一種新型的鋼結(jié)構(gòu)連接

劉 猛，相仁鳳

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧錦州121001）

一種新型的鋼結(jié)構(gòu)連接

劉 猛，相仁鳳

（遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧錦州121001）

鋼框架結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代社會(huì)的應(yīng)用越來越廣泛，其梁柱連接是整個(gè)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，梁柱連接性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的安全性。通過研究綜合各種連接的優(yōu)勢，將螺栓鑄鋼支架和帶有狗骨式梁翼緣的ConXtech連接相結(jié)合，形成一種新型的連接方式，更好地增加了節(jié)點(diǎn)延性，在地震發(fā)生時(shí)可以抵抗更大的變形，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

鋼框架；梁柱連接；新型連接

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)由于自重輕、強(qiáng)度高、延展性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于工程建設(shè)中。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，梁柱連接的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是重中之重。許多鋼結(jié)構(gòu)建筑都是由于節(jié)點(diǎn)的破壞而造成了整體的毀壞。這種破壞是不可恢復(fù)的，造成的損失也是不可估量的。1994年美國Northridge地震中鋼結(jié)構(gòu)建筑的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了500多處的脆性破壞。因此，國內(nèi)外科研人員就梁柱節(jié)點(diǎn)做了大量研究，在傳統(tǒng)連接方式基礎(chǔ)上，提出了一些新型連接方式。所謂新型連接，是指在傳統(tǒng)連接的基礎(chǔ)上，與傳統(tǒng)普通節(jié)點(diǎn)相比，運(yùn)用了一些更先進(jìn)、更特別的節(jié)點(diǎn)連接方式，更好地保證節(jié)點(diǎn)安全，更好地實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)理念。這種新型的連接方式在改善節(jié)點(diǎn)延性和耗能方面發(fā)揮了積極的作用。同時(shí)一些新型連接技術(shù)開始出現(xiàn)在市場上，并獲得了眾多工程師的一致認(rèn)可。目前，通過用于工程實(shí)際的傳統(tǒng)連接包括：梁削弱型連接、翼緣板擴(kuò)大型連接和無需加固的焊接邊緣。另外，在梁的上下翼緣采用T連接也較廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐。本文介紹了一種更經(jīng)濟(jì)更有效的方法來設(shè)計(jì)鋼框架連接，這種連接方法能夠改善建筑物的性能，在經(jīng)歷大地震后可以更快速地進(jìn)行修復(fù)，這將為傳統(tǒng)的連接設(shè)計(jì)提供一定優(yōu)勢。

1 典型節(jié)點(diǎn)連接

在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中列舉的一些新型連接包括Kaiser螺栓支架和ConXtech現(xiàn)場拼接。目前正處于模擬測試階段的其他連接包括側(cè)板、腹板和銷保險(xiǎn)絲連接。側(cè)板連接系統(tǒng)可以提高連接的可靠性，因?yàn)閭?cè)板連接僅采用角焊縫和不完全熔透的坡口焊縫，另外側(cè)板連接還進(jìn)行了其連續(xù)性倒塌試驗(yàn)，結(jié)果表明該連接改進(jìn)了自身技術(shù)性要求等方面的應(yīng)用；腹板連接極大提高了低周反復(fù)疲勞性能，而且能夠在經(jīng)歷大型地震后不倒塌；銷保險(xiǎn)絲連接采用的是一種熔斷機(jī)制，在結(jié)構(gòu)破壞還沒有達(dá)到預(yù)期的轉(zhuǎn)動(dòng)能級時(shí)用摩擦滑動(dòng)代替材料屈服來消散能量。

