装配式钢结构节点设计与抗震性能分析

摘要：本文深入探讨了装配式钢结构节点的类型、设计要点，运用多种方法对节点的抗震性能进行分析，并提出了优化节点抗震性能的策略，旨在为装配式钢结构建筑的设计与应用提供理论支持和实践指导，推动装配式钢结构建筑在地震多发地区的安全发展。

关键词：装配式；钢结构；节点设计；抗震

引言

装配式钢结构建筑具有工业化程度高、施工速度快、环境污染小等优点，符合现代建筑行业可持续发展的要求。在装配式钢结构中，节点连接着各个构件，将结构的内力有效地传递和分配，保证结构的整体性。在地震作用下，节点的性能对结构能否保持稳定、避免倒塌起着决定性作用。因此，深入研究装配式钢结构节点设计与抗震性能具有重要的工程实际意义和社会价值。

一、装配式钢结构节点类型

（一）焊接连接节点

全焊接节点是通过在工厂或现场将构件的连接部位进行全面焊接，形成刚性连接。其优点是连接刚度大，能够有效地传递弯矩和剪力，在承受较大荷载时表现出良好的力学性能。然而，焊接过程中容易产生焊接残余应力和变形，对节点的疲劳性能和脆性断裂有一定影响。例如，在一些高层装配式钢结构建筑的框架柱与梁的连接中，采用全焊接节点可以保证结构的整体稳定性，但需要严格控制焊接工艺，以减少残余应力。部分焊接节点结合了焊接和螺栓连接的特点，在某些部位采用焊接，而在其他部位采用螺栓连接。

（二）螺栓连接节点

高强度螺栓摩擦型连接通过拧紧螺栓，使连接件接触面之间产生摩擦力来传递内力。其优点是施工简单、安装速度快，且受力性能可靠。在地震作用下，节点能够通过摩擦力的变化适应一定的变形，具有较好的耗能能力。在装配式钢结构的屋架与柱顶的连接中，常采用高强度螺栓摩擦型连接节点，能够满足结构在正常使用和地震工况下的受力要求。

（三）混合连接节点

混合连接节点综合运用了焊接、螺栓连接以及其他连接方式，以充分发挥各种连接方式的优势。例如，在一些大型装配式钢结构桥梁中，节点可能采用焊接、螺栓连接和销轴连接相结合的方式。这种混合连接方式能够适应复杂的受力情况，提高节点的可靠性和抗震性能。通过合理设计不同连接方式在节点中的分布，可以有效地优化节点的力学性能，使其在承受竖向荷载、水平地震作用以及风荷载等多种荷载组合时，都能保证结构的安全稳定。

二、装配式钢结构节点设计要点

（一）满足结构受力要求

节点设计应根据结构的受力分析结果，确保节点具有足够的承载力来承受各种荷载组合下的内力。在设计过程中，要考虑节点在正常使用状态和地震等极端工况下的受力情况，对节点的各个组成部分，如连接板、螺栓、焊缝等进行强度计算。对于承受较大弯矩的节点，需要合理设计节点的连接形式和尺寸，以保证节点能够有效地传递弯矩，避免出现局部破坏或变形过大的情况。

节点的刚度对结构的整体性能有重要影响。合适的节点刚度可以保证结构在荷载作用下的变形协调，使结构按照设计预期的方式工作。在设计时，要根据结构的类型和使用要求，合理确定节点的刚度。例如，对于框架结构中的梁柱节点，较高的节点刚度可以提高结构的抗侧移能力，但同时也可能导致节点处的应力集中。因此，需要在节点刚度和结构整体性能之间进行优化平衡。

（二）考虑施工可行性

节点的构造应尽量简单，便于施工操作。复杂的节点构造不仅会增加施工难度，延长施工周期，还可能由于施工质量难以保证而影响节点的性能。例如，在设计节点时，应减少不必要的连接件和复杂的焊接工艺，采用标准化的连接方式和构件，提高施工效率。

在设计节点时，要充分考虑施工现场的操作空间。确保施工人员能够方便地进行焊接、螺栓安装等作业。对于一些大型节点或在狭窄空间内的节点，需要特别设计合理的施工流程和操作方法，以保证施工的顺利进行。例如，可以采用预拼装的方式，在工厂将部分节点组件进行组装，减少现场施工的工作量和难度。

