探討鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點在地震災(zāi)害中的作用

史琦

【摘 要】隨著科學(xué)家們對鋼結(jié)構(gòu)建筑在地震災(zāi)害中破壞現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)，一些鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁柱節(jié)點區(qū)域往往先于整個構(gòu)件破壞，故設(shè)計者們對鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接設(shè)計也越發(fā)重視，從而進一步改進了梁柱剛接節(jié)點的形式。為了提高構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性，以便減少在地震災(zāi)害中的損失。在當(dāng)今的工程設(shè)計中，翼緣加蓋板、梁端加腋和寬翼緣犬骨等改進型節(jié)點已被普遍采用。

【關(guān)鍵詞】抗震設(shè)計；梁端翼緣；寬翼緣犬骨式節(jié)點；防腐防火

引言：

地震破壞中，梁柱剛性節(jié)點破壞主要有以下幾種形式：1）連接焊縫全部斷裂或部分斷裂；

2）柱翼緣在與焊縫連接處發(fā)生層間撕裂、水平裂縫；3）梁翼緣在焊縫外側(cè)發(fā)生斷裂；

4）節(jié)點域腹板發(fā)生裂縫等。隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑在當(dāng)今工程中廣泛的應(yīng)用，并通過鋼結(jié)構(gòu)建筑在地震災(zāi)害中破壞的研究發(fā)現(xiàn)，一些鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁柱節(jié)點區(qū)域往往先于整個構(gòu)件破壞。故此，研究者們認為，鋼框架中梁柱節(jié)點的設(shè)計尤為重要。連接節(jié)點的設(shè)計是否安全，對保證鋼結(jié)構(gòu)的整體性和可靠度都有著直接的影響。本文介紹了鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些常用的梁柱節(jié)點，以及它們在地震災(zāi)害中所發(fā)揮的作用。

一、鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的分類及特點

目前高層建筑結(jié)構(gòu)抗震效果是受多方面原因影響的，通常包括：在美國荷載抗力系數(shù)設(shè)計規(guī)范（AISC-LRFD）中把結(jié)構(gòu)形式分為完全約束型、部分約束型和鉸接型。在允許應(yīng)力設(shè)計規(guī)范（AISC-ASD，1989）中給出了三種類型節(jié)點的量化定義：

1.1剛性連接（見圖1）：受力時梁柱軸線的夾角保持不變（實際使用時，連接對轉(zhuǎn)動的約束達到理想剛接的90%以上）。剛性連接不僅能傳遞軸力和梁端剪力，也傳遞梁端彎矩，而且能使連接的構(gòu)件具有連續(xù)性。

1.2鉸接連接（見圖2）：在外力作用下，梁柱軸線夾角的改變量達到理想鉸接轉(zhuǎn)角的80%以上。鉸接連接只傳遞軸力和梁端剪力，而不傳遞梁端彎矩。

1.3半剛性連接：連接性能介于以上兩者之間，其承載力和變形性能將對框架的承載力和變形產(chǎn)生極為顯著的影響。半剛性節(jié)點連接的特點：（見圖3）

（1）連接能承受一定的彎矩，并產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角，M-曲線處在理想鉸接（水平軸）和完全剛性（垂直軸）之間。

（2）彎矩相同時，連接的柔性越大，值越大，反之亦然。

（3）M-關(guān)系在實際加載過程中一般是非線性的。

二、鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的應(yīng)用

抗震強弱的關(guān)鍵就在于地基的作用，在國內(nèi)的工程設(shè)計中，由于規(guī)范只對剛接節(jié)點和鉸接節(jié)點做了具體的要求，所以這兩種形式的節(jié)點應(yīng)用比較廣泛。對于半剛性節(jié)點，它雖然具有更好的延性、耗能能力和穩(wěn)定的滯回性能，且半剛性連接鋼框架結(jié)構(gòu)更容易滿足在梁端出現(xiàn)塑性鉸來耗散地震能量，防止因連接節(jié)點破壞而引起的結(jié)構(gòu)坍塌。但對于半剛性節(jié)點，由于影響整體性能的因素很多，目前仍處于研究階段，故本文不做過多闡述。