1.1 Kaiser螺栓支架

Kaiser螺栓支架（KBB） 的連接如圖1所示。其構(gòu)件連接用的是鑄造高強(qiáng)度鋼支架，支架附著在每個(gè)梁翼緣上，可以焊接到梁翼緣上，也可以通過螺栓固定在梁翼緣上，然后用高強(qiáng)螺栓將支架固定在柱翼緣上。支架與梁的全部抗彎能力成正比，當(dāng)遭受大的地震產(chǎn)生變形時(shí)，連接力屈服且梁上形成塑性鉸。鑄鋼件連接件在裝運(yùn)給工程制造商之前，每一個(gè)支架都經(jīng)歷了嚴(yán)格的質(zhì)量控制過程。在工廠車間，支架被系附在梁上，然后現(xiàn)場用螺栓固定在柱上，這消除了所有的現(xiàn)場焊接問題。為確定安裝誤差，支架柱螺栓孔是垂直的短槽而且孔的尺寸稍微會(huì)大一點(diǎn)。為增強(qiáng)鋼框架的承載力，通過螺栓固定的支架可以用在改造應(yīng)用方面，比如說Northridge地震前的建筑，可以提高其彈性和連續(xù)性抗倒塌的冗余等級。建筑物使用過程中，螺栓支架的改造排除了對人類健康的危害以及焊接改造可能帶來的火災(zāi)危險(xiǎn)。排除現(xiàn)場焊接通常也可以降低與制造和檢查有關(guān)的費(fèi)用。

圖1 Kaiser螺栓支架連接

1.2 ConXtech連接

ConXtech連接如圖2所示。ConXtech構(gòu)件連接包括梁、柱、環(huán)組件，這些組件通過高強(qiáng)螺栓預(yù)應(yīng)力錨件形成了一個(gè)壓縮環(huán)連接。在方形柱和工字梁之間，這些錨件提供了嚴(yán)格的雙向軸向定位，壓縮環(huán)被焊接到方形柱的四個(gè)角上通過焊接連接到寬翼緣梁的頂?shù)滓砭壣希朔N連接最多可接受四個(gè)彎矩連接梁和一個(gè)柱截面，由ConXtech連接建立了一個(gè)直立、穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。為滿足梁柱屈強(qiáng)比的限制，可以對梁單元進(jìn)行削弱，提供足夠的強(qiáng)度來抵抗梁屈服。

圖2 ConXtech連接

1.3 銷保險(xiǎn)絲連接

銷保險(xiǎn)絲連接如圖3所示。

圖3 銷保險(xiǎn)絲連接

銷保險(xiǎn)絲連接由Skidmor、Owings和Merrill三人創(chuàng)造，此連接處包含一個(gè)弧形板，鄰近梁柱連接處，其端部用摩擦型螺栓和一個(gè)鋼銷或空心管連接。嵌套的弧形板之間用剛墊片填筑，這樣鋼板彼此之間可以相對移動(dòng)，以銷為旋轉(zhuǎn)中心就形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)鉸。摩擦型螺栓將弧形板和墊片緊緊鎖住在一起，并提供旋轉(zhuǎn)阻力來承受梁單元上的負(fù)擔(dān)。銷抵抗梁上的剪力和軸向荷載。設(shè)計(jì)中螺栓用來維持風(fēng)荷載和中等地震中產(chǎn)生的連接剛度。在更大的地震事件中，設(shè)計(jì)在開槽空洞處的螺栓可以滑動(dòng)，通過摩擦阻力來消耗地震能量。這項(xiàng)連接對體系來說充當(dāng)著保險(xiǎn)絲的作用，設(shè)計(jì)的鋼框架在整個(gè)旋轉(zhuǎn)過程中保持著彈性。震后發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)框架保持相對穩(wěn)定，并沒有出現(xiàn)極大破壞，仍有抵抗破壞的能力。通過松開和擰緊螺栓等協(xié)助措施，可以回歸到鄰近的初始位置，從而降低了潛在的或永久性殘余變形。框架和連接處保持著結(jié)構(gòu)完整性，并且降低了結(jié)構(gòu)維修的費(fèi)用。

在典型的表現(xiàn)良好的公共領(lǐng)域鋼框架中，我們期望在整個(gè)的抗彎矩梁上都出現(xiàn)顯著的塑性鉸，如果不出現(xiàn)顯著的塑性鉸，將會(huì)導(dǎo)致建筑物發(fā)生偏移，而且還可能降低鋼框架的強(qiáng)度和剛度，從而影響承擔(dān)極限荷載的能力。銷保險(xiǎn)絲連接恰好是一項(xiàng)全部通過螺栓連接的現(xiàn)場連接方式。柱子是預(yù)制的，通過一個(gè)短梁柱和一個(gè)圓形鍍金板連接而成；梁也是預(yù)制的，在每個(gè)梁的端部匹配一個(gè)圓形板，然后懸掛和固定在梁根部?？紤]到施工帶來的偏差和先后順序不同，沿其長度方向拼接梁是十分必要的。這項(xiàng)連接也有足夠能力容納支架和減震器附件。

