结构的连续倒塌是指结构在遭受意外荷载(如燃气爆炸、车辆撞击、火灾、超载等)作用后形成局部初始破坏,并扩展到整体结构,导致最终破坏状态与初始破坏成因不成比例,造成结构构件大面积损坏甚至整体结构倒塌的过程 ^[1]。20世纪后期至21世纪初发生的由意外事件引起的三次重大结构连续倒塌事件(1968年英国Ronan Point公寓燃气爆炸、1995年Oklahoma 州Alfred P.Murrah 联邦政府大楼汽车炸弹袭击、2001年世贸大厦飞机撞击)引起了设计和研究领域对于结构抗连续倒塌性能研究的重视。

　　 结构的抗连续倒塌性能研究主要包含两个层次,分别是整体结构层次和构件层次。整体结构层次研究中主要考虑的是结构体系在连续倒塌过程中是否具备足够的整体冗余度和鲁棒性从而避免可能出现的连续失效机制 ^[2]。构件层次关注的则是各类节点及梁柱构件在连续倒塌过程中的内力发展变化及破坏模式等。在早期研究中,学者更着眼于整体层次 ^[3,4,5,6],近年来则延伸至对构件及节点性能的研究 ^[7]。连接节点是构件与构件间传递荷载的部位,其对构件抵抗外力机制的形成起到了重要的作用。在局部破坏情形下,节点形式及其承载机理对钢框架在连续倒塌工况下的破坏发展或失效模式具有重要影响。

　　 本文将针对钢框架中多种典型的梁柱刚性、半刚性节点及其他特殊节点对结构抗连续倒塌性能影响研究中获得的成果进行汇总和综述,进一步探讨节点对钢框架在连续倒塌工况下受力机制的影响,并提出在后期研究过程中亟待关注的问题。

　　 美国钢结构协会AISC—LRFD ^[8]及欧洲Eurocode 3 ^[9]等根据梁端弯矩-转角(M-θ)关系将钢结构连接节点分为刚性节点、半刚性节点及柔性节点三类。

　　 刚性节点在结构受力变形过程中,构件间无法产生相对转角。在钢框架连接节点中,一般将全焊接连接、普通栓焊混合连接、盖板式连接等简化为刚性节点。钢结构多采用刚性节点以抵抗结构所受侧向荷载和由此产生的水平位移 ^[10]。Ramirez等 ^[11]在1994年美国Northridge地震震害调查中发现,栓焊混合连接节点形式发生的脆性断裂破坏导致结构出现局部损伤,造成大量经济损失,由此促使学者及工程界对刚性节点进行进一步研究及改进以提升节点受力性能。

　　 柔性节点在变形过程中可自由转动,不能承受弯矩。该类节点由于承载力较小,一般只应用在结构的次要连接节点上,如主次梁连接等。

　　 半刚性节点在变形过程中既可产生一定限度的转动又能承担一定弯矩,是介于柔性和刚性节点之间的节点形式。在钢框架连接节点设计中,根据弯矩-转角(M-θ)关系,可将腹板单角钢连接、T型钢连接、腹板双角钢连接、顶底角钢连接、外伸端板连接、矮端板连接等形式简化为半刚性节点,如图1,2所示 ^[12]。

　　 Izzuddin等 ^[13]提出,钢结构刚性节点在连续倒塌工况下,水平构件响应分为三阶段,主要通过三种典型受力机制以实现结构内力重分布,以抵抗承重构件破坏产生的局部附加内力(图3)。构件在整体变形较小时处于弹性弯曲阶段;而后进入塑性弯曲阶段,该阶段弯矩和轴力将共同作用于构件;当端部形成塑性铰后,构件出现较大挠度并将转变为依靠拉力抵抗上部荷载的受力模式,称为悬链线阶段 ^[14]。悬链线阶段是构件抵抗连续倒塌的最后防线,也是进行抗倒塌设计的关键阶段,研究表明,悬链线阶段提供的构件承载力高于抗弯机制获得的承载力。当连接不为刚性时,塑性弯曲阶段将被压力拱阶段替代。

　　 结构若要充分激发悬链线效应,需产生较大的整体位移,这就要求梁柱连接节点在不发生破坏的前提下具有良好的转动能力,这也反映了合理的节点设计对提升结构抗连续倒塌能力的重要性。

