广州大学 土木工程学院 广东广州 510006
摘要：钢框架梁柱节点受力复杂、变形严重和传力路径不明确等问题。据震害结果表明，钢框架梁柱节点处是建筑结构的薄弱之处，在地震作用下发生重大的破坏。结合近年来有关钢框架梁柱半刚性节点的研究资料，对钢框架半刚性节点进行总结分析。
关键词：钢框架；半刚性节点；地震作用
一、引言
地震作为人类面临的最大自然灾害之一，地震灾害具有坏灭性、随机性和不可预测等特点，对人类的生存和经济社会的发展都造成了重大威胁。在地震作用下，对钢结构而言，梁柱连接节点是结构的易损区域。钢框架结构梁与柱的节点连接形式通常由栓接连接焊接的形式，曾经被人们一致认为焊接梁柱节点具有良好抗震性能。然而，在1994年美国的Northridge地震[1-3]与1995年的日本阪神地震中[4]，在震后调查中，发现许多受害严重的建筑结构梁柱节点上存在脆弱性破坏。特别是梁与柱翼缘连接处的焊缝区，大多节点在很低的塑性水平下出现了脆性断裂，从而揭示了节点的脆性破坏是焊接连接存在的缺陷。
为避免钢框架节点处发生脆性破坏，国内外专家学者提出将梁柱节点的塑性铰移至远离近柱端的粱截面上的设计方法，并设计出一系列的钢框架半刚性连接节点。此类节点既可以传递弯矩，又能在梁柱之间产生一定的转角，正是处于传统铰接节点与完全刚接节点之间。通过大量的理论、实验研究，以及相关的实际工程在地震中的效果。结果表明，此法有效的转移塑性铰的位置，从而保护结构。近年来，考虑结构的震后可修复性、破坏部件的可更换性，传统的钢框架半刚性节点存在不易更换和修复的问题，新型钢框架梁柱连接节点成为了研究的热点，新型半刚性节点既可以实现转移塑性铰位置，又有利于震后修复和更换的目标。
二、半刚性节点的定义
因钢结构设计与分析中将梁柱连接节点的设计局限于较为理想的刚接和铰接，在连接对运动约束达到理想刚接的80%时，则称为刚接。在梁柱轴线夹角改变量受到外力作用达到90%时，则称为铰接。但实际上，钢框架结构梁柱节点在受到外部荷载作用的前提下，因其自身材料的本构关系、节点连接区域的非线性，以其由此因其的几何非线性会使得钢框架的结构整体、构件、连接区域对于外部荷载的反应，既属于材料非线性，也属于几何非线性。在实际工程中，大部分节点均处于刚接和铰接之间，即半刚性连接。
梁柱节点是连接梁与柱且传递的是一组广义力，包括剪力、轴力、弯矩、扭矩，由于在侧向设置支撑扭矩则可忽略，还与转动变形相比的剪力和轴向变形就很小了，也可忽略不计。目前，从使用角度来看只需研究弯矩的传递。梁柱连接处弯矩M和梁柱相对转动角θ之间的关系用M-θ表示。在半刚性连接中，刚性太大，延性就差，易发生脆性破坏，刚性较低对结构变形不利，所以从中腹板顶底角钢连接让人更加关注，并具有明显非线性特征，弯矩M会随转角θ的增加而缓慢增加。
三、传统钢框架半刚性节点
角钢连接法，主要是有顶底角钢连接和腹板双角钢连接等。顶底角钢连接用两个角钢在梁的上、下翼缘处分别于梁和柱的翼缘相连接。对顶底角钢连接形式而言，底角钢只传递竖向反力，并且对梁端不产生较大的约束弯矩；顶角钢仅用来保持侧向稳定，不能承受任何重力载荷。然而，已经有实验结果证明，此种连接形式可以抵抗一定的梁端弯矩，在循环荷载的作用下性能稳定，具有有效的耗能性。腹板双角钢连接把两个角钢用焊接或者栓接形式连接在柱上以及到梁的腹板上。这种连接所承受的弯矩约是梁工作荷载下20%的全固端弯矩，同时也会由于梁的增高而加大。规范（1989）将这类节点称为简支连接或剪力连接。
T型钢连接，由上、下翼缘处的两个短 T 型钢，同通常高强螺栓与柱和梁相连，此连接是最刚劲的半刚性连接，这种连接方式刚度比其他半刚性连接方式都大，是刚度最大的半刚性连接之一，当把这种连接形式与双腹板角钢组合使用时可当做刚性连接。T型钢翼缘厚度、腹板厚度的变化对整个节点的初始刚度和承载能力都有较大影响。
加强型耗能梁柱节点，主要有翼缘扩大型、梁端加腋型、肋板加强型和板式加强型等，主要通过在 梁端加盖板、加边板、加肋板、加腋板、扩大翼缘等措施实现局部加强梁截面的目的，节点在发生破坏的时候塑性铰在远离梁柱节点近柱端的梁截面上形成，这样就有效避免了应力集中出现在节点连接焊缝位置，导致节点脆性破坏过早出现的现象。
