1. 引言
钢结构是指以钢材为主要原料，通过焊接、螺栓连接等方式连接而成的结构体系。因其具有良好的力学性能和加工性能是目前建筑物的重要组成部分。
钢结构作为一种抗震性能良好的结构形式，在建筑中具有重要地位。然而，钢结构的核心部位是梁柱节点，其抗震性能的优劣对整个结构的抗震能力有着直接且关键的影响。如果节点设计不当或施工质量不佳，则在地震中容易导致结构发生脆性破坏，进而影响整个钢结构的实用性能。在地震灾害下，传统的钢结构体系的局限性日益凸显。回顾美国北岭地震以及日本阪神地震，大量钢结构建筑受损严重，尤其是梁柱节点的连接处大量发生的脆性破坏现象[1]-[3]。
基于“强柱弱梁”的抗震原则，国内外学者就强节点弱构建及塑性铰外移原则展开研究。通过不同的连接方式分析结构的抗震性能。本文就节点加强型钢结构梁柱节点抗震性能进行综述。
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2. 钢结构梁柱节点加强方法
加强型节点的核心思路是从梁柱连接处的横截面积入手。通过加大该区域的横截面积来提升节点的刚性和强度。使塑性铰转移到梁上的位置，进而保障建筑结构的安全性能[4]。加强梁柱节点的方式包括：加大梁的翼缘宽度，附加盖板、腋板、加劲肋、侧板以及组合加强法。加强型节点相比于传统节点，提升了节点的承载能力，延性，耗能能力。
3. 加强型节点国内外研究现状
3.1. 翼缘加强型钢结构梁柱节点
翼缘加强型节点指通过在梁翼缘处增加翼缘的宽、厚、长度等。用以增强构件的强度和抗震性能。国内较早研究翼缘加强型节点的为王路遥教授，王路遥[5]首先利用有限元模拟数据图像，并与实验所得数据相比较，验证了有限元模拟的准确性。之后利用有限元模拟对比分析了扩翼型节点(如图1)和传统焊接节点的抗震性能，结果表明：扩翼型节点可使塑性铰的位置从梁翼缘焊缝处外移离梁端部约0.14倍的梁的位置处；扩翼型节点的延性系数和等效粘滞阻尼系数分别大于0.4和等于0.34，符合标准。因此，在耗能方面扩翼型的梁柱节点有更大的优势，能有效地保护节点处的焊缝。此类节点不仅能优化应力集中，且有效提升了节点的承载力与刚度。
Figure 1. Diagram of expanded airfoil node
图1. 扩翼型节点图示
杨文秀[6]等设计研究了一种互字型翼缘加强型钢结构梁柱节点(如图2)的抗震性能。并利用有限元软件模拟对比分析。实验共设计了3个试件7个模型，试件采用栓焊结合的方式连接。试验结果表明：试件滞回曲线饱满，耗能能力强，延性系数均可达到5.0以上。通过增加翼缘板的拼接板的厚度，能让试件承受的最大压力变大，能拉伸的最大长度变长，而且刚度退化的速度也会减慢。翼缘宽度参数对结果无明显影响。最佳设计方案是翼缘厚度比翼缘拼接板的厚度少2 mm~4 mm，宽度比翼缘宽30 mm~50 mm。则拼接板的塑性变形以及相对滑移使节点的耗能能力增强。
Figure 2. Illustration of the U-shaped flange reinforcement node
图2. 互字型翼缘加强节点图示
国外学者Kim [7]等基于“强柱弱梁”的设计理念，研究了两种加强型的钢结构梁柱节点，即：翼缘板连接的加强型节点以及盖板连接的加强型节点，利用ABAQUS有限元软件对若干个模型进行有限元分析。结果表明：与传统的梁柱节点相比，这两种加强型节点的抗震性能都更加优异，都展现出更加出色的抗震性能。从破坏形式上来看，盖板连接的节点更容易发生脆性破坏。在应力分布方面来看，这两种方式均使得梁端应力变得复杂，应力分布不再遵循常规模式。此外，加强板的形状也会影响其抗震性能，通常矩形板可以更有效地分散应力以及增强节点的承载力。且使用三面角焊缝将加强板连接到梁翼缘更加符合抗震需求。