　　 Lee等 ^[15]通过数值模拟对全焊接连接钢框架梁柱子结构进行了参数分析,提出了节点处考虑弯曲和轴向拉力的塑性铰简化模型,并应用在连续倒塌非线性动力分析中。

　　 丁阳等 ^[16]针对连续倒塌分析中常忽略的梁柱节点轴力-弯矩耦合效应问题,提出了一种既包括轴力-弯矩耦合效应又考虑梁与楼板共同作用的钢框架连续倒塌分析模型,并通过与已有试验结果对比,验证了分析模型的准确性;同时应用该模型分析了两个钢框架结构的抗连续倒塌机制。结果表明结构倒塌分析时应考虑节点和楼板的影响,梁柱的节点形式会影响结构的抗倒塌性能及破坏模式。

　　 刘世朋等 ^[17]利用ANSYS与LS-DYNA建立了平面钢框架分析模型,加入转动弹簧模拟节点转动刚度,分析了各受力阶段节点刚度变化对结构动力效应及各构件耗能的影响。研究表明塑性阶段中应考虑节点刚度退化的影响,同时建议在节点刚度较小时应提升节点变形能力,反之则增加梁变形能力。

　　 李国华等 ^[18]分别采用非线性动力分析和静力分析,通过数值模拟探究节点刚度对外伸端板连接抗连续倒塌性能的影响,连接分别模拟了刚性节点和半刚性节点。结果表明,虽然半刚性节点框架结构较刚性节点框架结构的塑性铰出现时间更晚,可延缓结构塑性的出现,但极限承载力降低,竖向位移明显增大。研究认为在该类型节点抗连续倒塌分析中应考虑节点实际刚度的影响,否则会高估其抗连续倒塌能力。

　　 钢框架各类典型节点由于转动刚度的不同,会影响结构在连续倒塌工况下呈现的受力机制。上述研究均表明,连接节点的变形能力、承载能力以及构造形式等均可影响结构的抗连续倒塌性能。

　　 研究节点在连续性倒塌条件下的力学性能,一般采用备用荷载路径方法,即拆除结构的竖向承重构件模拟结构的初始破坏,使连接节点及与其连接的梁在荷载作用下产生大变形,研究相邻结构在承载构件拆除后的响应。在试验研究中,常采用梁柱子结构为加载对象,一般采用以下两种形式(图4) ^[19]:1)失效中柱及其连接的两侧梁与两根邻柱组成的梁柱子结构,称为两跨三柱型,如图4(a)所示。此类子结构能较真实模拟结构的边界条件。2)仅由中柱节点及两侧半跨梁组成,称为双半跨单柱型,如图4(b)所示。此类子结构试验规模小,对加载条件要求较低,且计算模型简单,易于进行内力分析。

　　 刚性节点在多高层钢结构梁柱连接节点中被广泛应用,研究其在连续倒塌工况下的受力性能对结构整体抗连续倒塌设计具有重要意义。

　　 王伟等 ^[20]采用双半跨单柱型梁柱子结构对方钢管柱-H形梁内隔板栓焊连接节点试件进行静力加载试验,对比了两种不同的腹板螺栓排列形式在连续倒塌工况下的性能。研究表明不同的螺栓排列形式会影响腹板破坏形式,螺栓沿梁高度分散布置比集中于腹板中部布置更有利于梁端截面发展轴向拉力,更充分发挥悬索机制。同时应使螺栓孔壁与剪切板边缘保持足够距离,避免板件冲剪破坏,进一步提高结构抗连续倒塌能力。

　　 秦希等 ^[21]针对国内外多高层钢框架结构中广泛采用的矩形钢管柱隔板贯通式连接节点,利用数值模拟软件建立“双半跨中柱节点”模型,对三种不同构造的矩形钢管柱-H形钢梁隔板贯通式全螺栓连接节点进行数值模拟分析。结果表明同时增大盖板宽度及节点域梁下翼缘高度能有效提高螺栓孔变形能力,延缓子结构开裂,有利于悬链线效应开展,可大幅提升节点抗连续倒塌能力。

