《在役多层钢框架梁柱节点加固方法及加固后性能研究》

来源：《工程研究——跨学科视野中的工程》

中文标题：《在役多层钢框架梁柱节点加固方法及加固后性能研究》

英文标题：Study on Reinforcement Method and after-Reinforcement Performance of Beam-Column Joints in an in-Service Multi-Story Steel Frame

作者：刘学春、刘德芳、陈学森

作者单位：北京工业大学 北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心

发表期刊：《工程研究——跨学科视野中的工程》

发表信息：2025年，第17卷第3期，第313—327页

摘要

随着在役钢结构存量与服务年限的增长，既有钢结构的加固改造已成为结构工程的重要需求。该文以8度抗震设防区一栋5层在役多层钢框架的典型中柱节点为对象，该节点采用翼缘焊接、腹板螺栓连接的梁柱节点形式，梁端通过增大梁高实现变截面。依据GB/T 50011—2010（2024年版）进行验算，原节点虽可满足变截面梁截面模量与节点域屈服强度的要求，但不满足“强节点弱构件”准则，且考虑焊缝质量导致的70%强度折减后，节点意外失效风险进一步增大，需进行局部加固。文章采用ABAQUS实体单元模型，对加固前后节点性能进行有限元分析，提出了三种局部加固方案，并对比了加固后节点的承载力、延性与滞回耗能能力。

English Abstract

With the increase in the stock and service time of in-service steel structures, the reinforcement of existing steel structures has become an important demand in structural engineering. This study evaluates a typical interior column joint in a five-story in-service steel frame located in a seismic fortification intensity 8 region. The joint adopts welded flange and bolted web connections, with the beam section enlarged near the connection. According to GB/T 50011—2010 (2024 edition), the original joint cannot satisfy the strong-joint–weak-member criterion, and the risk of unexpected joint failure increases when a 70% strength reduction of welds due to welding quality is considered. Finite element models are established in ABAQUS to analyze joint behavior before and after reinforcement. Three local reinforcement schemes are proposed, and the bearing capacity, ductility, and hysteretic energy dissipation of the strengthened joints are compared with those of the original joint.

研究背景

一、在役钢结构存量增长与节点性能退化

我国早期建造的一批钢框架结构已进入服务中后期，节点作为框架传力的关键部位，在长期荷载、焊接缺陷累积和材料性能变化的作用下，其实际抗震性能可能低于原设计预期。与新建结构不同，在役节点的加固受到既有构件几何、连接构造和施工条件的多重约束，加固方案必须在有限空间内同时满足承载力提升与施工可行性。

二、“强节点弱构件”准则在在役节点验算中的现实差距

该文所分析的在役节点为翼缘焊接、腹板螺栓连接的变截面梁柱节点。按现行抗震设计标准验算，原节点在截面模量和节点域强度方面尚可满足要求，但不能通过“强节点弱构件”准则的校核。更为关键的是，实际焊缝质量往往不能达到设计假定，若按焊缝强度折减70%考虑，节点发生非预期脆性失效的风险将显著上升。这一“设计验算通过但实际安全裕度不足”的情形，在在役钢结构评估中具有一定代表性。

三、在役节点局部加固需要定量化的方案比选

在役节点加固不能简单照搬新建结构的加强方式，因为既有焊缝和螺栓的受力状态已经“锁定”，新增加固件与原有传力路径之间的协调关系需要专门分析。该文的意义在于：以实际在役节点为对象，通过有限元再分析识别薄弱环节，提出多种局部加固方案并进行量化比选，为同类在役钢框架节点的加固设计提供可参照的方法。

研究内容

（一）原节点性能评估与有限元建模

研究以8度设防区5层在役钢框架的典型中柱节点为对象，采用ABAQUS实体单元建立精细化模型，焊缝与钢板之间的相互作用采用绑定约束模拟，螺栓接触在切向采用罚函数、法向采用硬接触，梁端荷载以层间位移角控制。在此基础上，对原节点进行“强节点弱构件”准则校核和考虑焊缝强度折减的极限抗弯承载力验算，明确节点需要加固的控制工况。

（二）三种局部加固方案的提出与对比

针对原节点不满足“强节点弱构件”准则的问题，文章提出了三种局部加固方案，并逐一进行有限元分析。加固的核心思路是在梁端节点区域补充传力构件，改善节点域的受力分布，使塑性损伤的发展位置从节点核心区向外转移。对比指标包括极限承载力、延性、滞回性能和耗能能力。

（三）加固效果量化与最优方案识别

有限元分析结果表明，三种加固方案均能提升节点的极限承载力和延性，且滞回性能与耗能能力均有所改善。其中，在梁上下翼缘分别焊接三角形钢板的加固形式综合效果最优，被识别为推荐方案。三种方案相对于原节点的极限承载力提升幅度分别约为20.29%、19.67%和22.62%，节点延性亦有所提高。

结论

（1）在役多层钢框架梁柱节点的抗震验算不能仅以“是否满足规范限值”作为唯一判据。当节点不满足“强节点弱构件”准则、且焊缝实际质量存在折减时，即使截面模量和节点域强度验算通过，仍存在非预期失效风险，需要从节点层次进行局部加固。

（2）在梁上下翼缘焊接三角形钢板的局部加固方案，在该在役节点条件下表现出最优的综合性能，极限承载力提升约22.62%，延性和滞回耗能能力同步改善，可作为同类节点加固的优先参照形式。

（3）在役节点加固的有限元分析需要合理反映焊缝绑定、螺栓接触和既有受力状态，实体单元模型能够为加固方案比选提供定量依据；但加固方案的实际适用性仍需结合现场焊缝检测结果和施工条件进行最终判定。