钢结构端板连接研究动态与展望.pdf

余飞等 钢结构端板连接研究动态与展望 3 7 DOI 1 0 ． 1 3 9 0 5 ／ j ． c n k i ． a w j z ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 1 4 钢结构 端板连接研究动态与展 望 余飞， 李军 青岛理工大学土木工程学院。 山东青 岛2 6 6 0 3 3 【 摘要】 对国内外近五年来钢结构端板连接相关研究的关键内容及方法等进行综述和简评 ， 归纳总结了 国内外端板连接的热点问题， 并从端板连接力学性能、 端板连接组合节点性能、 火灾情况下端板连接性能以及新 型端板连接节点几个方面分别进行阐述， 进而对未来一段时间有必要关注的重要问题进行展望。 【 关键词】 端板连接； 组合节点 ； 新型节点 【 中图分类号】 T U 3 9 1 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 5 0 5 0 0 3 7 0 4 RES EARCH TRENDS AND P RoS PECT oF END． P LAT E CoNNECTI oNS I N S TEEL S TRUCTURE YU F e i ，L I J u n S c h o o l o f C i v i l E n g i ． ， Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l U n i v ． ，S h a n d o n g Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3， C h i n a Abs t r a c t I n t hi s p a p e r ， t h e k e y c o n t e n t s a n d me t h o d s o f e n d p l a t e c o n n e c t i o n s i n s t e e l s t r uc t u r e a r e r e v i e we d a n d b ri e fl y r e p o r t e d a r o u n d t h e r e l a t e d r e s e a r c h e s o f t h e r e c e n t fi v e y e a r s a t h o me a n d a b r o a d ． T h e d o me s t i c a n d f o r e i g n h o t i s s u e s o f r e s e a r c h ab o u t t h e e n d p l a t e c o n n e c t i o n s are s u mma r i z e d， a n d s e v - e r al a s p e c t s a b o u t me c h a n i c a l p r o p e rti e s o f e n d p l a t e c o n n e c t i o ns ，t h e p r o p e r t i e s o f e n d- p l a t e c o mp o s i t e c o n n e c t i o n s ，t h e e n d p l a t e c o n n e c t i o n s p r o p e rti e s i n t h e c a s e o f fi r e a n d t h e n e w t y p e o f e n d - p l a t e c o n n e c - t i o ns are d e s c rib e d ．Th e n t h e n e c e s s a r y f o c u s e s o n t h e i mp o rta n t i s s u e s i n t h e n e ar f u t u r e a r e p r e d i c t e d ． Ke y wo r d s e nd p l a t e c o n ne c t i o n；c o mp o s i t e c o nn e c t i o n；n e w t y pe o f c o n ne c t i o n 钢结构框架梁柱节点是结构设计中的关键部位 ， 根据 转动刚度的不同， 分为刚性连接、 柔性连接和半刚性连接 ， 其中半刚性连接的框架在延性耗能方面具有优势。