置角钢，用于分担螺栓所承担的剪力，该方法设计简易，受力特征明确，但是结构整体抗侧刚度较小，由于岛礁台风较多较强，所以工程应用较少。
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4 圆钢管混凝土梁柱结构
4.1 刚性节点连接
圆钢管混凝土梁柱结构的刚性节点连接有多种方式，常见的有以下三种方案[7] [8][9]：①加强环节点；②锚定板式节点；③十字板式节点。
其中，强环节点分为内加强环和外加强环两种，具体的做法为：该节点将钢梁翼缘上下环板对齐连接（多采用焊接），钢梁腹板般通过高强螺栓锚固或者采用焊接方式与环板间的竖向板相连接，此类节点刚度大，传力简单，承载力较大。但外加强板占用面积较大影响建筑物美观；内加强环板节点施工难度大，一般用于直径大于1米的钢管混凝土结构，如若直径过小则易导致浇筑困难。（如图12所示）由于岛礁快速便捷装配的需求，这两种方案应当优先考虑外加强板做法；锚定板式节点的做法为：在钢管内壁正对钢梁上下翼缘处焊接一个T形锚板，随后浇筑浇筑混凝土，此类节点的特点是：刚度较小，节约材料，可应用于受力较小的节点连接，但由于要在其内部焊接T型构件，其施工工艺较为复杂，需要较为优化的施工方案（如图13所示）。十字板式的做法为：在节点区钢管混凝土柱内设置十字加劲板。这种构造措施加强了节点区域的刚度，提高了节点承载能力，但十字加劲板的存在也带来一些问题，首先是焊接十字板工艺要求较高，在管内操作不是特别便利，其次管内的构造也很大程度影响了混凝土的浇筑和振捣。最后由于十字加劲板的焊接区域较大，使得钢管壁受焊接热影响的区域较大，对抗震性能影响较大，岛礁地质活动频繁，该方法选用应当慎重。（如图14所示）
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4.2半刚性节点连接
圆钢管混凝土梁柱结构的半刚性节点方式众多，通常采用单边螺栓连接方案，本文具体介绍其两种常见的两种连接方案[9] ：①外伸端板连接；②齐平端板连接。
其中外伸端板连接的做法是：取用比钢梁高度稍大的弧形端板，钢梁和端板之间采用焊接方式，柱翼缘和端板采用螺栓连接，此类节点的抗震性能良好（如图15所示）。齐平端板连接的做法是：取用与钢梁高度相当的弧形端板，钢梁和端板之间同样采用焊接，柱翼缘和端板采用螺栓连接，这种半刚性连接节点形式不仅经济合理，减轻建筑质量，而且可以降低层间高度，提高抗震性能（如图16所示），综合考虑岛礁实际施工所需要的便捷经济环保等要求，该方案值得提倡。
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4.3 铰接节点连接
圆钢管混凝土梁柱结构的铰接节点在岛礁结构的用途较少，其做法与方钢管混凝土梁柱铰接连接方法类似，工程通常做法为：在圆钢管外侧焊制连接件，连接件与钢梁的腹板对齐，并采用高强螺栓将二者相连接。（如图17所示）
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5 结语
装配式钢结构房屋的迅速崛起使得钢结构房屋的节点连接技术愈发重要，本文通过详细分析了适用于岛礁的钢框架结构以及钢管混凝土结构的梁柱节点连接方案，总结了工程的常见施工方法，为进一步的工程实践夯实了基础，但是由于岛礁高湿高盐地质活动频繁等诸多特点，合理有效的防腐（电镀，化学涂层等）以及节点的再加固工作必须做到细处，与此同时关于施工工艺的进一步优化以及连接材料力学性能的研究等方面，仍需要进一步的研究与探索。
参考文献：
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