概括
本文综述了装配式钢结构中方钢管柱梁套筒式连接、组合式柱梁连接、梁柱端板连接、柱悬臂短梁连接等连接节点类型的研究进展。梁贯穿式连接，并总结了以上装配式连接节点的结构特点、连接形式、传力机理、抗震性能和耗能能力。
#01
概述
装配式钢结构建筑因其施工效率高、结构力学性能好、经济效益显着，一直是国内外建筑领域的研究热点。在钢结构领域，欧美等发达国家起步较早，技术也相对成熟。钢结构建筑在我国现有建筑中所占比例较低。与传统混凝土结构相比，模块化预制钢结构具有施工速度快、自重轻、无污染、施工机械化程度高等优点。这些优势不仅有利于缓解我国钢铁产能过剩，也能在一定程度上缓解我国建筑领域人口日益老龄化、年轻劳动力不足的现状。
2016年，我国先后出台《中共中央、国务院关于进一步加强城市规划建设管理的若干意见》和《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，引导和推动装配式建筑发展。我国的装配式建筑。传统钢结构梁柱节点多为焊接节点，往往需要现场焊接，大大降低了施工效率。同时，现场焊接受环境和作业条件影响，焊缝质量难以保证。与传统的焊接节点相比，预制钢结构节点几乎不需要现场焊接。主要部件均在工厂制造，不仅保证了焊接质量，而且大大提高了施工效率，降低了能耗，不可或缺。可再生资源的消耗和碳排放符合我国的绿色建筑理念。
方钢管柱因其各方向强度相等、抗扭刚度大、承载能力高、钢管端部封闭后耐腐蚀性能好、形状规整，具有良好的建筑适用性。同时，与H型钢柱组成的结构相比，其用钢量少，成本低，因此成为多层钢框架设计中常用的柱截面形式。由方钢管柱和H型钢梁连接而成的装配式钢框架结构体系已成为钢结构住宅的流行选择。一个发展方向。
为此，本文按节点形式综述国内外装配式钢结构中方钢管柱与梁连接节点的研究进展，为我国装配式钢结构节点的研究提供参考。国家。
#02
装配式钢结构方钢管柱梁连接节点研究现状
装配式钢结构中方钢管柱、梁连接节点的研究主要集中在提高构件的预制化程度和建筑的现场装配率。根据不同的建筑要求，国内外相关学者提出了多种预制方钢管柱、梁节点。连接形式主要分为套筒式节点、模块式节点、端板式节点、悬臂短梁和穿梁式节点等类型。
2.1 套筒梁柱连接节点
李黎明等.设计了全螺栓外套筒式H型钢梁柱连接节点。节点结构如图1所示。对节点抗震性能研究发现，该节点具有良好的抗震性能和耗能能力。在一定程度上增加外套管的厚度可以有效提高节点的抗震性能和刚度。但由于该节点受限于方钢管柱封闭截面的特点，必须在柱壁、套壁上开安装手孔才能完成节点的安装，装配水平不高。
图1 外套筒式-H型钢梁梁柱连接节点
王艳等.等将拉螺栓应用于内套筒和外套筒两种装配式钢结构梁柱连接节点钢结构梁计算公式，并进行了一系列的研究。
文献[6]提出了一种内套筒T型梁柱节点。该节点由高强螺栓、拉力螺栓拼接而成的上下钢管柱、内套管、T型构件和H型钢梁组成。具体安装过程如图2所示。通过对节点模型的有限元分析发现，该节点具有良好的耗能能力，且当套筒厚度大于柱壁厚度2 mm时，节点具有最好的迟滞性能。但随着内套筒长度的增加，节点的极限承载力有所下降。
图2 内套-T型梁柱节点安装流程
文献[7, 11]对内套筒端板梁柱节点进行了准静态加载试验和有限元分析。接头形式如图3a所示。试验结果表明，该型式接头具有良好的耗能能力，但在往复荷载作用下，拉力螺栓采用相对柱翼缘外侧作为紧固面，节点使柱翼缘仅承受力在外载荷作用下沿螺栓运动。轴向方向向内的拉力。随着外荷载的增大，柱翼缘逐渐产生向内凹的屈曲变形。这种现象称为对称凹屈曲（图4）。节点滞回曲线呈“弓”形，具有明显的箍缩现象和明显的滑移特征。这是由于上述对称凹屈曲现象造成的。从节点应力应变分析发现，减小内套筒与柱壁之间的安装间隙，可以有效加强两者的协同工作，提高节点刚度。有限元分析结果如图3b至图3d所示。可以看出，三个节点的破坏模式均为梁段产生的塑性铰。这是因为有限元分析过程中没有考虑套筒安装间隙的影响，导致分析结果。与测试不符。同时也说明节点的安装间隙阻碍了内套筒与柱壁的共同作用，改变了节点的失效模式，对节点的性能影响较大。
