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摘要：本文阐述了近年来国内对钢框架外伸端板连接的研究现状，归纳总结了我国关于钢框架外伸端板连接的试验和理论研究成果，并为下一步研究提供一定的方向。
关键词：钢框架；外伸端板连接；半刚性节点；抗震性能
1.引言
钢结构住宅产业化以其工业化大规模生产、劳动强度低效率高、生产成本低、节约资源、建筑质量可靠等优点改变了传统建筑业的生产方式，己经成为建筑业发展的趋势和必然。设计一种既能满足装配式要求，又能满足标准化生产要求的钢结构住宅成为国内学者研究的热点。然而，钢框架外伸端板连接恰恰满足这样的要求，具有连接性能好，质量容易控制，焊接质量高，相对省材，抗震性能好，无需现场焊接，安装施工简单等优点。
采用全熔透对接焊缝将长度大于梁高的端板（即端板伸出梁高范围之外）焊于梁端，再将端板与柱翼缘用高强螺栓拧在一起成为一个整体称为外伸端板连接。外伸端板连接节点是半刚性节点的一种，主要由端板、高强螺栓、节点域柱翼缘和腹板、加劲肋组成。由于端板连接的部件较多，因此存在着复杂的接触关系。此外，焊接残余应力、残余变形以及高强螺栓的预紧力使得端板连接问题变得更为复杂。
目前，国内学者已对国内外关于半刚性连接的研究进行了综述，得出半刚性连接节点具有较好的抗震性能的结论。但是，对于这种具体的钢框架外伸端板连接半刚性节点的综述尚少。本文着重阐述了近年来国内对钢框架外伸端板连接的研究现状，对于研究现状和结论进行归纳，为钢框架外伸端板连接装配式住宅的应用和推广提供试验和理论依据。
2.我国钢框架外伸端板连接研究现状
2.1试验研究
2001年王燕等[1]通过拟静力试验对钢框架梁柱外伸端板连接的半刚性节点进行了研究，该试验设计了4个节点（ST-1和ST-3试件在柱腹板处设置了横向加劲肋，ST-2和ST-4试件在柱腹板处未设置横向加劲肋），对这4种不同节点进行了滞回性能分析和承载力分析。
2002年郭兵等[2]对钢框架梁柱端板连接节点进行循环加载试验，采用混合加载制度，，共设计了8个试件，其试件一览表如图2，研究了端板厚度、端板加劲肋、柱腹板加劲肋、柱翼缘和腹板厚度、柱轴压力和螺栓直径等对连接节点滞回性能的影响。
2003年李凤霞等[3]通过拟静力试验，采用混合加载制度对外伸端板节点进行循环荷载作用下的研究，其中位移控制的位移步长为屈服位移。共设计了2个试件，分析了外伸端板节点连接的滞回性能和极限承载力。
2006年徐凌等[4]对多层钢框架外伸端板连接半刚性节点进行了静力试验，设计了3个试件，变化的参数是端板厚度、螺栓直径和柱腹板加劲肋。根据该试验结果进行延性、滞回性能分析，研究了三种不同连接形式节点的承载力、塑性变形能力及其影响因素。
2007年张秀华[5]通过对缩尺为1︰3的一榀外伸端板高强螺栓连接的钢框架进行拟静力试验，该试验在东北林业大学结构实验馆进。对该试验的钢框架变形和破坏过程进行了描述，分析了这种半刚性节点的骨架曲线、延性性能等，研究了其受力特点和抗震性能。
2007年杨波等[6]对进行了拟静力试验，试验装置简图如图5，试验中外伸端板连接设置了端板加劲肋，试件在循环荷载作用下最后的整体变形图如图6。通过试验，阐述了端板、端板加劲肋、梁柱翼缘和腹板应力分布情况，分析了该连接节点的滞回曲线、延性、初始转动刚度和承载能力等抗震性能。
2.2理论研究
2002年郭兵等[7]以钢框架梁柱外伸端板连接节点简化力学模型为依据，提出了一种非线性数学模型，方法是以己知节点尺寸来预测其弯矩-转角（M～θ）关系，主要考虑了节点极限承载力和初始转动刚度两种参数的影响。经分析后比较了建议计算公式与试验结果，给出了计算极限承载力和初始转动刚度的方法，验证了极限承载力和初始转动刚度计算方法的正确性。
2003年的顾正维等[8]采用ANSYS软件建立了几种不同的梁柱外伸端板连接的三维有限元模型，区别是螺栓的排列形式，各模型均采用八节点六面体solid45实体单元，contact174接触单元，target170目标单元。分析了不同构件参数（端板厚度、螺栓排列、螺栓直径、螺栓预拉力）对外伸端板连接节点性能的影响。
2006年浙江大学的童根树等[9]采用ANSYS有限元软件建立了6种不同梁柱外伸端板连接三维实体模型，将模拟结果与试验结果对比以验证其可靠性，研究了端板加劲肋厚度、端板加劲肋长度对梁柱外伸端板连接的半刚性节点承载力、变形能力的影响。