其他新型連接還包括開槽腹板連接、側(cè)框板連接等等。開槽腹板連接是由地震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)（SSDA）研發(fā)的連接方式，即在梁翼緣的內(nèi)側(cè)開創(chuàng)一個(gè)水平槽來分割梁的翼緣和腹板，開槽將梁單元分割開來，這樣剪力就由腹板全部承擔(dān)，而梁上的彎矩則由翼緣承擔(dān)。SSDA聲稱此種連接方式可更好地控制韌性梁屈服，延長其使用壽命。而側(cè)板連接的原理是使用一系列的水平板覆蓋于翼緣腹板之上，然后現(xiàn)場進(jìn)行角焊縫焊接，這樣即可以在寬翼緣的梁柱之間創(chuàng)造剛硬牢固的連接。

2 新型節(jié)點(diǎn)連接

2.1 新型節(jié)點(diǎn)連接方法

在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合各種連接的優(yōu)勢，將螺栓鑄鋼支架和帶有狗骨式梁翼緣的ConXtech連接結(jié)合，充分考慮兩種連接中節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢。新型連接如圖4所示，這種新型的連接方式更好地增加了節(jié)點(diǎn)延性，地震發(fā)生時(shí)可抵抗更大的變形，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖4 新型連接模型

ConXtech鑄鋼件連接包括高強(qiáng)鑄鋼支架和RBS鋼梁以及方箱型柱。制造工廠里，梁的上翼緣通過削弱成狗骨式形狀，在強(qiáng)大地震作用下，梁端出現(xiàn)塑性區(qū)并通過塑性鉸的形成和轉(zhuǎn)動(dòng)耗散能量。即削弱部分起到了保險(xiǎn)絲的作用，地震作用下塑性鉸遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)焊縫，出現(xiàn)在延性大的梁上，從而起到保護(hù)節(jié)點(diǎn)的作用，做到真正的延性設(shè)計(jì)。在梁上下翼緣通過焊接或者螺栓固定鋼支架，在方箱型柱和沒有現(xiàn)場焊接的工字型鋼梁之間，這些鋼支架提供嚴(yán)格的定向鋼支撐。然后施工現(xiàn)場用高強(qiáng)螺栓固定在柱子上。由混凝土填實(shí)的方箱型柱，通過樓層標(biāo)準(zhǔn)用一定的方式進(jìn)行預(yù)制，且是豎立的。寬翼緣梁也是預(yù)制的，通過降低削弱梁翼緣，由梁上下翼緣上的高強(qiáng)鑄鋼支撐建立一個(gè)直立、穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)。只要梁柱連接節(jié)點(diǎn)處所有梁就位，四周的鋼支撐沿其鄰邊方向彼此之間相互作用，通過高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力螺栓使其鋼框架結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

另外，考慮到鑄鋼件有一定脆性，如果框架結(jié)構(gòu)的延性、耗能能力以及抗震性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，必要時(shí)可考慮在梁柱之間增設(shè)端板。端板連接具有一定的柔性，鋼框架采用這種連接形式，可以增加結(jié)構(gòu)的阻尼，延長結(jié)構(gòu)自振周期、減小振幅，從而降低震害，是一種理想的抗震形式。端板與鋼梁之間的組合還會(huì)大大改善節(jié)點(diǎn)的受力性能，提高節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和抗彎承載力，從而保證鋼框架結(jié)構(gòu)在地震中具有更好的延性和耗能能力。

2.2 新型節(jié)點(diǎn)連接優(yōu)勢

2.2.1 提高延伸性和可靠性

在1994年Northridge地震中發(fā)現(xiàn)，一些抗彎鋼連接在傳統(tǒng)連接節(jié)點(diǎn)處即梁柱翼緣的焊接處經(jīng)歷了大量脆性破壞，這種脆性斷裂是毫無征兆的、突然的斷裂。之后許多新型連接相繼出現(xiàn)，通過鋼梁上形成的塑性鉸來考慮能量耗散，可以達(dá)到結(jié)構(gòu)的預(yù)定設(shè)計(jì)概念和行為對象?，F(xiàn)在所有用在特殊部位或中間的鋼支撐框架的抗彎連接都被測試質(zhì)量合格且符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)行這些連接測試的目的是為了證明，在具體的行為模式下，通過控制延性屈服連接可以承擔(dān)巨大的非彈性變形。目前，有些新型連接已經(jīng)通過替代工藝使其連接符合要求。

