鋼框架節(jié)點形式及位置對抗震性能的影響

周玉萍

一、前 言

一直以來，鋼結構被認為具較好抗震性能的結構形式之一。但是相續(xù)發(fā)生在美國的北嶺地震和日本的阪神地震，使鋼框架的梁柱節(jié)點發(fā)生了不同程度的破壞，主要集中在梁柱混合連接節(jié)點上，因此以梁柱混合連接為主要對象。焊接鋼框架節(jié)點的破壞，主要發(fā)生在梁的下翼緣，而且一般是由焊縫根部萌生的脆性破壞裂紋引起的裂紋擴展的途徑是多樣的，由焊根進入母材或熱影響區(qū)，北嶺地震和阪神地震給美日兩國帶來了巨大的損失[1]。在北嶺地震和阪神地震之前，圖1所示的傳統(tǒng)梁柱栓焊節(jié)點連接被廣泛應用在多高層鋼框架結構中，當時普遍認為該節(jié)點設計方法能夠保證節(jié)點發(fā)揮材料的延性，促使結構在梁端出現(xiàn)塑性鉸，并通過塑性鉸的形成和轉動耗散地震所輸入的能量，使節(jié)點免于破壞，并保證結構的整體性能使其免于倒塌，以滿足 “強節(jié)點弱構件”的設計思想。震后的十多年里，日本、美國等國家對鋼框架梁柱節(jié)點連接的抗震性能以及延性等開展了大量的試驗研究，美國除采取相應措施消除焊接襯板的缺口效應外，主要致力于將塑性鉸外移的研究工作。大量研究結果表明：強柱弱梁、強節(jié)點弱桿件的試件可以發(fā)揮梁的塑性承載力，形成梁產生塑性鉸的破壞機構，從而具有較大的變形能力和耗能能力，即具有良好的抗震性能。對鋼梁截面進行削弱，形成薄弱截面，使強震時梁的塑性鉸自柱面外移，從而可以避免梁柱連接處發(fā)生脆性破壞。

塑性鉸外移的方法大致上分為兩種基本形式，即節(jié)點加強型和節(jié)點削弱型。兩種方式的共同目的都是為了將塑性鉸自柱面外移到距柱面一定距離的梁上，從而避免了由于節(jié)點變形能力的惡化而導致的脆性破壞。

圖1 梁柱栓焊連接節(jié)點

二、加強型節(jié)點

節(jié)點加強型主要是通過蓋板和梁翼緣局部加寬等方法將節(jié)點域加強，從而使塑性鉸產生的區(qū)域向節(jié)點域以外的梁端移動，使塑性鉸出現(xiàn)在梁上，盡可能的遠離節(jié)點域，從而有效保護節(jié)點域，降低節(jié)點出現(xiàn)脆性破壞可能性，包括在梁端對翼緣加強或在豎向加腋等方法，具體形式如下：

根據(jù)美國FEMA273，強柱弱梁表達式中的梁抗彎承載力，表現(xiàn)在梁原截面抗彎承載力和塑性鉸剪力與其到柱面彎矩的乘積二者之和，已列入抗震規(guī)范。

1.蓋板式節(jié)點[2]（見圖2）其設計思想是加強節(jié)點承載能力。這種節(jié)點的延性要好于以往的節(jié)點，但有時也出現(xiàn)脆性破壞。對于這種節(jié)點，最大的困難就是蓋板與梁翼緣的焊接及檢測，特別是采用厚蓋板時將使坡口焊很大，致使焊縫的收縮、復原等更加困難，同時更容易在梁翼緣和蓋板的交界處產生更大的殘余應力。此類節(jié)點目前應用不多。

圖2 蓋板式節(jié)點

圖3 邊板式節(jié)點

2.邊板式節(jié)點 （見圖3），此種節(jié)點通過邊板使梁柱相連，避免了梁與柱翼緣的焊縫連接，解決了焊縫處柱翼緣厚度方向的強度問題，又有良好的受力性能，與蓋板式節(jié)點相比較施工工藝簡單，而且焊接水平的要求也稍有放寬，但造價無疑是最高的[3]，這種節(jié)點不提倡使用。

3.勁板式節(jié)點[2]（見圖3a），此節(jié)點和蓋板式節(jié)點有相似。同樣存在著三軸應力和造價增加等問題，但是勁板式節(jié)點在焊接工藝上要好于蓋板式節(jié)點。