2006年金小群等[10]采用ANSYS有限元软件立了9种不同形式的梁柱外伸端板连接节点模型，研究了外伸端板连接中连接面受拉侧撬力分布和撬力系数的范围，给出了外伸端板连接中撬力的分布规律和撬力系数的范围，并与规范的取值进行了比较。
2008年吴兆旗等[11]建立了改进螺栓的梁柱外伸端板连接的三维实体模型，模型选择八节点六面体solid45实体单元，contact174接触单元，target170目标单元以及presti179螺栓预拉力单元，该模型考虑了接触和螺栓预拉力的非线性，高强螺栓为摩擦型。研究了外伸端板连接中受拉区和受压区高强螺栓的受力大小分布情况，提出了设计螺栓撬力系数的建议。
2008年金小群等[12]使用ANSYS有限元软件建立了18个不同模型来研究外伸端板连接中受拉侧螺栓的拉力和撬力，通过模拟，分析了螺栓拉力的分布和变化规律、螺栓撬力（接触压应力）的分布和变化规律，比较了端板厚度、加劲肋厚度和加劲肋形状对螺栓撬力、撬力系数的影响。
2010年郝淑英等[13]建立了钢框架外伸端板连接的三维节点有限元模型，使用的是大型通用有限元分析软件ANSYS。建模时依据欧洲规范EUROCODE3设置边界条件，用热力耦合分析了火灾下节点变形及破坏过程，研究了柱腹板加劲肋对这种半刚性节点耐火能力、塑性变形和破坏形态的影响。
2010年吴兆旗等[14]建立了改进螺栓的梁柱外伸端板连接的三维实体模型，考虑了三线性，根据ANSYS有限元分析软件得出的结果，分析了端板部分是否设置三角形加劲肋对连接节点抗弯性能的影响以及各种不同参数（端板厚度t1、柱翼缘厚度t2、螺栓直径d等）对连接节点M～θ曲线的影响，提出了有无端板加劲肋设置两种不同类型节点的M～θ计算公式，并验证了公式的准确性和有效性。
2013年王来等[15]使用ANSYS有限元分析软件对循环荷载作用下的三跨两层钢框架刚性和半刚性连接节点进行分析，其中第二层框架（BGX-1）是外伸端板半刚性连接，根据模拟结果分析了这种半刚性节点的框架侧移、滞回性能、延性和耗能性能。
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2014年赵根田等[16]采用ANSYS有限元软件建立了11个钢框架外伸端板连接的半刚性节点模型，考虑了接触非线性（状态非线性），通过施加循环荷载来研究端板厚度、螺栓直径、轴压力大小和梁柱加劲肋对半刚性节点的滞回性能、耗能能力、承载力等影响，分析了11种不同节点的破坏模式。
2014年刘秀丽等[17]采用有限元软件ANSYS建立了24种不同的梁柱外伸端板连接模型，研究了通过变化端距、栓距和端板厚度等构造对端板连接节点撬力的影响，提出了撬力合力作用位置的计算公式，给出了端板构造设计的建议。
3.研究成果及结论
3.1试验研究方面
通过上述关于钢框架外伸端板连接的试验研究文献，我们不难看出，试验研究主要是集中在研究端板厚度、端板加劲肋、柱腹板加劲肋、柱翼缘厚度、螺栓直径等参数对构件滞回性能、耗能能力、承载能力等抗震性能的影响。对试验研究的现象和结论归纳如下：
3.1.1试验现象
钢框架外伸端板连接受到低周反复荷载作用，在弹性阶段，荷载-位移曲线是线性变化的；随着荷载的增加，靠近梁受压翼缘处的节点域开始屈服，随后在梁翼缘处出现塑性铰；当荷载继续增大时，受拉处柱翼缘和端板加劲肋开始屈服，随后端板上部受拉与柱翼缘开始出现分离，向外凸曲，柱翼缘也微微向外凸起，连接处螺栓受拉并出现弯曲变形；当荷载接近最大值时，节点域、端板加劲肋全部屈服，端板被拉离柱翼缘，梁翼缘外侧焊趾根部被撕裂，构件破坏。
3.1.2试验结果分析及结论
1.钢框架外伸端板连接的半刚性节点在单向荷载和循环荷载作用下具有良好的初始转动刚度、滞回性能、延性、耗能能力、极限承载力和抗侧移能力，满足抗震性能要求，是一种比较好的抗震耗能节点。
2.端板厚度是影响这种半刚性节点初始转动刚度、滞回性能、延性、耗能能力、极限承载力和破坏形式的首要因素，在一定的范围内增加端板厚度是改善连接节点综合性能的重要方法。
3.端板设置加劲肋能够提高端板刚度、推迟梁翼缘与端板焊缝的撕裂、可以将梁翼缘力更好的传递给螺栓、减小螺栓撬力，也是提高外伸端板连接节点性能的重要方法。
4.柱翼缘和腹板厚度、柱腹板加劲肋、柱轴压力、螺栓直径等都对钢框架外伸端板连接节点的性能有不同程度的影响，但主要的影响因素是端板厚度和端板加劲肋。
3.2理论研究方面
通过以上关于钢框架外伸端板连接的理论研究文献看出，国内学者主要使用ANSYS有限元软件建立三维模型，研究这种半刚性连接节点在单调荷载或循环荷载作用下的抗震性能。对理论研究的内容和结论归纳如下：
3.2.1理论研究内容