2.1抗震設(shè)計中幾種常用節(jié)點

隨著建筑物的高度及設(shè)計難度的不斷增加，通過對抗震設(shè)計的不斷研究，抗震結(jié)構(gòu)常設(shè)計成梁柱剛接節(jié)點形式，而常規(guī)的鋼框架梁柱剛接節(jié)點形式已經(jīng)不能滿足抗震設(shè)計的要求，故在實際工程的抗震設(shè)計中對梁柱的剛接節(jié)點進行了以下幾種形式的改進：

（1）翼緣加蓋板（見圖4）：在梁端上下翼緣加焊鋼板，以達到梁端翼緣局部變厚的效果。

2.2梁柱剛接節(jié)點改進方式的分析及在地震災(zāi)害中發(fā)揮的作用

我們知道，鋼梁是由梁翼緣和梁腹板組合而成。那么通過上面幾種梁柱改進型節(jié)點的介紹，我們可以看到，這些節(jié)點均只對梁端翼緣的形式進行了改進（不論是對翼緣加厚還是對翼緣加寬）。但如果對梁的腹板進行改進，或梁翼緣的改進不在梁端處，是否能使構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有利的影響？

通過以上公式分析可以得知，主要與梁翼緣板面積和梁高有關(guān)，與梁腹板厚無關(guān)，MP的大小主要受構(gòu)件截面的尺寸有關(guān)，增大梁翼緣板尺寸和梁高雖然可以增大的值，但WP的值也會相應(yīng)增大，這也是為什么簡單的增大梁截面尺寸但計算結(jié)果卻沒有明顯改善的主要原因。所以要解決此類節(jié)點驗算不滿足，只能依據(jù)公式采取上文中所介紹改進型節(jié)點一些構(gòu)造上的加強措施。而這些改進型節(jié)點在地震災(zāi)害中，能起到增加構(gòu)件延性、使構(gòu)件在地震中出現(xiàn)的塑性鉸外移，以達到吸能的能力，從而減小結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害中的損失。

2.3鋼結(jié)構(gòu)在災(zāi)害中所面臨的問題

雖然鋼結(jié)構(gòu)在材料的強度及延性上都優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)，但它仍然有一些缺點是不可避免的。例如鋼結(jié)構(gòu)材的防腐及防火的處理，仍面對了很大的挑戰(zhàn)。正像美國“9·11”事件中所表現(xiàn)出的那樣，雖然物體撞擊所產(chǎn)生的破壞對整體結(jié)構(gòu)的影響非常有限，但當(dāng)它面臨火災(zāi)的時候卻表現(xiàn)的異常脆弱，以致使整棟建筑坍塌，造成了很大的損失。

結(jié)論：

綜上所述，對于鋼框架的梁柱節(jié)點設(shè)計，在實際工程中仍采用梁柱剛接節(jié)點的形式。并且對梁柱剛接節(jié)點進行了很大的改進。這些改進的節(jié)點形式不僅能滿足現(xiàn)有結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求，而且相比較鉸接節(jié)點對構(gòu)件和結(jié)構(gòu)本身都更加有利。雖然半剛性連接節(jié)點具有較好的延性和耗能能力，能緩和地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力集中，而且易于災(zāi)后修復(fù)，相對于純鉸接和純剛接節(jié)點而言更接近實際，但目前在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，仍處于研究階段，且影響的因素過多，設(shè)計師在結(jié)構(gòu)設(shè)計時也無法更準(zhǔn)確的應(yīng)用。然而半剛接節(jié)點優(yōu)勢仍很明顯。而對于鋼結(jié)構(gòu)的防腐與防火問題，這些都是今后作為設(shè)計師要研究的方向。

參考文獻：

【1】GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[s]

【2】GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[s]

【3】JGJ99 - 98 高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[s]

【4】國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集01（04）SG519（多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造詳圖）

【5】美國標(biāo)準(zhǔn)（ANSI/PAISC341 ） 02. Seismic provisions for structural steel buildings[s]

【6】陳誠直，李智民，鋼構(gòu)造擴翼接頭之耐震能[J]建筑鋼結(jié)構(gòu)進展 2007年10月

【7】陳杰.鋼結(jié)構(gòu)焊接翼緣板加強式梁柱剛性連接的實驗研究[D].西安：西安建筑科

技大學(xué)，2002

【8】完海鷹，汪凱（合肥工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院）狗骨式節(jié)點和半剛性節(jié)點的受力性能綜述[J] 結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究應(yīng)用2006年