淺談鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)剛性連接形式選擇

摘 要 通過對(duì)美國(guó)北嶺地震和日本阪神地震的節(jié)點(diǎn)震害總結(jié)，分析不同節(jié)點(diǎn)連接形式的抗震性能，通過實(shí)例分析后，建議非抗震設(shè)防地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)宜按梁截面的等強(qiáng)度來設(shè)計(jì)，可采用傳統(tǒng)的連接節(jié)點(diǎn);在抗震設(shè)防8度區(qū)采用傳統(tǒng)形式或現(xiàn)場(chǎng)腹板補(bǔ)焊形式;9度區(qū)宜采用加蓋板或狗骨式連接。

關(guān)鍵詞 梁柱連接;剛性節(jié)點(diǎn);脆性破壞;延性設(shè)計(jì)

Discussion on the choice of rigid connection of structure beam-column joints

Chen SiMin

Shaanxi Construction of Land Comprehensive Development，Shaanxi Xian 710075

Abstract Based on the summary of nodal damage caused by nori earthquake in the United States and hanshin earthquake in Japan， the seismic behavior of different joints is analyzed. In the seismic fortification zone of 8 degrees the traditional form or site web repair welding form; The 9 degree area should be connected with a cover plate or dog bone.

Key words Beam-column connection; Rigid joint; Brittle fracture; Ductility design

近年來，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，與其他結(jié)構(gòu)形式相比，其卓越的抗震性能，使得建筑物在地震中受到的震害較輕，很少發(fā)生整體破壞和倒塌現(xiàn)象，但局部破壞現(xiàn)象嚴(yán)重。美國(guó)北嶺（Northridge）地震和日本阪神地震時(shí)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)破壞深刻表明了節(jié)點(diǎn)延性設(shè)計(jì)的重要性。

1震害總結(jié)

北嶺地震后，美日兩國(guó)學(xué)者就節(jié)點(diǎn)破壞原因通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)并結(jié)合震前研究，對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞原因提出[1]：①梁下翼緣與柱子之間施焊困難，質(zhì)量難以保證，缺陷不易探測(cè);②焊縫金屬?zèng)_擊韌性低;③坡口焊縫處的襯板和引弧板造成人工縫;④梁翼緣超負(fù)荷，焊縫處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，延性沒能開展;⑤A36號(hào)鋼材（Q235）實(shí)際屈服點(diǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值，塑性沒能開展。針對(duì)上述影響因素，從施工質(zhì)量控制、節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)以及鋼材選用三個(gè)方面研究防止梁柱節(jié)點(diǎn)脆性破壞的措施。其中，節(jié)點(diǎn)連接形式的正確選用直接影響梁柱節(jié)點(diǎn)質(zhì)量。

2梁柱連接形式分析

鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)是保證梁與柱協(xié)同工作、形成結(jié)構(gòu)整體的關(guān)鍵部件[2]。合理選擇節(jié)點(diǎn)連接形式的目的就是使節(jié)點(diǎn)具有更好的延性和強(qiáng)度，做到“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的設(shè)計(jì)原則，減輕鋼結(jié)構(gòu)的局部破壞，使鋼結(jié)構(gòu)抗震性能得到有效利用[3]。圖1為目前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)最常用的梁柱剛性連接形式--栓焊混合連接，它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便的優(yōu)點(diǎn)。此形式的節(jié)點(diǎn)在美國(guó)北嶺地震中出現(xiàn)嚴(yán)重的脆性斷裂現(xiàn)象[2]。

圖2梁腹板--抗剪板補(bǔ)焊連接形式的改進(jìn)可以有效提高節(jié)點(diǎn)塑形轉(zhuǎn)動(dòng)能力，避免產(chǎn)生脆性破壞，提高了節(jié)點(diǎn)抗震性能?！督ㄖO(shè)計(jì)抗震規(guī)范》（GB 50011-2010）[4]中梁--梁拼接的連接形式可以避免現(xiàn)場(chǎng)焊接而造成的梁柱節(jié)點(diǎn)缺陷，如圖3。

除了圖2、圖3的改進(jìn)形式外，為了使結(jié)構(gòu)的塑性鉸出現(xiàn)在梁上，利用梁的塑性變形吸收地震能量，達(dá)到延性破壞的效果，產(chǎn)生如下改進(jìn)形式：圖4梁端擴(kuò)大型連接，日本普遍采用;圖5加蓋板和加腋的形式[5]，目的是通過局部加強(qiáng)梁端抗剪承載力來避免梁柱連接的脆性破壞;圖6骨形連接，通過消弱梁端部分截面，使得梁端塑形集中在截面削弱出，從而同樣達(dá)到保護(hù)梁柱連接的目的。

雖然規(guī)范中列舉了不同的連接形式，但適用范圍并沒有具體說明。在北嶺地震和阪神地震后，絕大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)采用狗骨式，大量的試驗(yàn)和有限元分析證明了該形式具有的優(yōu)越的抗震性能，但在我國(guó)規(guī)范中并沒有具體的計(jì)算公式，而且《抗震規(guī)范》中說明到由于骨形連接加工困難，國(guó)內(nèi)技術(shù)人員表示難以接受，一般不予采用。