（三）保证节点的延性

在地震作用下，节点的延性是保证结构安全的关键因素之一。为了提高节点的延性，可以采用多种设计方法。例如，在节点处设置耗能元件，如阻尼器等，通过耗能元件的变形来消耗地震能量，减小结构的地震反应。另外，合理设计节点的连接形式，使其在受力过程中能够发生塑性变形，而不是突然脆性破坏。对于采用钢材的节点，选择具有良好延性的钢材品种，并控制钢材的化学成分和力学性能，以确保节点的延性要求。

脆性破坏是节点设计中需要重点避免的问题。要防止节点在受力过程中出现脆性断裂，需要从材料选择、构造设计和施工质量控制等多个方面入手。在材料方面，避免使用含碳量过高、韧性差的钢材。在构造设计上，合理设计节点的几何形状，避免出现应力集中的部位。例如，在节点的转角处采用圆角过渡，减少应力集中系数。在施工过程中，严格控制焊接质量，避免出现焊接缺陷，如气孔、夹渣等，这些缺陷可能会引发脆性破坏。

三、装配式钢结构节点抗震性能分析方法

（一）理论分析方法

基于结构力学和材料力学的基本原理，建立装配式钢结构节点的力学模型。对于简单的节点，可以采用解析法进行分析，通过建立平衡方程和变形协调方程，求解节点在各种荷载作用下的内力和变形。对于复杂的节点，通常采用有限元方法进行分析。将节点离散为有限个单元，通过计算机软件求解节点的应力、应变分布以及整体力学性能。在建立力学模型时，要准确考虑节点的连接方式、材料特性以及边界条件等因素，以保证分析结果的准确性。

根据建立的力学模型，计算节点的抗震性能指标，如屈服强度、极限强度、延性比、耗能能力等。屈服强度是节点开始发生塑性变形时的荷载值，极限强度是节点能够承受的最大荷载值。延性比反映了节点在破坏前的塑性变形能力，一般通过节点的极限位移与屈服位移的比值来计算。耗能能力则通过计算节点在反复加载过程中吸收的能量来评估。这些抗震性能指标可以直观地反映节点在地震作用下的性能优劣，为节点设计和优化提供依据。

（二）试验研究方法

拟静力试验是研究装配式钢结构节点抗震性能的常用试验方法之一。通过在节点试件上施加模拟地震作用的低周反复荷载，观察节点的破坏模式、变形过程以及能量耗散特性。在试验过程中，测量节点在不同加载阶段的力和位移数据，绘制滞回曲线。滞回曲线的形状可以直观地反映节点的耗能能力和刚度退化情况。通过对多个节点试件进行拟静力试验，可以总结出不同节点类型在抗震性能方面的特点和规律，为节点设计提供试验依据。

拟动力试验是一种更接近实际地震作用的试验方法。它利用计算机控制加载设备，根据输入的地震波对节点试件进行实时加载。与拟静力试验相比，拟动力试验能够考虑结构的动力响应和加载速率对节点性能的影响。通过拟动力试验，可以更准确地评估节点在实际地震作用下的抗震性能，为节点的抗震设计提供更可靠的数据支持。然而，拟动力试验设备复杂，试验成本较高，对试验技术要求也较高。

结论

装配式钢结构节点设计与抗震性能密切相关，合理的节点设计是保证装配式钢结构建筑在地震作用下安全可靠的关键。通过节点构造优化、材料选择优化和设计方法优化等策略，可以有效提高节点的抗震性能。综合运用上述研究成果，不断优化装配式钢结构节点设计，推动装配式钢结构建筑在地震多发地区的广泛应用和可持续发展。

参考文献

[1]杨明远， 张社甫， 龙正勇. 装配式节点及结构抗震性能[J]. 建筑技术开发， 2023， 50 （11）： 6-8.

[2]卓旬， 刘庆辉， 徐艳红， 徐梓豪， 王会乾， 高谦. 装配式混凝土结构连接节点研究综述[J]. 混凝土， 2022， （12）： 155-162+167.