圖3 a 勁板式節(jié)點

圖3 b 勁板式節(jié)點

4.托座式節(jié)點[4]（見圖4），這種節(jié)點形式的設計思路是通過加強節(jié)點使得塑性鉸出現(xiàn)在梁上，通過加強節(jié)點來減少焊縫處的應力。它用兩個托座分別將梁的上下翼緣和柱翼緣連接起來，托座與梁翼緣一般通過焊縫連接，托座與柱翼緣則可通過鉚接、螺栓連接或焊縫連接。其中當托座與柱翼緣通過螺栓連接時一定要使用大的高強度螺栓，以保證節(jié)點為剛性連接。這種節(jié)點形式在實驗室研究中也表現(xiàn)出很好的延性，但造價相對較高。

圖4 托座式節(jié)點

三、削弱型節(jié)點

節(jié)點削弱型是通過裁剪梁翼緣板或者梁腹板使節(jié)點域以外的梁的翼緣或腹板得到削弱，從而使節(jié)點在受力時削弱的梁首先屈服，進入塑性狀態(tài)產生塑性鉸來保護節(jié)點域。一般包括鋼梁腹板削弱和鋼梁翼緣削弱式。美國FEMA(FederalE-mergencyManagemeniAgency)的研究報告表明：鋼梁腹板削弱適合于即存結構的修復，但這種方式對梁端抗剪不利，我國未見采用。

（1）翼緣削弱式節(jié)點 （圖5），此類節(jié)點又因其形狀而被稱為狗骨式節(jié)點。狗骨式節(jié)點根據(jù)削弱形狀又可分為三種:直線型、錐型和圓弧型，分別如圖所示。理論分析、數(shù)值計算和實驗研究均表明:三種不同類型節(jié)點中，直線型承載力較低，應力集中明顯，延性性能較差，工程中不宜采用;錐型節(jié)點承載力最高，應力集中較輕，但延性稍差；圓弧型承載力居中，應力集中較輕，延性較好。綜合考慮，錐型和圓弧型節(jié)點性能好，施工簡便，值得進一步推廣[5]。因此，錐型和圓弧型狗骨式節(jié)點更加受到研究者和試驗的關注。美國FEMA等研究機構在同一時期則進行了大量狗骨式節(jié)點試驗，此種形式在美國和臺灣應用較多，但在日本和我國主要采用加強型連接，狗骨式很少采用。

圖5 狗骨型節(jié)點

（2）腹板開洞型節(jié)點 （圖6），國內外對這種節(jié)點的研究還比較少，美國的FEMA報告中提到過梁腹板開設圓孔的削弱型節(jié)點[6]，但并未給出其性能指標。韓國學者JongWonPark，InkyuHwang利用懸臂梁試件對梁腹板開有洞口節(jié)點做了一系列試驗研，試驗[7]表明，除個別試件外其它的試件都達到了指定轉角水平。北京交通大學楊慶山教授以及他的研究生對此節(jié)點的開洞半徑和梁腹板上的圓孔與柱翼緣的距離對節(jié)點域的承載能力的影響作了詳細的論述。這種節(jié)點主要是在不影響腹板對梁翼緣的約束和滿足豎向剪力的條件下，控制開洞位置和開洞大小，使得梁的腹板得到削弱，在節(jié)點域外側梁腹板削弱處產生塑性鉸，從而起到確保節(jié)點連接的安全。經(jīng)過研究表明這種節(jié)點有良好的延性，能有效的避免節(jié)點域的塑性破壞。但是這種節(jié)點的抗剪能力下降，不宜用于承載力較高的框架結構。腹板削弱可以降低梁局部的抗彎能力。但就降低梁局部抗彎能力而言，削弱腹板不如削弱翼緣有效，同時節(jié)點抗剪能力下降卻比較大，一般不作為考慮塑性鉸外移的構造形式。

圖6 腹板開洞型節(jié)點

蜂窩梁主要用于特定情況下提高梁剛度和減少鋼材用量之用，鑒于其組成焊縫和突角對發(fā)展塑性不利，作為塑性鉸外移的一種構造形式，未見推薦，建議此節(jié)不列。

四、總 結

隨著鋼結構的發(fā)展，越來越多的鋼框架節(jié)點形式被提出，鋼框架節(jié)點在設計中是至關重要的，節(jié)點連接好壞直接影響到鋼框架的整體結構，以上各種節(jié)點形式的提出主要想通過加強節(jié)點或削弱梁的翼緣、腹板從而使結構破壞時的塑性鉸外移，保護節(jié)點，實現(xiàn) “強節(jié)點，弱構件”的設計思想。雖然它們的計算理論相對比較完備，但是仍然存在著很多需要解決的問題，如削弱型節(jié)點性能的研究。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，鋼結構特別是輕鋼結構近幾年來在我國有了很大的發(fā)展，相信會有更多更好的節(jié)點出現(xiàn)。

[1]吳楠.北嶺地震和阪神地震后美日堅鋼框架節(jié)點設計的改進,2009.

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