a——节点结构； b——节点1； c——节点2； d——节点 3。
图3 内套筒-端板梁柱节点有限元应力云图Pa
图4 对称凹屈曲现象
文献[8]在前人研究的基础上，利用经典梁理论和简化的节点计算模型，推导了图3a所示节点的初始旋转刚度，并分析了内套筒厚度和延伸端厚度通过ANSYS有限元软件对板进行分析。 、内套筒与柱壁之间的间隙等参数对接头的力学性能有影响。分析结果表明，推导公式与有限元软件分析结果吻合较好，验证了推导公式的准确性。同时根据有限元结果给出内套与柱壁的安装间隙应控制在4 mm。内的建议。
文献[9]提出了一种全装配式外套筒-加固外伸端板装配式梁柱连接节点。采用试验研究、有限元模拟和理论分析的方法对节点的弯曲承载能力进行了研究。节点结构如图5所示。分析表明，套筒与柱壁之间的安装间隙导致节点滞回曲线发生严重挤压，节点耗能能力下降。利用屈服线理论推导了节点抗弯承载力的计算公式，并与试验和有限元结果进行对比，验证了计算公式的正确性。
图5 完全组装好的外套管-加强型延伸端板组件梁柱节点
文献[10]设计了加长端板构件与梁螺栓的连接节点，如图6所示。通过实验并与上述端板焊接接头对比，发现螺栓连接会产生弹性-螺栓连接处发生塑性变形，增加了连接处的旋转能力；由于采用拉力螺栓，节点存在明显的对称凹屈曲（图4），但节点也具有较强的旋转能力，节点旋转角度超过0.035 rad。
图6 外套筒延伸端板与横梁螺栓连接节点
夏君武等.提出了拼接式外套筒式节点，采用拉螺栓将左右套筒与立柱连接。节点结构如图7所示。这种外套筒接头不需要对柱进行截断，保证了柱的贯穿。通过实验和有限元模拟对接头的静态性能进行了研究，发现接头具有良好的旋转能力和延展性，但接头在套筒根部焊缝处产生明显的应力集中。焊接质量是此类接头的关键。
a——整个节点； b——节点结构； c——拼接套筒结构。
图7 拼接外套管节点
总体而言，现有装配式钢结构套筒式梁柱连接节点的研究成果相对较少。研究重点主要集中在套筒与柱壁的相对厚度、套筒与柱壁的间隙以及梁柱连接件尺寸的选择等方面。综合上述研究，套筒式节点还存在一些不足，主要体现在： 1）套筒式节点对加工精度要求较高，套筒与柱壁之间的间隙尺寸为难以控制。这个问题将直接影响接头的性能。安装效率及其自身的抗震性能。 2）由于现阶段外套管接头几乎不可避免地存在安装间隙，因此高层建筑施工过程中容易出现较大的累积误差，最终导致建筑倾斜，下部钢管柱承受大的附加弯矩。 3）目前研究的套筒式装配节点主要依靠拉力螺栓实现快速装配。但在此类节点上应用拉力螺栓，节点处容易出现对称凹屈曲，降低了节点的能耗。建议设计时选择合适的受拉螺栓或将受拉螺栓更换为与节点相匹配的单向螺栓，有利于提高节点的抗震性能。
2.2 模块式方钢管柱、梁连接节点
模块化建筑是目前装配式建筑最多的建筑形式之一。模块在工厂加工完成后，只需在现场吊装并通过相应的连接节点拼接即可完成施工。因此，对于多层模块化结构，其节点设计至关重要。
刘学春等.对焊接、螺栓连接和螺栓焊混合连接节点进行有限元建模和分析。节点形式如图8所示。分析结果表明：焊接接头承载力最高，但塑性变形主要发生在梁端，无法实现塑性铰向外移动；螺栓混合接头承载能力较低，但具有较强的延性和耗能能力；全螺栓连接处镀有接头处，该位置会发生较大的滑移，导致其耗能能力降低。
a——焊接节点； b——螺栓节点； c—螺栓混合节点。
1—带法兰盘钢管柱； 2——法兰盘； 3——桁架梁弦； 4—桁架梁腹杆； 5—节点盖板； 6—节点接插板； 7——节点垂直连接板。
