梁柱節(jié)點(diǎn)位置的損耗機(jī)理研究

姜湘林

摘要：近年來(lái)，框架結(jié)構(gòu)體系越來(lái)越復(fù)雜并愈加多樣化。梁柱節(jié)點(diǎn)是鋼框架結(jié)構(gòu)中的重要組成構(gòu)件，是在框架結(jié)構(gòu)中將梁與柱相連的構(gòu)件。梁柱節(jié)點(diǎn)處的鋼筋和水混凝土施工有一定的難度， 既要確保該處施工質(zhì)量， 又要提高效率。因此，我們必須將精細(xì)化的梁柱節(jié)點(diǎn)模型帶入合理的整體框架模型，實(shí)現(xiàn)高效的計(jì)算。本文選取了適用于鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的損傷指數(shù)模型作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同位置的焊接殘?jiān)土鸭y在循環(huán)荷載作用下對(duì)節(jié)點(diǎn)損傷的影響。介紹了梁柱節(jié)點(diǎn)位置的耗能機(jī)理，運(yùn)用耗能系數(shù)對(duì)位置耗能能力進(jìn)行計(jì)算作為對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)損耗的評(píng)價(jià)指標(biāo)，為工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：梁柱節(jié)點(diǎn);位置;損耗;機(jī)理;鋼結(jié)構(gòu)

隨著人口密度逐漸增大，興建的大跨度及超高層建筑越來(lái)越多。鋼框架結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是性能比較優(yōu)越的建筑結(jié)構(gòu)形式，而梁柱節(jié)點(diǎn)是鋼框架結(jié)構(gòu)中的重要組成構(gòu)件[1]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性直接影響著框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，也對(duì)制造安裝及建設(shè)制造成本有著重要影響。 ?梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能極大的影響著框架結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性。為此，對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)做到 “強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”[2]。目前，普遍采用的方法主要有物理模型試驗(yàn)研究、有限元模擬、理論分析這三種方法。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬得到了很大程度的發(fā)展，可以得到比較精確的結(jié)果。本文主要研究梁柱節(jié)點(diǎn)耗能的意義，并運(yùn)用耗能系數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)耗能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

一、討論

（一）梁柱節(jié)點(diǎn)的形式

梁柱是梁上起柱，為受力柱。根據(jù)梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度和梁與柱的變形特性可將梁柱節(jié)點(diǎn)分為：1、剛性節(jié)點(diǎn);2、鉸接節(jié)點(diǎn);3、半剛性節(jié)點(diǎn)。

隨著建筑材料的發(fā)展及施工工藝的提高，梁柱節(jié)點(diǎn)由初期的鉚釘連接發(fā)展為由普通螺栓連接代替鉚釘連接，目前梁柱節(jié)點(diǎn)的連接多采用高強(qiáng)螺栓或焊接節(jié)點(diǎn)，多為剛性節(jié)點(diǎn)[3]。根據(jù)構(gòu)造的不同可分為：1、全焊節(jié)點(diǎn)，梁的上下翼緣及腹板均與柱焊接連接;2、栓接節(jié)點(diǎn)，梁的上下翼緣及腹板與柱之間采用高強(qiáng)螺栓連接;3、栓焊混合節(jié)點(diǎn)，梁的上下翼緣與柱之間采用全熔透坡口焊縫連接，腹板與柱之間采用高強(qiáng)螺栓連接。

（二）改進(jìn)措施

對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造與破壞模態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行了一定了研究。 根據(jù)研究分析破壞的梁柱節(jié)點(diǎn)，得出了節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞的主要原因?yàn)椋?/p>

1、焊縫的墊板和引弧板造成了人工預(yù)裂縫;

2、不能完全保證節(jié)點(diǎn)焊縫的焊接質(zhì)量，焊縫存在一定的焊接缺陷。梁腹板的影響造成了焊縫的不連續(xù)。

3、焊縫金屬的材料性能、焊接殘余應(yīng)力等其他因素對(duì)節(jié)點(diǎn)的破壞也有較大的影響。

因此我們對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了如下改進(jìn)：

1、將梁柱節(jié)點(diǎn)處的塑性鉸沿梁外移以遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)處。