Gholami [8]等学者利用实验及有限元模拟对3个翼缘板加强型全尺寸构件进行了研究，构件通过梁端翼缘板局部加宽实现加强。结果表明：通过这种加强可以实现塑性铰外移，保护了梁端焊缝。节点的滞回性能和延性优于传统节点。利用有限元模拟研究了翼缘连接板长度：翼缘板长度过大会增加塑性铰区坡口焊缝的塑性应变值，在塑性铰区连接梁腹板与梁翼缘的坡口焊缝发生撕裂。因此翼缘连接板的长度应尽可能地缩短且角焊缝的厚度应增加到最大允许值。
扩翼型钢结构梁柱节点通过加大翼缘端部截面，增大了节点的抗弯能力，可以避免脆性破坏、提高耗能能力、增强结构刚度。但扩翼型节点的制作工艺，节点的构造相对复杂，且用钢量增加导致结构的自重增加，不利于成本的控制，还可能影响结构的整体性能。若施工设计不当，扩翼段的形状尺寸不合理，可能导致应力集中。
3.2. 肋、盖、侧板等加强型钢结构梁柱节点
通过在梁翼缘或柱翼缘处增设加强构件，可优化节点区域的应力分布；同时增强节点的刚度及抗变形能力，使节点更有效地传递梁柱间的内力。进而有效提升节点的抗震性能。刘占科[9]为验证用隔板贯通式节点连接工字形截面梁和箱形截面柱的抗震性能，对钢结构梁柱刚性节点进行了侧板加强并进行试验研究。此种节点是通过利用侧板加强梁端的梁柱刚性连接，实验中包括4个1/2缩尺模型的T形连接试件，通过有针对性地控制梁翼缘宽厚比例、腹板高厚比以及不同的加强方式来研究结构的延性。结果表明：在各类连接方式中，侧板加强式刚性梁柱连接的抗震性能较好，在其强度和刚度方面表现优异，变形能力较其他加强方式节点较差。这种节点施工时需注意焊接时产生的热影响，防止母材因热影响而变脆，进而影响节点的韧性。
陶长发[10]等为分析附加盖板的钢结构梁柱节点的滞回性能和刚性、延性等。设计了1:3的缩尺试验对试件进行低周往复加载实验。分析结构。并结合节点域剪切变形公式。计算出节点域变形程度。
Figure 3. Cover plate reinforced beam-column joint
图3. 盖板加强型梁柱节点
结果表明：梁翼缘的宽厚比较大以及梁端腹板也较大时，节点端部区域的约束条件变得复杂，荷载达到一定程度后节点端部容易发生局部屈曲现象。随之结构的受力状态发生变化，节点的承载力和延性会迅速下降；反之则梁端部容易出现屈服现象，节点质量难以把控；当节点设置相应盖板时，节点将会发生延性破坏，达到设计的抗震要求。
陈杰[11]等学者设计了4个1/2模型用以模拟静力加载实验，研究一种焊接翼缘板的钢结构加强型梁柱节点。并分析其在反复荷载下的滞回性能。并且，另外设计了盖板加强式梁柱刚性连接的对照试验。还研究了包括腹板高厚比和梁翼缘宽厚比对连接性能的影响以及节点域强弱对连接塑性转动能力的影响。
结果表明：在实验中试件均未发生脆性破坏且加强板均未发生弯曲。相较传统节点更加优良。研究数据表明，当梁端塑性转角处在0.044 rad~0.054 rad的区间范围之内，能够满足预先设定的性能标准。当增大梁翼缘的宽厚比时，其局部稳定性降低。在受到地震荷载时更容易进入塑性阶段而发生局部屈曲现象。但这种变化对梁的极限承载力影响较小，基本处于可接受的波动范围内。梁腹板的高厚比减小时，梁能够承载更大的应力。节点域的强弱影响着应力的传递与分配，当节点域较弱时结构的承载力明显下降，但变形能力却显著提高。