端板连 接节点是半刚性节点的一种 ， 主要由端板、 高强螺栓、 柱翼 缘和腹板、 加劲肋组成， 具有连接性能好、 质量容易控制、 焊 接质量高 、 抗震性能好、 无需现场焊接、 安装施工简单等优 点。在欧美等国家和地区， 端板连接主要应用于低层和高 层框架结构中。我国由于起步晚， 这种连接形式主要应用 于轻型门式刚架厂房中， 在民用钢结构房屋中应用甚少。 ⋯ 因此， 实际工程中应对一些尚未定论的问题加以注意。 1 端板连接研究中新近的热点问题 端板连接力学性能的研究一直以来为国内外学者们所 关注， 从不同侧重点展开的试验和数值模拟研究成果居多。 随着组合结构在高层建筑中大量应用， 端板连接组合节点 性能的研究成为热点， 其节点形式多样 ， 包括型钢混凝土组 合节点、 方钢管混凝土组合节点、 圆钢管混凝土组合节点、 钢骨钢管混凝土组合节点和蜂窝梁钢管混凝土组合节点 等。近年来， 国内外学者对火灾情况下端板连接性能也展 开了研究， 与此同时， 随着钢结构的应用与发展 ， 还出现了 从不同应用角度考虑的新型端板连接节点。基于端板连接 [ 基金项 目1 山东省住房和城乡建设厅研 究开发项 目 K Y 0 6 0 研究的多样性和应用的紧迫性 ， 有必要把握最新研究动态 ， 以便准确及时地展开后续研究。文中从以下几方面进行综 合分析 ①端板连接力学性能； ②端板连接组合节点性能 ； ③火灾情况下端板连接性能 ； ④新型端板连接节点。 2 端板连接力学性能 早些年， 由于我国钢结构设计规范缺乏 明确的端板连 接设计理论作为支撑 ， 国内主要是通过单向加载和循环加 载试验来研究端板连接的力学性能。2 0 1 0年 以后 ， 国内关 于端板连接的试验很少， 研究多以既往 的试验为依据验证 有限元数值模拟的有效性和准确性 J 。端板连接 的三种 形式 外伸端板连接 、 平齐端板连接、 内缩端板连接 中， 外 伸端板连接应用较多。近两年国内采用数值模拟方法研究 了外伸端板与平齐端板连接性能差别 ．2 J ， 进一步证 明外伸 端板连接具有良好的延性、 耗能能力和承载能力， 更适合于 应用到工程实际中。 由于端板连接组成构件 比较多， 各连接件之间存在着 复杂的接触关系。为探究各连接组成构件对端板连接性能 的影响， 国内研究者通过改变端板连接的参数 端板厚度、 加劲肋、 螺栓直径、 螺栓排列等 研究外伸端板连接力学性 能， 指出 端板厚度、 端板加劲肋和柱腹板加劲肋是影响端 3 8 低温建筑技术 2 0 1 5年第 5期 总第 2 0 3期 板连接性能的主要因素 引， 而撬力的大小和分布主要与端 板厚度、 螺栓刚度、 螺栓排列有关⋯。 寮 荨 a 】 圆形螺栓排列 矩形螺栓排列 图l 圆形与矩形螺栓排列 英寸 高强螺栓的预拉力影响近年也受到国内关注。端板连 接实际施工中， 可能存在施工人员的控制偏差导致的欠拧 或超拧问题。采用有限元分析方法研究不同的张拉程度对 节点转动能力的影响 引， 具有工程意义。 1 不对称外伸端板连接 不对称外伸端板连接 【 c 平齐端板连接 图2 不对称外伸端板连接与平齐端板连接 国外近年来对于端板连接的研究改变了传统的研究模 式 ， 而是把更多 目光投向不同的螺栓排列方式和非对称外 伸端板连接这两个方面。R o o z b e h K i a m a n e s h等采用有限元 模拟方法对图 1 所示试件中圆形螺栓排列与矩形螺栓排列 对连接力学性能的影响进行了研究 ， 结果表明， 圆形螺栓 排列可以更好地提高节点的极限弯矩和耗能能力。G a r y S ． P r i n z 等为研究不同螺栓排列方式对图2所示一端外伸一端 平齐端板连接和平齐端板连接的性能的影响， 设计了“ 强梁 弱柱” 和“ 等强梁柱” 两组试件， 结果表明 无论是哪组试件 ， 一 排设置多个螺栓能够增大节点的极限弯矩和极限强度， 而不对称外伸端板连接比平齐端板连接具有更好的极限强 度 。A ．L o u r e i r o等研究了钢框架不对称外伸端板强轴连 接与对称外伸端板弱轴连接两者之间的相互影响 图 3 ， 结 果表明 弱轴的荷载使得强轴的受拉区增大 、 受压区变得更 加敏感 ， 同时也使强轴的初始转动刚度略有增加 J 。 