色装配式钢结构节点抗震性能优化与损伤评估研究

引言

随着我国建筑工业化进程的加快，装配式钢结构因其施工效率高、环境影响小等优势，在各类建筑中得到广泛应用。钢结构节点作为传力的关键部位，其抗震性能直接影响整体结构安全。近年来地震灾害频发，对建筑结构抗震能力提出了更高要求，这使得节点抗震研究显得尤为重要。

1 装配式钢结构节点抗震性能研究现状

1.1 装配式钢结构节点抗震性能研究进展

在近年来，装配式钢结构节点的抗震性能研究取得了显著进展。随着建筑工业化的发展，装配式钢结构因其施工速度快、环境影响小等优势，在各类建筑中应用越来越广泛。作为结构传力的关键部位，节点的抗震性能直接影响整体结构的安全性和可靠性。

在节点抗震性能优化方面，研究主要分为两类：自耗能节点和附加耗能元件节点。自耗能节点依靠自身构造特性来吸收地震能量，这类节点的设计需要考虑构造形式、强度、刚度等因素。附加耗能元件节点则通过在节点内部或外部增加专门的耗能装置来提升抗震性能。在研究方法上，目前主要采用数值模拟和试验验证相结合的方式。通过有限元分析软件建立节点的三维模型，可以模拟静力和动力载荷条件下的力学行为。同时，低周往复荷载试验能够获取节点的实际应力 - 应变曲线和振动响应，为评估抗震性能提供可靠依据。这些研究不仅有助于理解节点的抗震机理，也为优化设计提供了科学支撑。

在具体应用方面，研究人员提出了多种新型节点设计方案。例如采用T 型耗能件的节点，其耗能段长度、材料性质等参数都会影响抗震性能。合理设置这些参数可以显著提高节点的耗能能力和承载力。此外，在节点核心区应用钢纤维等材料，也能有效改善抗震性能，延缓裂缝发展。

尽管取得了一定成果，但当前研究仍存在一些不足。多数优化方法仅关注节点局部构造的改进，缺乏对材料特性、构造形式和连接工艺的系统性整合。在损伤评估方面，现有方法多基于单一性能指标，难以准确反映地震作用下的累积损伤过程。这些问题制约了装配式钢结构抗震性能的进一步提升。

1.2 现有抗震性能优化方法的局限性

当前装配式钢结构节点抗震性能优化方法虽然取得了一定进展，但仍存在明显的局限性。从研究现状来看，多数优化策略过于关注节点局部构造的单一参数调整，如仅通过改变螺栓间距或加强板厚度来提升性能，缺乏对材料特性、构造形式与连接工艺的系统性整合。这种“头痛医头”式的改进难以从根本上解决节点在强震作用下的复杂受力问题，导致优化效果有限。

现有方法在理论基础上存在明显不足。一方面，优化设计多基于静态或准静态分析，未能充分考虑地震动的不确定性和节点动力响应的时变特性 [8]。例如，部分研究采用简化力学模型进行参数优化，但实际地震作用下节点的应力分布和损伤演化往往与理论假设存在显著差异。另一方面，优化目标通常仅针对承载力或刚度等单一指标，忽视了节点延性、耗能能力等关键性能参数的协同提升。这种片面追求某一性能指标的优化方式，可能造成节点在其他方面的性能短板。

在技术实施层面，现有优化方法面临两个主要瓶颈。首先是试验验证不足，部分优化方案仅通过数值模拟进行验证，缺乏足尺试件的低周往复荷载试验支。数值模型本身的准确性受材料本构关系、接触非线性等因素影响，可能导致优化结果与实际性能存在偏差。其次是工艺可行性问题，某些理论上性能优越的节点构造因加工精度要求过高或现场施工难度大，难以在工程实践中推广应用。

损伤评估方法的局限性同样制约着抗震性能优化的有效性。目前多数研究采用位移角或刚度退化率等单一指标评价节点损伤，这种简化方法无法准确反映地震作用下节点内部能量耗散与损伤累积的复杂过程。更严重的是，现有评估标准往往基于特定试验条件建立，难以适应不同地震动特性和节点类型的多样化需求。例如，对于采用新型耗能元件的节点，传统评估指标可能无法敏感捕捉其特有的损伤发展规律。

从工程应用角度看，现有优化方法还存在经济性考量不足的问题。部分研究过于追求技术指标的提升，却忽视了材料成本、施工效率和维护便利性等实际工程需求。例如，采用特殊合金钢材或复杂构造虽然能改善节点性能，但会显著增加工程造价，降低装配式钢结构的经济优势。这种脱离工程实际的优化方案，其推广应用价值必然受限。

2 抗震性能优化与损伤评估方法

2.1 装配式钢结构节点抗震性能优化策略

配式钢结构节点的抗震性能优化需要从材料选择、构造设计和连接工艺三个维度进行系统性考量。在材料方面，合理选用高强度钢材和韧性良好的连接材料是关键。研究表明，采用具有良好延性的低屈服点钢材作为耗能元件，能够显著提升节点的能量耗散能力。同时，在节点核心区掺入钢纤维等增强材料，可有效抑制混凝土开裂，延缓节点刚度退化。

构造优化方面，当前研究主要采用两种技术路线：一是改进传统节点构造，如通过调整梁端削弱形式（如开孔或开槽）来实现塑性铰外移；二是开发新型节点构造，如采用 T 型耗能件或内套筒连接等创新设计。李铭瑜等提出的内套筒连接节点研究表明，适当增加内套筒长度可以显著改善节点在梁影响域内的受力性能[6]。这种构造优化既保证了节点的承载能力，又通过可控的塑性变形实现了良好的耗能效果。

连接工艺的优化同样不容忽视。螺栓连接作为装配式节点的关键环节，其预紧力控制和摩擦面处理直接影响节点抗震性能。采用高强度螺栓配合合理的预紧力施加工艺，能够确保节点在反复荷载作用下的稳定性。同时，焊接工艺的改进，如采用低热输入焊接方法，可以减少焊接残余应力对节点性能的不利影响。

2.2 基于损伤指标的抗震性能评估方法

累积损伤评估则关注节点在反复荷载作用下的性能退化规律。常用的损伤指标包括刚度退化率和强度退化率。刚度退化率描述节点在循环荷载下刚度降低的程度，计算公式为：

其中，为刚度退化率，为第 i 次循环时的割线刚度，为初始刚度。强度退化率则反映节点承载力的下降情况，对评估节点剩余抗震能力具有重要意义。

为更全面评估节点性能，建议采用组合损伤指标。这种指标综合考虑位移、刚度和能量三个因素，能够更准确地反映节点的实际损伤状态。组合损伤指标的计算方法为：

3 结束语

针对不同地区的地震特点和工程需求，可开展区域性抗震设计研究。通过考虑当地地震活动性和建筑功能要求，制定更有针对性的节点优化方案。同时，加强产学研合作，促进研究成果向工程实践的转化，对提升我国建筑结构抗震安全水平具有重要意义。

参考文献

[1] 胡太伟 . 装配式钢结构梁柱连接节点研究进展 [J]. 山西建筑 ,2025,(1):46-50.

[2] 吕小鸣 . 装配式钢结构梁柱节点半刚性连接应用研究——以广西某体育场馆项目为例 [J]. 中文科技期刊数据库 ( 引文版 ) 工程技术 ,2025,(5):005-008.

[3] 董静 . 新型装配式框架节点地震损伤性能研究 [J]. 振动与冲击 ,2024,(18):267-277.