　　 王伟等 ^[22]基于文献[21]的研究,提出了一种改进型隔板贯通式节点构造,并进行了数值模拟。结果表明,相较于传统的栓焊连接节点,该类改进型连接形式可提升节点域竖向变形能力,能充分发挥梁轴向拉力产生的悬链线作用,同时可增强节点域竖向承载能力,提升结构抗连续倒塌性能。

　　 霍静思等 ^[23]对采用了两种过焊孔构造(扇形和扩大型过焊孔)设计的三个钢框架梁柱节点子结构试件进行了动态力学试验,以模拟结构动态倒塌过程,分析了节点试件的位移响应及内力变化趋势。结果表明该类节点由于转动能力不足,很难充分发挥悬链线作用,呈现脆性破坏形态。

　　 霍静思等 ^[24]建立数值模型,将不考虑节点影响的约束钢梁与分别考虑狗骨式连接节点、端板螺栓连接节点及T型钢连接节点的梁柱子结构在冲击荷载下的受力机理和破坏形态进行了对比研究。研究表明以上三类节点在冲击荷载作用下均未出现悬链线效应,翼缘削弱部分和螺栓连接处是连接的薄弱环节,导致延性不足。由此提出了采用节点延性系数来评估结构在连续倒塌工况下延性开展情况,从而对结构进行合理设计。

　　 李玲等 ^[25]通过静力加载试验考察了圆钢管柱外环板节点与方钢管柱内隔板节点在中柱失效连续倒塌工况下的破坏模式,并以梁柱子结构竖向抗力来评估梁柱节点的抗连续倒塌性能。结果表明,连接构造影响了节点的破坏模式,栓焊连接节点发生的梁端间断性破坏能在大变形下较好地发挥悬索机制,提供稳定的后期承载力,抗连续倒塌性能好于全焊连接节点,并能较好地传递荷载。

　　 陈俊岭等 ^[26]建立数值模型,获得了传统栓焊连接(WUFB)、翼缘盖板焊接连接(WCPF)和狗骨式连接(RBS)三种典型梁柱节点在连续倒塌中的失效过程,并从能量角度推导了三种节点的动力响应。研究表明,相较于栓焊连接节点,翼缘盖板焊接连接节点在各阶段变形能力强,承载力均比较高,耗能能力好,抗连续倒塌性能优越;狗骨式连接节点转动刚度降低,悬链线效应和耗能能力提升,但结构外力做功较大,导致其抗连续倒塌承载力略有降低。模型未考虑楼板共同作用,尚需进一步研究。

　　 Sadek等 ^[27]以栓焊连接节点和狗骨式连接节点的两跨三柱型梁柱子结构为基础,对两幢传统抗震设计的钢框架结构进行试验及数值模拟。研究表明传统抗震设计低估了节点所需的变形能力,因此不能直接应用于抗连续倒塌设计中。同时提出了一节点简化组件模型,该模型能准确预测两种连接的力学特性,有助于结构抗连续倒塌分析。

　　 Lew等 ^[28]和Sadek等 ^[29]分别对足尺梁柱子结构在中柱失效工况下进行了连续倒塌试验及数值模拟,探究节点在大变形下的力学性能及对整体结构抗连续倒塌性能的影响。梁柱节点分别选用栓焊连接及狗骨式连接。试验结果表明,两种节点形式均能使结构进入悬链线阶段,梁能产生较大的轴向力,子结构的破坏均由弯曲和轴拉力共同作用引起。栓焊连接子结构的破坏主要表现为中柱附近梁上翼缘局部屈曲、螺栓剪切破坏及梁底翼缘焊缝破坏。狗骨式连接子结构的破坏则主要表现为梁底翼缘削弱后产生的断裂。基于现有规范对转角限制过于保守的问题,提出了将节点简化模型加入整体结构模型中以帮助评价其整体抗连续倒塌性能和极限承载力。

　　 Park等 ^[30]基于FEMA-356规范对一个抗震设防钢框架进行了Pushdown模拟及延性分析,模型中分别采用了栓焊连接(WUFB)、狗骨式连接(RBS)及翼缘盖板焊接连接(WCPF)。结果表明狗骨式连接节点具有最强的延性,其脆性破坏的概率最低,而翼缘盖板焊接连接节点转动能力好于栓焊连接节点。该研究尚未考虑动力作用效应的影响。