图8 方钢管柱法兰连接模块节点
刘学春等.进一步对上述三类节点进行了实验研究。文献[15-16]研究了全螺栓节点的力学性能，发现通过合理设计盖板上的螺栓数量，减少此处的螺栓数量，可以有效控制节点梁与盖板之间的滑移可以在不显着降低承载能力的情况下降低承载能力。在增加节点的延性、变形能力和耗能能力的情况下。文献[17]对焊接接头进行了实验研究和有限元分析。研究表明，焊缝质量对焊接接头的失效模式和各种力学性能有显着影响。等强焊缝虽然满足静强度要求，但很难满足弹性强度要求。塑料抗震要求。文献[18]对螺栓混合接头进行了实验和有限元分析。结果表明，由于螺栓连接件的存在，与焊接接头相比，该接头具有更好的延性、耗能和塑性旋转能力，且焊缝断裂后节点仍具有良好的静载能力；该节点焊缝处比较薄弱，建议设计时加大焊缝尺寸，保证加载过程中焊缝不会损坏。
刘学春等.研究了方钢管柱和H型钢全螺栓连接的模块化节点的抗震性能。节点结构如图9所示。通过改变法兰板厚度、螺栓直径、盖板螺栓数量以及螺栓杆与螺栓孔之间的间隙，对节点进行了试验研究和有限元分析。结果表明，盖板螺栓的数量是影响节点耗能能力的主要因素。盖板螺栓数量越多，节点耗能能力越强。设计的有限元模型很好地拟合了实验现象，验证了有限元模型的正确性，为进一步详细研究节点性能提供了方法。
图9 方钢管柱-H型钢全螺栓连接节点
陈志华等.设计了更加一体化的箱形钢结构模块梁柱连接节点。节点组成如图10所示。通过试验和有限元分析，研究了角柱和边柱节点的工作机理、承载能力和抗震性能。研究发现，接头的失效模式中存在梁端焊缝损伤，因此焊接质量对接头的性能影响很大。在侧向力的作用下，上下模块柱处出现间隙，连接件不能很好地传递相邻模块的相互作用力。用螺栓固定在一起的上梁和下梁不能完美地一起工作，而是表现出独立的特性。
a——角柱节点； b——边柱节点。
1—上模块立柱； 2—上模块梁； 3—下模块立柱； 4—下模块梁； 5—插入式连接； 6—塔尾螺栓； 7——地梁盖； 8——梁之间的内部； 9——顶梁盖； 10—加强筋。
图10 模块化梁柱连接节点
邓等人。对箱形模块之间的铸头-横板连接节点进行了有限元分析。节点结构如图11所示。研究发现，增加铸头长度和厚度可以提高柱的极限荷载，其中增加铸头长度对柱的极限承载力影响最大。柱子。
图11 模块化连接节点
邓等人。对图12所示螺栓封口板连接节点进行静力性能和抗震性能试验研究，发现下模梁局部屈曲后，节点在梁端焊缝处发生撕裂，在横向载荷 梁下端焊缝处存在明显的应力集中。根据欧洲规范，该接头为半刚性接头，可有效传递梁端弯矩。节点上下双梁表现出独立的弯曲性能，但在地震作用下，节点上下双梁均能表现出全截面塑性。
图12 模块化焊接盖板螺栓连接节点
刘明阳等.提出了一种模块化板式内套连接节点。该节点如图13所示。通过有限元软件对节点的力学性能进行了分析。结果表明，内套厚度对节点承载力影响不大，但增加内套厚度可以改善内套局部应力状态。给定的内套管厚度不应小于推荐的柱壁厚度。
a——典型节点结构； b——典型节点有限元应力分布。
图13 模块板内套连接节点MPa
王伟等.对铸钢模块化节点的抗震性能进行了有限元分析。节点结构如图14所示。研究发现，铸钢节点的刚度、承载力、延性和耗能能力均优于传统焊接节点，可以更好地应用于抗震的钢结构建筑中。地区。
a——节点结构； b——有限元应力分布。
图14 铸钢模块化节点
李等人。提出了一种通过连接板连接的模块化节点。节点如图15所示。对节点试件进行了准静态试验和有限元分析。结果表明，模块化节点具有良好的抗震性能，属刚性节点，但其刚度和抗力会随着吊顶支撑尺寸的减小而降低。
图15 组合式槽钢梁连接节点
目前对模块化节点的研究还处于起步阶段。尽管节点类型较多，但对其力学性能和各项指标的研究还远远不够。此外，关于模块化建筑与地基连接节点的研究还基本处于空白，这也在一定程度上制约了模块化建筑的发展。