由此看出， 国内外近年来对于端板连接力学性能研究 的侧重点不尽相 同， 国内研究主要集中在传统端板连接的 优化方面。国外则提 出了新型的螺栓排列形式， 对于非传 统形式端板和强弱轴均采用端板形式的节点有必要进行更 深入的研究 ， 以适应钢结构工业化发展的要求。但是， 端板 连接由多个不同的构件组成 ， 存在着复杂的接触关系 ， 各构 件对结构的性能有着不同程度的影响， 再加上钢材的初始 缺陷、 焊接残余应力、 残余变形 以及应用过程中的损伤等， 因此端板连接的力学性能研究不能停滞。 a 三维端板连接 h 不对称外伸 c 对称外伸端 半刚性节点 端板连接 板连接 圉3 不对称与对称外伸螭板连接 3 端板连接组合节点性能 端板连接组合节点属于半刚性连接的范畴， 近年在理 论分析、 数值模拟和试验研究三方面均有进展 。理论 方面， 研究了方钢管钢骨混凝土柱与钢梁端板连接的节点 弯矩 一转角曲线， 提出了平齐端板连接和外伸端板连接组 合节点在负弯矩作用下的承载力计算公式。通过大量的试 验与有限元模拟研究， 明确了端板类型、 端板厚度和柱截面 类型对组合节点承载力和刚度的影响程度； 指出相同厚度 的端板， 圆钢管混凝土组合节点 比方钢管混凝土组合节点 的抗弯承载力和初始刚度大； 端板厚度越大， 节点的抗弯承 载力和初始刚度越大； 外伸端板连接的承载力和初始刚度 比平齐端板连接 的要大 。 随着组合结构在工业化建设中应用的增加， 端板连接组 合节点的受力性能和设计方法方面尚有很大的研究空间。 4火灾情 况下端板连接性能 对于考虑火灾的端板连接 目前采用试验和有限元分析 两种方法进行研究 采用试验方法研究端板连接火灾下的 耐火时间、 变形情况和破坏模式 ； 采用有限元分析法研究火 灾下节点处弯矩 一转角关系随温度的变化、 受力、 变形特征 及破坏过程。 研究表明 “ 由于内缩式端板连接在火灾情况下端 板先于梁腹板在其连接处附近发生剪切破坏， 而外伸式端 板连接的破坏形式表现为柱失稳， 加劲肋作用便 凸显出来， 可以提高节点强度和防火能力， 防止结构垮塌。 火灾情况下， 端板连接组合节点的端板宽度 、钢管厚 度、 钢材强度和螺栓直径对高温下节点抗弯承载力和初始 转动刚度影响较大_ 】 。因此 ， 火灾下端板连接组合节点的 力学性能研究也很重要。文献[ 1 6 ] 通过抗火性能试验研究 了平端板组合节点在高温作用下， 梁端有、 无轴向约束时的 节点承载能力和变形能力。高温作用下的端板连接组合节 余飞等 钢结构端板连接研究动态与展望 3 9 点由于受热胀冷缩影响， 梁产生附加轴向力， 会影响到节点 的力学性 能和耐火性能。 5 新 型端 板连 接节点 端板连接节点具有满足现场装配、 施工效率高、 质量容 易保证 、 抗震性能好等优点。为了促进端板连接更加广泛 地应用 ， 近年端板连接节点在构造上呈现出了多样性。 图4 加腋型端板连接 图5 角钢一 钢板高强螺栓连接 图4为在传统外伸端板连接节点基础之上提出的一种新 型节点， 图中4 为梁加劲板， 布置在梁两侧 ； 5 为梁加腋翼缘 ； 6 为梁加腋腹板。节点加腋后具有较好的刚度和延性_ 】 。 图 5为考虑到施工中的管线铺设问题而提出的一种新 型外伸端板连接节点L 1 8 ] 。这种新型节点采用了角钢和钢板 高强螺栓连接的加劲方式， 改变了传统的柱节点域加劲肋 形式， 既满足建筑管线沿着柱子长度方向通畅铺设， 不需在 节点域处中断， 而且也较近年被提出的采用槽钢加劲肋的 节点便于施工， 适于弱轴方 向采用端板连接的情况。研究 表明 这种节点具有较好抗震性能， 适用于实际工程中。 新型节点的设计是为满足特定功能要求而设计 的， 或 许存在某方面的不足， 但是其功能和力学性能是创新设计 所追求的根本。 6结语 综上所述， 传统的端板连接、 组合节点端板连接以及新 型端板连接都属于半刚性节点， 具有较好的延性和抗震性 能。无论是研究传统的端板连接、 组合节点端板连接， 还是 考虑火灾作用研究端板连接， 结果都表明外伸端板连接 比 平齐和内缩端板连接具有更好的连接性能， 而端板厚度、 端 板加劲肋和柱腹板加劲肋是影响端板连接性能的主要 因 素。为了合理有效地应用于实际工程 ， 以下问题值得进一 步研究 1 端板连接各构件之间存在着复杂的接触非线性 ， 迄今为止被关注最多的是高强螺栓连接。