余飞[12]等学者设计并研究了一种新型加强型节点，利用有限元软件(如图4)对所设计构件进行加载模拟。结果表明：新型端板加强型节点滞回曲线饱满，卸载后刚度曲线退化速率慢。节点的耗能性能、承载能力、塑性变形能力、抗震性能均有着更大的优势。与全焊接型节点相比，端板加强型的钢结构梁柱节点可以有效减少焊接时产生的残余应力。通过分析其骨架曲线和滞回曲线发现，相比于传统节点，端板加强型节点有着更好的承载力和变形能力。在连接可靠性、施工效率、受力适配性等方面具有巨大优势。
Figure 4. New node design
图4. 新型节点设计图
Gang Shi [13]等学者为探寻大跨度或重载荷的钢结构节点的受力性能，通过实验以及有限元模拟研究了设置梁端加劲肋的加强型节点。梁柱连接方式为端板栓接，并对4个不同端板厚度、螺栓直径或螺栓布局的超大容量端板节点全尺寸试件进行了单调载荷。讨论了失效模式以及弯矩–旋转曲线，分析了螺栓中拉伸应变增量的分布。研究表明：该新型节点的耗能能力，延性和承载力均得以加强，可以很好地实现塑性铰外移，传统的加长端板节点受螺栓轴向拉伸能力的限制，可能无法满足承载要求。
Tong L [14]等学者开发了一种新型的加强型钢结构梁柱节点，即在节点处增加铸钢连接件。此种构件可以有效的利用无焊铸钢连接件在地震时受力变形而进行耗能，并设计了五个试件。这种试件有效地增强了翼缘部分。通过对试件进行低周往复的加载实验。结果表明：此种连接节点有效地增强了耗能能力，提升了受力性能，滞回曲线饱满且等效粘性阻尼达到了37.5%，且这种铸钢连接件有易于更换的优点。
在地震发生时，连接处的耗能角钢会吸收大部分的地震能量。从而使塑性损伤避免出现在节点上，且耗能角钢与梁段连接采用螺栓连连接，大缩短了震后结构修复的时间和成本。邵铁峰[15]等基于钢结构在震后受到损伤能立即更换配件使其迅速恢复使用功能的理念。设计研究了利用角钢在连接处加强新型节点(如图5)。实验共设计了3个可更换的梁构件进行静力加载实验。结果表明：角钢作为耗能试件的节点具有良好的滞回性能，通过控制角钢的横截面积和角钢的相对位置等参数，能够将塑性变形控制在角钢上。震后更换耗能角钢，可以使结构达到原来的力学性能。
Figure 5. Replaceable steel beam connected by angle steel
图5. 角钢连接的可更换钢梁图
之后吕恒林[16]等学者进一步提出装配式加强型钢框架梁柱节点，该节点用栓接形式将角钢固定于梁柱节点，并利用有限元模拟和对全尺寸试件进行静力试验，结果表明：在循环荷载的加载过程中，角钢及加劲肋出现了明显的变形。其中角钢连接板加厚时，角钢的形变程度较小。角钢的尺寸的变化以及加劲肋的形式都对结构延性、承载力产生影响。这类附加角钢的节点形式不仅有效地提高了结构的抗震性能，而且在震后可以通过更换试件快速修复受损结构。
J Shen [17]等学者提出梁腹板及梁顶底翼缘处附加角钢的设计形式，首先验证了有限元软件的准确性，并进行低周往复的加载实验来研究该类节点的耗能能力、非弹性性能、破坏模式等。研究结果表明：螺栓连接下的角钢具有良好的耗能能力以及延性，这种节点在震后可及时更换角钢实现快速修复。
肋板、盖板、侧板、角钢加强型钢结构梁柱节点可以有效提高梁柱节点的强度和刚度、改善应力分布，避免结构因应力集中而产生的脆性破坏，有效提升了结构的延性。但是此种加强方式会增加结构的自重、焊接质量难以控制。
3.3. 组合加强型梁柱节点
组合加强型节点是通过局部削弱引导塑性变形与针对性加强保障节点强度的协同设计的方式，实现了“强节点，弱构件”的设计理念。