随着模块化建筑的不断发展，模块化建筑由低层向高层发展的趋势越来越明显。模块化建筑中最关键的问题是连接各个模块的节点。节点的性能直接影响整个建筑的性能。 。因此，有必要寻找一种能够有效抵抗结构竖向荷载和水平地震作用而不影响建筑内部布局的模块化刚性连接节点。现阶段钢结构模块化节点存在的主要问题是连接件刚度利用率低、上下梁无法协同工作。这些问题都需要进一步深入研究。
2.3 方钢管柱与悬臂短梁连接节点
由于方钢管截面没有强轴或弱轴，与工字钢柱相比，可以在方钢管柱周围布置短悬臂梁，可以更好地满足设计要求。郭志鹏等.研究了方钢管柱与Z形悬臂梁截面及弱化梁截面连接节点的抗震性能，如图16所示。经过试验和有限元对比发现，节点能耗采用I -光束稳定，磁滞曲线饱满。双剖合槽钢梁节点在弱化区不稳定，此处应设置侧向支撑。张爱琳等.对工字梁节点的抗震性能进行了进一步研究，给出了节点抗弯承载力的计算公式和抗震设计准则。
a——工字钢梁节点； b——槽钢梁节点。
图16 Z形悬臂短梁节点
张爱琳等.采用有限元软件对梁翼缘伸出悬臂梁段的方钢管柱-H型钢节点进行分析。节点结构如图17所示。分析结果表明，节点上法兰连接处第一排螺栓处存在明显的应力集中。通过改变端板的厚度可以在一定程度上缓解这种应力集中。建议梁端端板厚度为8～10mm。
a——节点结构； b——有限元应力分布。
图17 悬臂梁段从梁翼缘伸出的梁柱连接节点
悬臂短梁梁柱连接节点在工程中应用广泛，是一种装配效率较高的节点形式。梁与梁拼接处存在较大弯矩，短梁与中梁段采用大量螺栓连接，保证节点拼接处有足够的承载力和抗滑移能力。
2.4 端板连接节点
端板连接节点是装配式钢结构梁柱连接节点最典型的形式。端板和横梁在工厂焊接，现场仅使用高强度螺栓即可完成节点组装。但其在方钢管柱上的应用受到无螺栓安装空间问题的限制。
为了研究方钢管柱端板连接节点的性能，陈学森等人。设计了四个全尺寸试件，分别在节点区柱梁未连接的侧墙板和节点区柱梁连接的正面开方窗。对墙板上开方形窗、在立柱中部位置切割立柱三种预制加工形式的端板节点进行了实验研究。节点如图18所示。研究发现，三种类型的预制节点具有相似的力学性能。但与其他两种加工形式相比，前窗加工方式存在节点变形较大时车窗补焊缝开裂的风险，因此在实际应用中较好采用。优先采用中间切割或侧面开窗的加工方式。
a——立柱侧面的窗户； b——立柱前面的窗户； c——从中间切断的柱。
图18 三种端板节点连接方法
石刚等.全尺寸3层全预制钢框架采用方钢管柱端板连接节点。节点结构如图19所示。对钢框架进行准静态加载试验，研究其抗震性能。研究发现，端板在循环荷载作用下被拔出变形，无法紧密贴合柱壁，导致节点滞回曲线出现夹缩，但底部两层所有节点的延性系数均大于7.9节点最大塑性转角大于0.044 8 rad，节点仍表现出良好的耗能能力；为了探究节点的层间位移角，作者考虑了端板变形、节点域剪切变形、端板竖向滑移、梁柱弯曲变形五个因素。边柱节点和中心柱节点参数测试通过对试验数据的分析发现，在弹性阶段，梁、柱的弯曲引起了框架所有节点层间位移的65.3%以上。 1.44%加载阶段后，层间位移增量主要由节点变形、节点域剪力等引起。变形控制。
a—中心柱节点（中间被切断的柱）； b——侧柱节点（侧开天窗）；
c——支撑连接结构； d——梁与楼板连接结构。
图 19 新端板节点
为解决预制方钢管柱端板梁柱连接节点无螺栓施工空间问题，李国强等人研究了预制方钢管柱端板梁柱连接节点无螺栓施工空间问题。采用单向螺栓对平端板和加长端板连接节点进行单调加载试验和理论分析。为研究节点承载能力，单向螺栓拧紧原理及节点形式如图20、图21所示。试验发现，相同尺寸下，加长端板节点承载能力提高30%与平端板接头相比，旋转能力降低25%。通过分析端板节点的三种破坏模式，得到了由柱壁强度、端板强度和螺栓强度控制的节点承载力公式，并给出了单向螺栓连接端板节点的设计准则和建议。
