鋼框架擴翼型節(jié)點的研究與應(yīng)用

張濤　范余輝　曹雨　朱芝馨

摘 要：鑒于北嶺大地震與神戶地震中傳統(tǒng)鋼框架節(jié)點出現(xiàn)了大量的脆性破壞，為了實現(xiàn)鋼框架節(jié)點的抗震延性，達到塑性鉸外移、提高節(jié)點延性、避免在強震作用下梁柱接頭發(fā)生脆性破壞的設(shè)計目的，梁翼緣進行局部削弱或在連接區(qū)域局部加大的設(shè)計方法。本文著重介紹了新型鋼框架節(jié)點的種類并通過分析目前國內(nèi)外研究進展，指出目前鋼框架新型梁柱節(jié)點研究的不足與方向。

關(guān)鍵詞：延性節(jié)點；塑性鉸；擴翼式節(jié)點

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.019

0 前言

鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比具有自重輕，強度高、跨度大、材質(zhì)均勻、安全可靠度高、抗震性能好、密閉性能優(yōu)異、制造加工快捷、拆裝方便等優(yōu)點。自19世紀鋼結(jié)構(gòu)開始應(yīng)用于建筑，時至今日鋼結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域尤其在大跨高層建筑得到了極其廣泛的應(yīng)用。

鋼框架結(jié)構(gòu)是由節(jié)點將梁與柱連接起來，因此節(jié)點的性能對鋼結(jié)構(gòu)整體的強度，高度，穩(wěn)定性及其制造安裝有著直接顯著的影響。鋼框架梁柱剛性節(jié)點很長一段時間以來被認為具有較好的抗震性，在地震劇烈作用下，由于鋼材良好的塑性性能，節(jié)點處的梁內(nèi)將產(chǎn)生塑性鉸，塑性鉸的形成和轉(zhuǎn)動可以有效地消散由于地震產(chǎn)生的能量，確保節(jié)點不被破壞，即“強柱弱梁，強節(jié)點弱桿件”的設(shè)計思想。

但是在1994年美國北嶺大地震及1995年日本兵庫縣南部大地震中，大規(guī)模的脆性破壞現(xiàn)象卻出現(xiàn)在了傳統(tǒng)鋼框架剛性節(jié)點上，大大出乎設(shè)計人員的意料。我國地處喜馬拉雅火山地震帶與環(huán)太平洋地震帶之間地震頻發(fā)，開發(fā)具有良好抗震性能的新型梁柱連接節(jié)點有著重大的意義。

1 鋼結(jié)構(gòu)新型延性節(jié)點類型與動力特性

1.1 傳統(tǒng)梁柱節(jié)點破壞原因

梁柱連接節(jié)點處常因為構(gòu)造要求導(dǎo)致截面形狀比較復(fù)雜，因此在節(jié)點截面處出現(xiàn)嚴重的應(yīng)力集中，以及焊縫存在缺陷這導(dǎo)致節(jié)點處的承載力低于梁截面處承載力，在梁尚未來的及形成塑性鉸之前，焊縫將先開裂然后發(fā)生脆性破壞。歐美及日本的學者經(jīng)過研究分析在地震中梁柱連接節(jié)點破壞的主要原因有：

（1）焊縫本身具有缺陷，如夾渣、氣孔、裂縫、欠焊等；

（2）梁柱節(jié)點的高應(yīng)力區(qū)集中在梁翼緣的坡口焊縫處，無法形成側(cè)向收縮或剪切滑移，當梁還沒有產(chǎn)生顯著的屈服現(xiàn)象時，節(jié)點就會發(fā)生脆性破壞；

（3）連接部位的鋼材存在三向應(yīng)力同樣無法形成側(cè)向收縮和剪切位移，乃至在沒有屈服下發(fā)生脆性毀壞；

（4）在梁翼緣對應(yīng)位置的工字型加勁肋偏薄等[5-6]。

1.2 新型鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點設(shè)計理念

歐美國家和日本在震后以大量試驗為基礎(chǔ)，通過有限元模擬的輔助得出的結(jié)果表明：防止鋼框架梁柱節(jié)點發(fā)生脆性破壞的有效方法是使梁的塑性鉸外移即避免梁的塑性鉸出現(xiàn)在節(jié)點焊接區(qū)域。為了實現(xiàn)該目標的連接方式主要有節(jié)點增強型連接和節(jié)點減弱型連接，因為塑性鉸通常在外荷載產(chǎn)生彎矩M與梁的抗彎承載力Mcr比值（M/Mcr）最大處。通過提高梁柱節(jié)點處的強度或者削弱距離梁柱節(jié)點一段距離處梁截面而達到塑性鉸外移的目的。