2、改進(jìn)焊條材料力學(xué)性能，增強(qiáng)焊縫的沖擊韌性。

3、將焊接墊板去除，為消除人工裂縫可將墊板根部用角焊縫進(jìn)行封閉。

4、改進(jìn)焊接工藝孔的形狀和尺寸，采用圓滑過(guò)度曲線。

（三）梁柱節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)存缺陷

1、不同節(jié)點(diǎn)的累積損傷的差異性

2、荷載輸入歷程對(duì)節(jié)點(diǎn)影響

3、焊接缺陷對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響

（四）梁柱節(jié)點(diǎn)位置的耗能機(jī)理

根據(jù)能量守恒原理，建筑將通過(guò)自身運(yùn)動(dòng)及變形而進(jìn)行能量的耗散。自身運(yùn)動(dòng)是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)的過(guò)程。自身變形根據(jù)變形是否可恢復(fù)的指標(biāo)分為：可恢復(fù)的彈性應(yīng)變，在這一過(guò)程耗散的能量稱為彈性應(yīng)變能;不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變，這一過(guò)程中耗散的能量為滯回?fù)p耗。

結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)變對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷是可恢復(fù)的，而塑性應(yīng)變由于是不可恢復(fù)的。梁柱節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的耗能能力主要受到結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性的影響，因此需重點(diǎn)考慮不同構(gòu)造形式及不同焊接孔形式的梁柱節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下滯回耗能的不同。

（五）梁柱節(jié)點(diǎn)位置的損耗系數(shù)

三、結(jié)語(yǔ)：

通過(guò)分析，我們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的破壞多是發(fā)生在梁柱節(jié)點(diǎn)位置，這是由于梁柱節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力狀況復(fù)雜，并且焊接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能受施工質(zhì)量的影響較大，因此梁柱節(jié)點(diǎn)是整個(gè)結(jié)構(gòu)里比較容易受到破壞的部位。初期結(jié)構(gòu)退化不明顯，隨著裂紋的發(fā)展而逐漸出現(xiàn)退化現(xiàn)象。目前對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)研究單靠物理實(shí)驗(yàn)成本較高，且難以建立完整的體系。梁柱焊接節(jié)點(diǎn)焊接缺陷位置和尺寸的不同對(duì)節(jié)點(diǎn)損傷的影響不同，為提高梁柱節(jié)點(diǎn)延性、增加節(jié)點(diǎn)抗震性，引入學(xué)者運(yùn)用耗能系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)耗能能力的評(píng)價(jià)方法，介紹了梁柱節(jié)點(diǎn)耗能的物理意義?？偨Y(jié)并討論了國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的基于不同自變量的損傷模型，討論并總結(jié)了學(xué)者對(duì)節(jié)點(diǎn)損傷的描述的異同。從節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式上，本文提出了不同的改進(jìn)型梁柱節(jié)點(diǎn)。運(yùn)用有限元軟件建立梁柱節(jié)點(diǎn)非線性有限元模型，探討分析在荷載作用下不同形式的改進(jìn)節(jié)點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)之間力學(xué)性能的差異，為工程中梁柱節(jié)點(diǎn)形式提供參考依據(jù)，但本文還有很多不足之處，尚需進(jìn)一步的深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐紅杰，多高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)震害及抗震延性策略研究[D]，云南，昆明理工大學(xué).

[2]陳宏， ?李兆凡， ?石永久， ?王元清. ?鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力模型的研究[J]. 工業(yè)建筑，2002， 32（6）： 64-65.

[3]黎永，舒興平.焊接孔長(zhǎng)度對(duì)鋼框架梁-柱剛性節(jié)點(diǎn)性能的影響[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2003，30（1）：92-96.