张艳霞[18]等为探究削弱与加强共存的节点的抗震性能。设计了两类3种钢框架结构，即在翼缘削弱并在梁端焊接加宽、非焊接加宽以及加厚。并通过大比例尺实验以及有限元模拟进行分析。结果表明：这3种节点在地震中都能实现将塑性铰转移至设计的钢梁位置处，从而保护了结构焊缝。有限元数据分析得知，这种新型构造节点的耗能能力和塑性转动能力均优于传统单一节点。可以在实际工程中使用。
国内学者郑宏[19]等学者利用对梁端进行侧板加强与梁翼缘狗骨式削弱组合节点进行有限元分析(如图6)，对其拟静力模拟。结果表明：在加载模拟中，梁端削弱区发生塑性变形，最终发生延性破坏。在数值模拟中节点的滞回曲线饱满，耗能能力优异。这种节点的构造形式可迫使塑性铰在远离梁端处形成，有效提升了节点的抗震性能。在各种参数分析中，塑性铰移出位置通常由端板的厚度所决定。节点的总体承载力以及耗能性能通常由侧板末端倾斜角度决定，但削弱处的深度对结构延性以及承载力影响较大，需合理设计。
Figure 6. Side panel reinforcement combined with dog-bone weakening
图6. 侧板加强结合狗骨式削弱
郭宏超[20]等学者为满足钢结构节点强度和结构延性的需求，提出了一种在梁端翼缘进行板式连接过渡，在距离节点一定距离处进行锥形削弱的组合节点设计，实验共设计了5个试件。结果表明：该类节点在实验中的塑性变形均在削弱区发生，可以有效实现塑性铰的外移。但节点承载力有所降低，削弱段的效果没有发挥完全。加强型节点中设计合理的削弱可以更好地为钢结构在实际应用发展中提供科学的数据理论支撑。
国外学者Cheol-Ho Lee [21]等设计研究了一种削弱和加强共存的梁柱连接节点，即：梁端进行肋板加强并在梁翼缘处狗骨式削弱。共设计了3种不同尺寸的新型节点进行研究。结果表明：三种不同尺寸的节点均满足结构的抗震条件。脆性断裂发生在翼缘削弱处，实现了塑性铰外移，并且肋板增加了节点的承载力。这种方式结合了加强和削弱的优势，应在实际工程中多加实践应用。
钢结构中组合加强型梁柱节点一般会提高结构的延性。节点在地震作用下能首先在削弱区发生塑性变形，进而消耗能量。避免脆性破环保护梁柱主体结构。但这种方式由于梁端存在削弱，会降低结构的初始刚度，削弱区形成的应力集中会降低节点的疲劳性能。善用此类节点用以加速钢结构的快速发展，继而钢结构建筑行业逐步产业化[22]-[24]。
4. 结语
本文总结了近些年来国内外对于加强型钢结构梁柱节点的研究状况，通过梳理不同形式的梁柱节点对于抗震的能力，总结了以下结论：
(1) 当前研究已从早期聚焦“单一抗震性能提升”(如节点承载力、延性)的阶段，全面进入“多目标协同优化”的关键时期，抗震韧性、经济性与耐久性，的耦合提升，成为衡量加强型节点工程价值的核心指标。
(2) 加强型节点的抗震性能提升需突破“材料性能–构造形式–传力机制”的协同适配难题，如盖板加强、加劲肋加强等传统形式仅能局部优化节点刚度，难以同时满足大震下“强节点、弱构件”的设计原则与复杂工况下的传力效率。
(3) 现有研究已验证加强型节点对钢结构整体抗震能力的提升作用，但不同加强形式的抗震性能评价标准不统一、复杂节点(如异形柱–梁节点)的加强方案缺乏系统性设计方法，仍是制约其大规模工程应用的核心矛盾。
我国对于钢结构节点的研究起步晚于美国与西方国家，对于加强型节点的研究还存在许多问题。在实际应用中需计算好塑性铰的位置、节点加强过度后如何避免构件的脆性破坏。以及环保问题、美观问题以及空间利用率等需要注意。因此结合实际后在研究中还应注意以下要点。
强化板类构件焊接品质管控与栓接工艺精细化设计，加快实用性突出的加强型钢结构建筑的研发与工程落地，为钢结构产业的进一步升级及推广提供支撑。