其力学性能的影 响因素诸多， 如焊接部位的焊接残余应力、 残余变形和应用 过程中的损伤等往往都被忽略， 这些方面需要进一步研究。 2 国内外 目前对端板连接半刚性节点的力学性能 研究的比较多 ， 在结构抗震设计方法研究方面涉及的比较 少， 在推广使用端板连接框架结构之前 ， 有必要针对不同抗 震等级提出实用的端板连接半刚性节点抗震设计方法。 3 端板连接研究中包括有端板加劲肋和无端板加 劲肋之分， 目前 国内端板连接组合节点的研究都是无端板 加劲肋情况下的力学性能 ， 有端板加劲肋对端板连接组合 节点性能的影响有待于进一步研究。 4 国内外对于端板连接半刚性节点在火灾下受力 性能的研究虽有一定进展， 各国钢结构抗火设计规范对这 一 方面的规定尚不充分， 因此 ， 端板连接节点抗火设计指标 需要深入研究。迄今为止大多数研究集 中在升温阶段的受 力性能上 ， 降温阶段由于冷却收缩作用会产生附加力和变 形， 可能会存在潜在危险， 所以降温阶段的研究不容忽视。 5 端板连接组合节点在未来工业化建设 中有望发 挥重要作用 ， 端板连接组合节点的受力性能和设计方法方 面 尚有很大 的研究空 间。 6 为满足工程中特定功能的要求， 克服现有端板连 接节点在性能或功能上的不足， 有必要进行更加多样化的 新型端板连接研究。 参考文献 [ 1 ] 王来， 刘伯顺 ， 薛勇．端板连接半刚性钢框架节点抗震性能分 析[ J ] ．土木工程与管理学报， 2 0 1 1 ， 2 8 3 2 8 5 2 8 8 ． [ 2 ] 石永久 ， 王萌 ， 王元 清， 等．钢框 架端板 连接半 刚性 节点受 力 性能分析 [ J ] ．工程力学 ， 2 0 1 1， 2 8 9 5 15 8 ． [ 3 ] 金明， 章梓茂． 钢框架粱柱端板连接有限元分析[ J ]． 北京交 通大学学报 ， 2 0 1 2 ， 3 6 4 1 2 1 1 2 6 ． [ 4 ] 刘秀丽， 王燕． 外伸端板连接节点撬力分布研究[ J ] ．建筑钢 结构进展 ， 2 0 1 4 ，1 6 4 2 93 8 ． [ 5 ] 杨志勇 ， 曾益 ， 常正非．欠 拧与超拧的栓接端板节点数值模拟 分析[ J ] ． 武汉理工大学学报， 2 0 1 0 ， 3 2 9 2 9 6 3 0 0 ． [ 6 ] R o o z b e h K i a m a n e s h ， A l l A b o l m a a l i ， Mo h a m ma d R a z a v i ． E f f e c t o f Ci r c u l a r Bo l t P a t t e rn o n B e h a v i o r of Ex t e n d e d En dP l a t e C o n n e c t i o n [ J ] ．J ．S t r u c t ．E n g ．2 0 1 3， 1 3 9 1 8 3 3 1 8 4 1 ． [ 7] Ga r y S ．P r in z ， Ma i n N u s s b a u m e r ， L u i s B o r g e s ， S h y a m K h a d k a ． E x p e rime n t a l t e s t i n g a n d s i mul a t i o n of b o l t e d b e a m - c o l u mn c o n - n e c fio n s h a v i n g thi c k e x t e n d e d e n d p l a t e s a n d mu l t i p l e b o l t s p e r r o w [ J ] ．E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ． 2 0 1 4 ， 5 9 4 3 4 4 4 7 ． [ 8 ] L o u re i ro， A ．M o re n o ， R ．G u t i 6 r ro z ． E x p e ri m e n t a l a n d n u m e ri c a l ana l y s i s o f three d i me n s i o n a l s e m i s t e e l j o i n t s u n d e r n o np r o p o i o n al l o a d i n g [ J ] ． E n gi n eer i n g S t r u c t u r e s ． 