　　 半刚性节点既具有较高的抗力,又具有一定的转动变形能力,在结构进入大变形后能使水平构件产生较大的轴向拉结力。其综合经济指标相对较高,且对结构的变形能力和承载能力会有较大影响,所以应重点关注半刚性节点在结构大变形下的力学性能。

　　 钟炜辉等 ^[31]通过建立腹板双角钢连接梁柱子结构的理论及数值模型,提出了该连接形式下梁柱子结构抗连续倒塌承载力计算公式,并分析了梁高跨比、连接角钢厚度及节点螺栓布置等因素的影响,对该连接形式的钢结构抗连续倒塌设计提出了建议。

　　 Gong等 ^[32]通过试验及建立的数值模型,分析了两种角钢连接节点形式(顶底角钢及腹板单角钢连接)梁柱子结构的抗连续倒塌性能。研究表明腹板单角钢连接能充分发展悬链线机制,而顶底角钢连接受力机制则主要为梁机制,具有更大的承载能力。此外角钢连接在设置合适约束时能忽略拱效应的影响。该研究未考虑楼板对梁柱子结构的影响。

　　 Yang等 ^[33]通过研究角钢与螺栓的力学性能,提出了在几何非线性和材料非线性条件下角钢连接受拉时的力学模型,模型考虑了角钢和螺栓的连接性能、螺栓断裂的极限承载力以及破坏模式下连接构件的变形性能等关键因素。将该模型应用于连续倒塌分析研究中 ^[34],获得了较好的模拟结果。

　　 Yang等 ^[35]在已有试验 ^[36]的基础上分别用静态及显式动态求解的方法对六种螺栓连接节点形式在中柱失效工况下的悬链线效应进行了数值模拟,得出大多数条件下静态求解效果好于显示动态求解,而在断裂及不收敛模拟中显式动态求解的效果较好,但求解过程将耗费大量计算资源。研究同时表明连接板的长度、螺栓的排列个数及位置等对结构发挥悬链线效应均有影响。通过对比规范后发现,其规定的节点转动能力限值过于保守,仅考虑了弯曲阶段的抗力。

　　 Liu等 ^[37]基于组件法提出了简化力学分析模型以预测角钢连接节点(包括腹板角钢连接及顶底角钢连接)在连续倒塌工况下的动力响应。模型将各类承载机制简化为弹簧,考虑了角钢和螺栓受拉压、螺栓受剪及螺栓滑移等受力状态,并根据拟静力试验提出了螺栓承载力的失效准则。同时将模型运用于两个四跨钢框架结构非线性动力分析中,并与静力分析结果进行比较,提出了该连接形式下考虑动力效应的动力放大系数。

　　 张磊 ^[38]通过对端板连接及T型钢连接梁柱子结构进行冲击试验及数值模拟,研究了节点动态抗冲击力学性能。研究表明两种连接形式的破坏模式不同,端板连接更接近于脆性破坏。数值模拟结果与静力分析结果吻合较好。文章根据分析结果分别提出了跨中刚性节点和半刚性节点基于位移的动态悬链线发展模型,同时引入考虑悬链线效应的结构承载力增大系数反映悬链线效应的影响。

　　 孟宝等 ^[39]建立了平齐端板连接梁柱子结构数值模拟,并与试验结果对比,提出了四阶段抗连续倒塌分析的简化模型,并分析了梁跨高比及端板厚度等关键参数对子结构抗连续倒塌性能的影响。研究结果表明过大的梁跨高比及端板过薄或过厚均不利于悬链线机制发挥作用。

　　 Cassiano等 ^[40]建立了平齐端板连接节点数值模型,探究螺栓尺寸、端板厚度、螺栓排列、梁构造及柱受弯轴方向等参数对节点在连续倒塌工况下力学性能的影响。研究表明节点-梁轴向刚度比将影响结构受力机制,梁刚度较小的结构会呈现压拱受力模式,在转角较小时承载力较高,而较大时则呈现悬链线受力模式,其具有较高的承载能力。合理的端板厚度有利于结构发展悬链线受力模式,过薄节点会过早破坏,过厚则转动刚度减小。焊缝强度应强于连接板,故建议采用全熔透焊缝代替角焊缝,并增加螺栓直径及列数。