1.3 削弱式節(jié)點

削弱式節(jié)點包括梁腹板削弱式和狗骨式。

（1）鋼框架梁腹板削弱式是通過在距離節(jié)點一段長度處的梁腹板上開孔，降低開孔處梁截面的剛度與彎矩容許值，通過控制孔的大小和開孔的位置使得塑性鉸位置遠離節(jié)點的焊接區(qū)域。在實驗中，此種試件的梁端部上下翼緣處焊縫沒有出現(xiàn)裂紋并可以達到4%rad以上的塑性轉(zhuǎn)角。這種連接方式特別適合于已經(jīng)建設(shè)好鋼框架建筑物，施工相對方便但對梁截面抗剪能力有所削弱；

（2）狗骨式連接，也是通過削弱梁截面達到目的但與腹板削弱式不同的是狗骨式削弱的是梁的翼緣部分，根據(jù)切割方式的不同，可分為直線削弱式，逐漸削弱式和圓弧削弱式。通過對梁翼緣部分合理的削弱將塑性鉸轉(zhuǎn)移至削弱處較長的一段范圍內(nèi)充分利用鋼材的延性，但這種削弱方式同樣會降低鋼材的剛度與承載力且施工復(fù)雜。主要有三種形式：直線削弱式，雖然施工方便簡捷，但兩條直線的匯交處，會發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，這種直線削弱式應(yīng)避免采用；錐形削弱式應(yīng)力集中現(xiàn)象較直線削弱式有所緩解但是加工困難；圓弧削弱式是目前運用較為廣泛的一種，在美國加州大學伯克利分校Blondet， M.等人圓弧口削弱形式RBS節(jié)點試驗中，其極限塑性轉(zhuǎn)角在0.03rad以上。

1.4 擴翼式節(jié)點

通過對梁端節(jié)點處進行加強提高節(jié)點處梁截面的剛度與承載力，從而迫使塑性鉸外移而遠離節(jié)點從而達到目的。擴翼式節(jié)點主要類型有板式擴翼型節(jié)點，梁端翼緣擴大型節(jié)點，加腋式擴翼型節(jié)點，肋板式擴翼型節(jié)點。

（1）板式擴翼型節(jié)點主要有兩種形式：蓋板式連接與翼緣板式連接。蓋板式擴翼型節(jié)點將蓋板與梁翼緣和柱翼緣同時焊接起來將塑性鉸移至蓋板端部，有效利用材料的塑性性能。但是當蓋板過長時焊縫應(yīng)力過大加之焊接時不可避免的缺陷仍然可能發(fā)生脆性破壞，且鋼材消耗量大。翼緣板式連接的梁翼緣不與柱翼緣直接連接而是通過加強板進行連接，有效減少了焊縫面積避免了蓋板式連接焊縫面積過大的缺點，同時也利于對焊縫的檢查與修復(fù)。板式擴翼型節(jié)點構(gòu)造簡單，受力可靠但是施工復(fù)雜，用鋼量大的缺點限制了它的應(yīng)用；

（2）梁端擴大型節(jié)點主要形式為擴翼式與翼緣側(cè)板加強式。這種連接方式是通過擴大梁柱節(jié)點處的翼緣從而提高節(jié)點處梁截面的剛度及承載力，通過調(diào)節(jié)加強側(cè)板的長度來控制塑性鉸的位置。擴翼型節(jié)點在加工時首先制作一個短牛腿，牛腿與柱連接末端尺寸加大，然后將梁與牛腿焊接再運至工地安裝，減少了板式擴翼型節(jié)點焊縫過大的缺陷，更有利于節(jié)點的塑性發(fā)展，其構(gòu)造具體要求可以參考美國緊急狀態(tài)屬給出的要求：擴翼長度宜為0.5至0.75倍梁高，擴翼角度不應(yīng)大于28度，擴翼區(qū)端部到焊縫通過孔端部距離宜取0.25倍梁高；

（3）肋板加強型節(jié)點是在鋼梁靠近節(jié)點處焊接兩塊垂直于梁翼緣的肋板，并與柱翼緣焊接，通過肋板將梁端的力部分傳遞給柱承受。主要有單肋板與雙肋板兩種構(gòu)造形式，單肋板僅在梁上下翼緣布置一塊肋板，雙肋板則在量上下翼緣各布置兩塊。這種節(jié)點可以有效地避免應(yīng)力集中，提高梁柱節(jié)點處的剛度與承載力。但由于肋板的存在會降低房屋的凈高需要謹慎使用。