2 0 1 2 ， 3 8 6 8 - 7 7 ． [ 9] 黄频 ， 何益斌 ， 郭健 ， 等．方 钢管钢 骨混凝 土柱 与钢梁端 板螺 栓连接节点弯矩 一 转角曲线计算[ J ] ．中南大学学报 自然科 学版 ， 2 0 1 3 ， 4 4 1 O 4 2 7 3 4 2 8 0 ． [ 1 O ] 王静峰 ， 龚旭东 ， 姜 涛．负弯 矩作用 下钢 管混凝 土组合框 架 端板连接节点的抗弯承载力计算方法 [ J ] ．土木工程学报， 2 0 1 4。 4 7 2 5 2 6 1 ． [ 1 1 ] 王静峰 ， 张琳 ， 戴阳． 半刚性钢管混凝土框架梁柱端板连接 抗 震性能试验研究[ J ] ． 土木工程学报 ， 2 0 1 2 ， 4 5 1 1 1 3 2 1 ． [ 1 2 ] 王静峰， 龚旭东 ， 姜涛 ， 等． 钢管混凝土边柱与组合梁端板连接 的抗震试验研究 [ J ] ． 土木工程学报 ， 2 0 1 3， 4 6 1 1 44 5 3 ． [ 1 3 ] 王宇， 于保阳， 齐琳． 钢结构端板连接梁柱节点抗火性能试验 和有限元 分 析 [ J ] ．沈 阳 建筑 大学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 1 4 ，3 0 6 1 0 4 31 0 5 3 ． [ 1 4 ] 郝淑英， 董金浩， 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0 62 0 2 0年 中重点领域“ 城镇化与城市发 展” 的“ 绿色建筑和建筑节能” 优先主题， 具有广阔的应用 前景 。 图1 保温龙骨 外饰面连接 图2 外围护墙体构成 目前， 国内外学者对保温龙 骨的抗压 、 抗 弯 、 抗 剪 性能进行 了 系列 研究； 同时 对保温龙 骨墙 体的抗 压 ， 、 抗 冲击 6 。 、 保温 ， 引、 隔声 、 抗火 “ 性能进行了 较为系统的研究。但是， 现有针对保温龙骨墙体力学性能 的研究多限于主要承受竖向力的承重墙体， 而对主要承受 风荷载作用 的外围护墙体的抗弯性能认识 尚不深入。为 此 ， 文中建立有限元模型， 对保温龙骨墙体在均布荷载作用 下的抗弯性能进行参数分析 ， 其 中保温龙骨的腹板开孔形 式见图3 。根据分析结果， 提出设计建议。 a 龙骨截面 h 开孔布置 图3 轻钢龙骨开孔形式 1 有限元建模 采用有限元软件 A B A Q U S建立墙体标准单元有限元模 型分析其抗弯性能。分析时忽略岩棉对墙体抗弯性能的贡 献。选用 S 4 R壳单元模拟轻钢龙骨及石膏板， 厚度方向采 用 5个积分点。 [ 基金项 目] 哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项 目 2 0 1 2 R F L XG 0 2 5 2 4 82 5 2． [ 1 6 ] 李国强， 李侥婷， 楼国彪．梁端受框架约束的平端板连接组 合节点抗火性能试验研究 [ J ] ．建筑结构学报， 2 0 1 1 ， 3 2 4 1 2 51 3 3 ． [ 1 7 ] 张克峰． 加腋型外伸端板高强螺栓节点设计[ J ] ．钢结构， 2 0 1 2。 5 2 7 3 6 3 9 ． [ 1 8 ] H i r o s h i T a g a w a ， Y u d u L i u ． S t i ff e n i n g o f b o l t e d e n d p l a t e c o n n e c t i o n s w i t h s t e e l m e m b e r a s s e m b l i e s [ J ] ．J ．S t re e t ．E n g ． ， 2 01 4， 1 0 3 1 9 0 1 9 9 [ 收稿日期] [ 作者简介 】 [ 通讯作者 】 2 01 5- O1 - 20 余飞 1 9 9 0一 ， 男， 湖北黄冈人， 硕士研究生， 研究方 向 钢结构 。 李军 1 9 6 6一 ， 女 ， 山东 淄博人 ， 博 士 ， 主要 从 事钢结构抗震 、 计算力学及其工程应用研 究。 [ _ L