削弱型耗能梁柱节点，主要有削弱翼缘型、削弱腹板型和削弱材料型等，主要在尺寸或者材料方面 削弱梁端腹板、翼缘板，从而达到将塑性铰移至削弱处的目的，防止梁柱节点焊缝连接 处发生脆性破坏，削弱形式大都采用已经证明对节点抗震性能有非常明显改进作用的 “狗骨形”削弱方式等。
四、新型钢框架半刚性节点
新型钢框架节点原理是，主要部件提供足够的承载力，把塑性铰集中在耗能部件上，既可以转移塑性铰的位置，又可以保护主要部件不发生破坏，实现可修复和更换的目标。如在翼缘布置可更换带孔盖板的钢梁[5]，节点变形出现在盖板孔周围，充分发挥 其塑性变形能力，提高连接处延性，避免脆性破坏；梁端下翼缘安装阻尼器[6]，阻尼器与梁柱由高强螺栓连接，此节点具有塑性集中、滞回饱满、易更换、耗能强等优点；以机械连接原理为基础的新型转动节点[7-8]，此节点能够应用在装配式钢框架结构中，使钢框架结构具有塑性可控和耗能良好等特性，同时还便于安装与拆卸。随着新型半刚性梁柱连接节点的研究进展，越来越多的可修复和更换的新型节点被设计出来。
五、总结
我国是地震高发的国家之一，对钢框架节点进行有利于保护结构自身，从而地震带来的降低损失。本文主要研究了钢框架梁柱连接节点技术措施进行阐述，介绍了主要的几种传统的半刚性梁柱节点的设计安装及其功能原理，以及新型半刚性梁柱连接节点的设计原理和一些研究进展。传统的钢框架半刚性梁柱节点已经取得了许多具有学术研究的价值和实际工程应用成果。响应节约资源，提高材料的使用效率，新型半刚性梁柱连接节点已成为学术研究的热门点，新型半刚性节点有利于保护结构的同时，还可以提高钢材的使用效率，节省国家的资源。
参考文献：
[1]Engelhardt M.D. Sabot T.A.Seismic－Resistant Steel Moment Connections：Development Since the Northridge Earthquake[M].Construction Research Communications Limited，1997：1365－1556
[2]Gates W.E. Morden M．Professional Structure Engineering Experience Related to Welded Steel Moment Frame Following the Northridge Earth-quake[J].The Structural Design of Tall Buildings，1996（5）：29－44．
[3]Whittaker A，Gilani A．Bertero V．Evaluation of Pre－Northridge Steel Moment－Resisting Frame Joints[J]．The Structural Design of Tall Buildings，1998（7）：263－283．
[4]Architectural Institute of Japan．Reconnaissance Report on Damage to Steel Building Structures Observed from the 1995 Hyogoken－Nanhu（Hanshin/Awaji）Earthquake[R]May，1995．Research，2009，65（10）：2040-2049.
[5]Farrokhi H，Danesh F，Eshghi S.A modified moment resisting connection for ductile steel frames（Numerical and experimental investigation）[J]. Journal of Constructional Steel
[6]Oh S.H，Kim Y.J，Ryu H.S. Seismic performance of steel structures with slit dampers[J].Engineering structures，2009，31（9）：1997-2008.
[7]鲍华峰. 采用新型转动摩擦耗能梁柱节点的钢框架抗震性能研究[D].浙江大学，2013.
[8]王晨. 预制装配梁端钢板耗能铰节点及其弱梁强柱框架抗震性能[D].哈尔滨工业大学，2016.
作者简介：
杨子仪（1996-），男，汉族，广东韶关人，广州大学硕士研究生，研究方向：工程抗震、消能减震。