2 國內(nèi)擴翼型加強節(jié)點的研究現(xiàn)狀

（1）清華大學的錢稼茹，余海群對6種不同類型的節(jié)點形式（標

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準全焊連接，普通栓焊連接，擴翼式蓋板加強型，梁端加腋型，腹板削弱型和梁貫通型）進行了足尺寸的抗震性能研究，將各試件的試驗結(jié)果進行分析比較并提出了傳統(tǒng)節(jié)點的改良建議。試驗結(jié)果顯示，多個試件在梁端焊縫處發(fā)生了脆性裂縫， 塑性鉸并沒有明顯向梁內(nèi)側(cè)移動，因此沒有達到驗證這種節(jié)點能否將塑性鉸轉(zhuǎn)移到擴大翼緣端部的目的。

（2）青島理工大學的王燕、高鵬等對5個 0.5倍縮尺的鋼框架梁柱 T 形連接節(jié)點試件（包括兩個蓋板擴翼型節(jié)點試件）進行了試驗。試驗的試件設(shè)計參考美國規(guī)范 FEMA350 的設(shè)計方法及構(gòu)造要求，同時滿足我國現(xiàn)行規(guī)范。試驗中梁上部蓋板與柱翼緣連接焊縫處產(chǎn)生較大裂縫，但是梁翼緣與柱翼緣的焊縫牢固并沒有開裂，在距離蓋板端部約1/4梁高處產(chǎn)生了塑性鉸。試驗結(jié)果表明，節(jié)點總轉(zhuǎn)角、塑性轉(zhuǎn)角、延性系數(shù)都可以滿足總轉(zhuǎn)角不低于 5%rad塑性轉(zhuǎn)角不低于 3%rad、及延性系數(shù)大于 3.0 的抗震性能最低標準，說明蓋板擴翼型節(jié)點比普通節(jié)點承載力具有更好的抗震耗能能力并且承載力更高。

（3）黃炳生，舒贛平，呂志濤提出的梁端楔形翼緣連接節(jié)點， 將梁端部翼緣楔形增寬，這樣梁的塑性鉸就會遠離柱邊， 然后對兩跨兩層梁端為楔形翼緣連接鋼框架連接節(jié)點進行了低頻率往復(fù)加載試驗， 實驗結(jié)果表明，試件為延性破壞，梁上翼緣變化處出現(xiàn)塑性鉸，說明梁端楔形翼緣連接鋼框架抗震性能優(yōu)良。

3 目前研究的不足

目前國外對于擴翼式加強型梁柱連接節(jié)點的研究以蓋板加強型和翼緣側(cè)板加強型梁柱連接節(jié)點為主，美國在擴翼式連接節(jié)點的研究比較成熟，我國對擴翼式加強節(jié)點的研究尚不充分，工程設(shè)計中對于不同工況影響以及專利的限制，照搬其他國家的設(shè)計方法是行不通的。

雖然這幾年我國對于鋼結(jié)構(gòu)的研究蓬勃發(fā)展但是對于鋼框架梁柱擴大式連接節(jié)點的研究很少。已有研究人員對梁柱連接節(jié)點做了試驗，但是節(jié)點試驗不能反映其在實際鋼框架的工作情況。國內(nèi)所有關(guān)于擴翼式梁柱連接節(jié)點試驗均未給柱施加軸力，這跟實際受力狀態(tài)不同的。在高軸壓比的情況下，考慮到力的偏心等因素，柱會提前進入塑性從而降低柱的承載力。而且對采用擴翼式節(jié)點鋼框架在地震中的表現(xiàn)所進行的研究試驗基本為零。

4 小結(jié)

自擴翼式加強節(jié)點出現(xiàn)以來，以其良好的塑性性能受到人們的廣泛關(guān)注。從以上敘述我們可以知道，采用擴翼式加強節(jié)點轉(zhuǎn)移塑性鉸可以提高鋼框架的抗震性能。我國是一個地震多發(fā)的國家，具有良好抗震性能的擴翼型梁柱節(jié)點有著良好的應(yīng)用前景，當然擴翼型節(jié)點仍然在豐富和發(fā)展之中，針對它的試驗仍然應(yīng)該繼續(xù)。隨著我國經(jīng)濟實力與科學技術(shù)的發(fā)展，擴翼型加強節(jié)點將受到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻

[1]趙廣軍.鋼框架結(jié)構(gòu)延性節(jié)點塑性鉸外移的機理研究[D].大連理工大學，2014.

[2]劉洪波，謝禮立，邵永松.框架結(jié)構(gòu)的震害及其原因[J]. 世界地震工程，2006，22（04）：44-51.

[3]毛南翼，張錫云.日本阪神地震中的鋼結(jié)構(gòu)震害.鋼結(jié)構(gòu).1995，10（28）：112-127.

[4]陳廷國，趙廣軍.鋼框架延性節(jié)點塑性鉸外移的機理研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2014（12）：25-31+57.