图20 单向螺栓拧紧原理
预制方钢管柱端板梁柱连接节点目前只有两种连接形式。一是在柱壁上开手孔，伸入方钢管内拧紧高强螺栓，实现连接。在柱壁上开手孔不仅会削弱柱面，而且还需要现场焊接。这种焊接在高海拔地区不易实现，焊接质量难以保证；另一种是采用拉力螺栓连接，但拉力螺栓不承受循环荷载，可能会导致柱壁向内凹陷，降低节点的耗能能力。
a——平端板节点； b——延伸端板节点。
图21 单向螺栓端板连接节点
单向螺栓的出现较好地解决了上述端板接头连接问题，但单向螺栓在端板接头中的应用还缺乏一定的研究，接头的力学性能有待进一步研究。探索过。
2.5梁贯通式方钢管柱连接节点
穿梁式方钢管柱连接节点是梁在节点处保持连续的节点形式。
刘浩进等.对全螺栓梁贯穿式节点的力学性能进行了试验研究。节点形式如图22所示。试验结果表明，柱轴压比对节点性能影响较大，当柱轴压比过大时，会引起柱截面脆性破坏。建议柱轴压比不超过0.3。刘浩进等.通过改变柱轴压比和梁柱加劲肋的数量进一步研究了节点的力学性能。研究发现柱侧加劲肋可以提高节点的弯曲刚度。当梁腹板设有两个加劲肋时，节点 可以认为是刚性节点。对柱施加一定的轴向压力可以提高节点端板和梁翼缘的弯曲刚度，但可能会降低柱截面的极限抗弯承载力。
图22梁直射梁柱连接节点
王辉等.通过考虑节点是否具有加强剂以及节点对节点刚度的每个部分的贡献，并获得了该梁渗透节点的弹性刚度的计算公式，从而推断了节点的弹性刚度的计算方法。
Zou Chao等。提出了同等的成员方法，以分析光束直方钢管道连接节点的强度和刚度。这种数值模拟方法可以模拟节点的半分，也解决了弹簧元素方法无法考虑在往复负载下节点的滞后能量耗散的问题。
Zhang Yifan等。提出了一个组件方法计算模型，以分析束穿透性节点的滞后性能。与固体模型相比，组件方法模型可以减少模型计算时间，同时确保计算精度。
横梁直接接头在低层建筑中具有较高的结构效率和良好的地震抗性。但是，由于横梁和较弱的柱的性质，这种类型的关节形式目前很难在中期和高层建筑物中应用。因此，在中高层建筑物中应用横梁接头可能是预制节点的未来研究方向。
#03
综上所述
1）套筒型节点可以很好地满足完全组装的结构和安装的要求，并提高构造效率。控制套筒和柱壁之间的安装差距已成为广泛应用此类节点的关键问题。
2）在模块化结构中，上下模块之间的梁无法共同起作用，导致建筑物内部空间的利用率较低，模块之间连接节点的刚度的利用不足，并且无法满足横向高层模块化建筑的力阻力要求。
3）方形钢管柱和悬臂短束使用剪接区域中的螺栓滑动和螺栓孔的挤压变形，以增加关节的能量耗散能力和旋转能力。剪接区域中的连接相对较弱。
4）需要在现场焊接方形钢管柱和端板，以在柱壁上安装手孔或切断柱子以安装梁柱接头。焊缝处的应力浓度很高，这会对关节的性能产生一定的影响。尽管单向螺栓可以避免焊接，但对单向螺栓连接节点的机械性能的研究需要进一步深入研究。
5）由于上下柱被横梁隔开，从而进一步提高了组装效率，因此可以将横梁跨型接头组装成层。由于使用了灵活的支撑，使用光束穿透节点的低层建筑物可以更好地满足地震设计要求。但是，当前对此类节点的研究仅限于低层结构。将来是否可以应用于高层建筑结构需要进一步的深入研究。
参考（部分）
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资料来源：Zhang Jingwei，Wang Yan，Zang Xiaoguang。在预制钢结构中，方形钢管柱和梁之间的连接节点的研究进度[J]。钢结构，2019钢结构梁计算公式，34（8）：1-9。
doi：10.13206/j.gjg.201908001