　　 Xu等 ^[41]在Swanson等 ^[42]建立的T型钢地震响应模型的基础上提出了T型钢连接节点在连续倒塌工况下的宏观分析模型,模型考虑了T型钢翼缘与梁的相对滑移、承压变形及T型钢翼缘和腹板的刚度及位移极限等因素,梁柱节点区简化为由转动弹簧组成。将模型与已有试验进行对比,获得了较好的拟合度,同时分析了节点的塑性发展情况对结构抗连续倒塌能力的影响。

　　 Dinu等 ^[43]对盖板-螺栓连接(CWP)、加腋端板连接(EPH)、狗骨式连接(RBS)及普通端板连接(EP)等四种连接节点形式的子结构抗连续倒塌性能进行了试验及数值模拟。研究表明普通端板连接节点的延性最低,导致其无法进入悬链线阶段,仅能发挥弯曲阶段承载力,而其余三种类型节点均能发挥悬链线阶段承载力。文章同时通过数值模拟对大变形下节点应变分布及抗力机制进行了进一步探讨。

　　 Sun等 ^[44]建立了端板连接节点的简化组件模型,节点组件均简化为各种受力模式的弹簧,并将其用于火灾工况下节点的抗连续倒塌性能影响分析中,分别考虑了结构在受压、受拉及连接断裂后的受力情况。该力学模型构建过程较为复杂,且未考虑平面外构件连接及局部火灾造成的动力放大效应的影响,仍需进一步研究。

　　 Liu等 ^[45,46]对连接承载力较低的仅有腹板螺栓的抗剪板连接节点提出了两种改进方案,以增强节点传递弯矩的能力,使结构更充分地发挥悬链线作用。分别用理论推导方法及数值模拟方法进行了分析,并考虑了材料非线性和几何非线性。研究表明两种加强节点均能提升节点延性及承载力,并能将梁所受弯矩传递至柱。同时当节点增强后,柱需具有足够的承载力避免屈服后形成更严重的倒塌。

　　 Stylianidis等 ^[47]建立了钢结构及组合结构连接节点的力学模型以描述节点在连续倒塌过程中的性能。模型考虑了弯矩和轴力共同作用引起的结构响应及非线性弯矩-转角特征,解决了其他模型建模过程中存在的缺陷。虽然模型的建立是以半刚性节点(端板连接)为基础,但其建模原理能广泛运用于其他类型节点中。

　　 除典型刚性及半刚性节点外,柔性节点、局部开孔节点及组合结构连接节点的抗连续倒塌性能也值得关注。

　　 王帅锋 ^[48]以梁腹板开孔节点为研究对象,分别对开孔节点及传统节点在连续倒塌工况下的受力性能进行对比,并分析了跨高比及开孔参数等对节点性能的影响。研究表明相较于传统节点,开孔节点具有更好的变形能力,在大变形下能充分发挥梁内轴力,而加大梁跨高比、减小孔径等方法可提升开孔节点抗连续倒塌能力,基于此给出了开孔参数取值建议。

　　 李天昊等 ^[49]利用数值模拟方法对中柱失效工况下的方钢管混凝土柱-外环板式组合梁节点进行了模拟,分析了楼板及组合节点中关键构造参数的影响。研究得出该类节点在连续倒塌过程中共分为六个阶段,分别为弹性阶段、弹塑性阶段、拱效应阶段、塑性阶段、混合机制阶段和悬链线效应阶段。楼板的拱效应和后期拉结作用均能提升节点的承载力,因此楼板对节点抗连续倒塌性能有较大贡献。同时研究也表明,钢梁材性以及钢梁翼缘与腹板的厚度对组合节点连续倒塌性能影响较大。

　　 Guo等 ^[50]对五种刚性组合梁节点在连续倒塌工况下进行了试验,试验采用了三种加载方式:弯矩、拉力及其组合。研究表明当混凝土楼板压碎或钢梁受压屈曲后,节点抗弯能力将下降,节点转为悬链线机制承载。组合节点具有较大的转动能力及延性,可保证悬链线作用的发挥。