1.不同参数（如端板厚度、螺栓直径、螺栓排列、梁柱加劲肋、梁截面高度、柱翼缘厚度、柱轴压力大小等）对连接节点的弯矩-转角性能、抗震性能的影响，并与试验结果进行对比验证；
2.火灾下柱腹板加劲肋对节点性能的影响；
3.撬力系数、大小和位置分布等问题。
3.2.2理论研究结论
1.端板厚度和端板加劲肋是影响钢框架外伸端板连接的半刚性节点滞回性能、延性、极限承载力等抗震性能的首要因素，此外螺栓直径、柱翼缘和腹板厚度、柱腹板加劲肋和柱轴压力对半刚性节点也会产生影响，这与试验结论一致。
2.火灾下设置柱腹板承拉及承压加劲肋与否会导致连接节点不同的破坏模式，设置加劲肋能有效提高柱抗拉和抗压刚度以及节点的耐火性能。
3.撬力主要分布在端板外伸部分，呈现不均匀的面荷载分布。螺栓撬力系数的影响因素是端板加劲肋和端板厚度，但主要因素是端板加劲肋。
4.结语
综合来看，钢框架外伸端板连接的这种半刚性节点具有较好的抗震性能，适用于钢结构装配式住宅。但是，我国对于这种半刚性节点的研究仍然存在不足，有待精益求精。试验方面，由于试验条件和经费问题，导致试验只能在很小试验场地进行，试件也是只能按照一定的比例进行缩尺模拟，而外伸端板连接的接触问题较复杂，如果推广到大尺寸试件的实际施工工程连接中，必然会存在一些的偏差。理论方面，对于钢框架外伸端板连接的节点的研究往往忽略了梁与端板焊接的残余变形、残余应力以及接触问题，不符合实际情况。理论模型的选取缺乏精确性，目前外伸端板连接的理论模型大致分为三种：T形件连接强度理论、利用试验数据回归分析得出的弯矩-转角方程、屈服线理论模型，而这三种理论模型往往存在局限性，因此需要研究出适合外伸端板连接的更加精确的理论模型。
参考文献
[1]王燕，彭福明，赵桂明.钢框架梁柱半刚性节点在循环荷载作用下的试验研究［J］.工业建筑，2001，31（12）：55～57.
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[4]徐凌，徐亮，高松.外伸端板螺栓连接节点的强度和刚度研究［J］.地震工程与工程振动，2006，26（2）：88～91.
[5]张秀华.外伸端板连接钢框架抗震性能试验研究［J］.低温建筑技术，2007，（6）：61～62.
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[7]郭兵，柳锋，顾强.梁柱端板连接的破坏模式及弯矩-转角关系［J］.土木工程学报，2002，35（5）：24～27.
[8]顾正维，孙炳楠，潘海勤.不同排列伸展螺栓端板半刚性节点的三维非线性分析［J］.钢结构，2003，18（6）：54～56.
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[12]金小群，赵伟，童根树.梁柱外伸端板连接中螺栓拉力及撬力研究［J］.科技通报，2008，24（3）：367～374.
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[14]吴兆旗，张素梅，姜绍飞.梁柱外伸端板连接弯矩-转角性能有限元分析［J］.应用基础与工程科学学报，2010，18（6）：922～932.
[15]王来，陈相龙，关巧英.反复荷载下端板连接半刚性钢框架滞回性能研究［J］.山东科技大学学报，2013，32（4）：52～56.
[16]赵根田，高潮.外伸端板半刚性连接的抗震性能研究［J］.钢结构工程研究，《钢结构》2014增刊：403～408.
[17]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，2014，16（4）：29～38.
第一作者：姓名：张裕善，出生年月：1988.08，籍贯：湖北武汉，工作单位：武汉和创建筑工程设计有限公司，身份证号：421182198808223772，工作职业：结构设计师，研究方向：高层建筑结构设计；
第二作者：，姓名：徐超，出生年月：1991.04，籍贯：湖北武汉，工作单位：武汉和创建筑工程设计有限公司，身份证号：420106199104174033，工作职业：结构设计师，研究方向：钢结构、高层建筑抗震
论文作者:张裕善,徐超
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/9
标签：节点论文; 梁柱论文; 螺栓论文; 刚性论文; 性能论文; 腹板论文; 框架论文; 《建筑学研究前沿》2017年第35期论文;