2.2.2 改善實(shí)施性和節(jié)約成本

除了改進(jìn)的性能，新型連接也是鋼框架結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)、更便捷的連接方式之一，主要內(nèi)容包括：

第一，盡量減少或排除昂貴的、耗時(shí)的現(xiàn)場焊接方式。在現(xiàn)場梁柱翼緣接頭處采用完全熔透焊接可能需要幾個(gè)小時(shí)來完成，還可能需要檢查和無損檢測。

第二，改善施工性，提高生產(chǎn)效率。創(chuàng)造新型、簡單的連接方式，使框架更加牢固，整體穩(wěn)定性更好。將現(xiàn)場關(guān)鍵性的制造階段遷出，然后在車間進(jìn)行制造，這樣可以更好地控制過程處理，而且更有效。

第三，減輕自重。一些新型連接經(jīng)過批準(zhǔn)認(rèn)可，比普通連接更適合輕質(zhì)高強(qiáng)的鋼構(gòu)件。在用鋼量最省時(shí)，仍可提供強(qiáng)度、剛度都較大的鋼框架，這在抗彎鋼框架的偏移設(shè)計(jì)中是一大優(yōu)勢。

2.2.3 提供可靠的技術(shù)支持

技術(shù)支持可能是支持采納以上連接方式的最大優(yōu)勢之一。通過框架連接的建筑規(guī)范規(guī)定、計(jì)算機(jī)模擬以及橫向設(shè)計(jì)與優(yōu)化的幫助，為整個(gè)鋼框架的質(zhì)量安全和工程效益提供了一層額外的保障。

3 結(jié)論

以上幾種新型連接系統(tǒng)都為連接設(shè)計(jì)提供了切實(shí)可行的方法，梁柱連接的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是整個(gè)框架設(shè)計(jì)的核心，保證鋼框架整體的穩(wěn)定性和抗震性，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)和耐久。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，必將設(shè)計(jì)出更加安全經(jīng)濟(jì)的梁柱節(jié)點(diǎn)。Kaiser螺栓支架連接采用的是高強(qiáng)螺栓，易安裝易就位，施 工便捷，避免了現(xiàn)場焊接，強(qiáng)震作用下會(huì)在梁上形成塑性鉸，確保節(jié)點(diǎn)安全；銷保險(xiǎn)絲連接采用的是一種熔斷機(jī)制，靠滑動(dòng)摩擦來耗能；新型的鑄鋼支架與狗骨式結(jié)合的節(jié)點(diǎn)充分利用了兩者的優(yōu)勢，更好地增加了節(jié)點(diǎn)延性。因此，為進(jìn)一步提高施工效率、節(jié)省投資、改善結(jié)構(gòu)性能，新型連接系統(tǒng)還需要繼續(xù)深入研究。

[1]N Youssef,et al.A Survey of Moment-resisting Frame Buildings Affect by the 1994 Northridge Earthquake[R]. National Institute of Standardand Technology,Gaithersburg.MD.1995

[2]豐定國,王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[3]Robinson,W.H.and Greenbank,L.R.“Properties of an extrusion energy absorber.”New Zealand Nat.Soc.Earthquake Eng.Bull,8(3),187-191.

[4]Garlock,M.M.Sause,R.and Ricles,J.M.“Behavior and design of posttensioned steel frame systems.”J.Struct.Eng,133(3), 389-399.

［責(zé)任編輯：劉 月］

A New Type Connection of Steel Structure

LIU Meng,XIANG Renfeng
(Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China)

Steel frame structure is applied more and more widely in modern soceity,its beam to column connection is the key point of the frame structure design,and the connection function is directly related to the safety of the whole frame structure.According to the comprehensive research on various connections'merits, the bolt cast steel bracket and the ConXtech with dog bone type beamflange are connected,forming a new type connection,increasing the knot's extensibility,resisting greater deformation while earthquake occars and improving structure stability.

steel structure;beam connection;new type connection

TH131

A

2095-5928（2014）05-51-04

2014-06-21

劉猛（1968-），男，遼寧錦州人，副教授，博士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。