　　 Daneshvar等 ^[51]对不同单板梁柱连接节点形式进行了数值模拟,并与试验结果进行对比,发现吻合度较高,同时分析了螺栓个数、直径、等级和连接板厚度等参数对破坏模式的影响。研究表明该连接形式下子结构延性主要由螺栓孔变形提供,螺栓个数将影响结构进入悬链线阶段的时间并影响子结构的转动能力,并基于此提出了与螺栓个数有关的转动关系计算公式。

　　 基于对上述文献中针对钢框架连接节点在连续倒塌工况下力学响应的理论研究、试验结果及数值分析的总结,可以得出节点构造形式将很大程度影响钢框架在连续倒塌过程中的受力机制和延性,进而影响结构整体的抗连续倒塌性能。

　　 传统刚性节点是钢框架中最常用的节点形式,但由于其转动刚度较大,实际情况下无法产生较大转角,可以通过改变构造形式改善节点性能。基于此,多种改进后的刚性连接节点出现,如狗骨式连接、盖板螺栓连接、翼缘或腹板加强连接等,它们具有较强的节点转动能力,同时也具有足够的承载力,能有效提升结构抗连续倒塌性能。同时,焊缝质量是决定节点抗连续倒塌性能的重要因素,焊缝强度应高于节点强度。

　　 半刚性节点具有更小的转动刚度,能增强结构的延性,经济性较高,但目前对节点在大变形下力学性能的研究仍处于初步阶段。目前已有多种半刚性节点在连续倒塌工况下的力学模型被提出,并具有较高的试验拟合度。通过对各种典型半刚性节点的受力性能及构造关键参数的分析,表明梁跨长、高跨比、螺栓排布、节点板厚度等因素对半刚性节点在大变形下的悬链线效应有较大影响。

　　 此外,其他类型节点如开孔节点、组合节点的力学性能也被广泛地研究。

　　 鉴于节点力学性能在钢框架抗连续倒塌设计中的重要性,并考虑到目前研究成果中存在的局限性,后续研究可从以下几方面开展:

　　 (1)采用动力加载方式进行梁柱子结构试验研究。目前节点性能试验研究中绝大多数采用静力加载方式,主要原因是其方便控制且易于观察试验现象,而未采用动力加载以考虑动力效应的影响。动力加载能准确模拟结构局部在瞬间失效后的整体反应,研究 ^[52]表明动力加载方式会影响结构的极限承载力及变形能力。故当试验条件允许时宜采用动力加载方式真实地模拟节点在结构连续倒塌工况下的性能。

　　 (2)开展考虑填充墙板作用效应的梁柱子结构节点抗连续倒塌性能研究。大多数基于梁柱子结构的节点性能研究未考虑墙板作用效应的影响,墙板的支承作用也有助于提升整体结构的连续倒塌抗力。故应建立精细化模型模拟节点与墙板在共同受力机制下的力学性能,量化二者的影响。

　　 (3)开展对新型装配式钢结构连接节点抗连续倒塌性能的研究。在建筑工业化的背景下,国内外出现了多种新型装配式钢结构体系,如ConXtech体系、空腹梁支撑钢框架体系等,产生了多种新型的梁柱连接形式。目前抗连续倒塌性能研究的主要对象为传统钢结构连接节点,故应开展新型装配式结构体系中节点在连续倒塌工况下的受力性能的研究。

　　 (4)建立完善的节点在连续倒塌工况下的力学分析模型。目前各类型节点在移柱工况下的基于组件的力学模型均被提出,但其建模过程繁琐复杂,且容易失真,例如仅较少模型考虑了节点在弯矩-轴力共同作用下的受力机制,且未考虑节点大变形的影响,无法应用于实际设计中。对于复杂类型节点应进行进一步研究,提出有效且易于指导工程设计的分析模型。

　　 (5)在抗连续倒塌分析中考虑空间作用的影响。大多数针对典型节点的研究中未考虑框架的空间作用效应。在真实连续倒塌工况下,框架平面外水平构件也可起到拉结作用,平面外构件的存在是否影响节点在大变形下的力学性能,仍需进一步研究。