3梁柱節(jié)點(diǎn)計(jì)算實(shí)例分析

梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，要保證節(jié)點(diǎn)具有足夠的承載能力，還要求節(jié)點(diǎn)具有充分的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，并使結(jié)構(gòu)中的塑性鉸出現(xiàn)在梁上，由于梁承受上一層樓面的荷載，只要梁柱節(jié)點(diǎn)處不發(fā)生破壞，即使懸梁也可以維持結(jié)構(gòu)整體不發(fā)生倒塌。

《抗震規(guī)范》條文說明中第8.2.8條：“構(gòu)件的連接，需符合強(qiáng)連接弱構(gòu)件的原則”。在第一設(shè)計(jì)階段的多遇地震作用下進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震驗(yàn)算應(yīng)符合《建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范》中式（5.4.2）的要求：，式中：

S—考慮多遇地震作用時(shí)，荷載效應(yīng)和地震作用效應(yīng)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的組合設(shè)計(jì)值，包括組合的彎矩、軸向和剪力設(shè)計(jì)值。

R—結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接的承載力設(shè)計(jì)值。結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接的承載力抗震調(diào)整系數(shù) （框架梁、柱取0.75;連接焊縫取0.9;連接螺栓、節(jié)點(diǎn)板件取0.85;支撐取0.8）

下面通過數(shù)字說明如何依據(jù)該公式來計(jì)算并選擇合適的節(jié)點(diǎn)連接形式。

假定梁端有一個(gè)100的地震彎矩組合，依據(jù)公式（5.4.2）得到梁截面抗彎承載力設(shè)計(jì)值必須大于0.75×100=75。同理，梁端的焊縫截面抗彎承載力設(shè)計(jì)值必須大于0.9×100=90。所以在設(shè)計(jì)梁截面和焊縫連接時(shí)，就必須采用兩個(gè)不同的內(nèi)力值進(jìn)行設(shè)計(jì)。由此可得，若要采用相同設(shè)計(jì)值進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，連接焊縫內(nèi)力設(shè)計(jì)值須是梁截面內(nèi)力設(shè)計(jì)值的1.2倍（0.9/0.75=1.2）。如果在實(shí)際設(shè)計(jì)中，梁端彎矩正好是75，則焊縫連接抗彎承載力設(shè)計(jì)值為90。此時(shí)梁端截面也只能承受75的彎矩，但在實(shí)際應(yīng)用中，梁端截面并不能100%發(fā)揮承載力。在這種情況下，就應(yīng)采用上文提到的圖4、圖5加強(qiáng)連接形式。如果不想改變連接形式，采用傳統(tǒng)焊接，則在設(shè)計(jì)梁截面時(shí)就應(yīng)采用可以承受90的梁截面，此時(shí)就會(huì)造成截面的浪費(fèi)。但此方法更利于施工，技術(shù)也比較成熟。若要采用新的節(jié)點(diǎn)形式，則對(duì)施工質(zhì)量有更高的要求，也會(huì)導(dǎo)致施工難度加大和成本的提高。出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，在低設(shè)防烈度的建筑中，傳統(tǒng)連接形式--栓焊混合連接仍可以得到應(yīng)用。

在第二設(shè)計(jì)階段的罕遇地震作用下，梁柱連接節(jié)點(diǎn)區(qū)將進(jìn)入塑性狀態(tài)，梁柱連接的極限受彎承載力應(yīng)符合《抗震規(guī)范》式（8.2.8-1）的要求：。這種節(jié)點(diǎn)在地震中破壞最為嚴(yán)重。式中：

：梁與柱剛性連接的極限受彎承載力;

：梁全截面塑性受彎承載力;

依據(jù)此公式設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)中，梁端翼緣未作任何加強(qiáng)，梁腹板與柱的連接螺栓只考慮傳遞剪力，不考慮傳遞彎矩。則其梁端栓焊連接處翼緣焊縫的抗彎能力只有梁截面彈性抗彎能力的85%左右。按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）[6]規(guī)定：因高空施焊條件較差、焊接殘余應(yīng)力等不利因素，焊接強(qiáng)度設(shè)計(jì)值還應(yīng)乘以0.9的折減系數(shù)，則焊縫的抗彎承載力只有框架橫梁抗彎承載能力的75%左右，這也就違背了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的基本原則。此種設(shè)計(jì)計(jì)算得到的連接焊縫抗力嚴(yán)重不足，焊縫受到過高的彎曲應(yīng)力而造成脆性破壞，這也正是美國(guó)北嶺地震和日本阪神地震節(jié)點(diǎn)破壞嚴(yán)重的重要原因。對(duì)此，在高烈度地區(qū)，我們則需選擇上文圖5的連接形式—狗骨式，同時(shí)也有必要采取一些構(gòu)造措施，使削弱達(dá)到最佳效果。但具體計(jì)算方法在規(guī)范中并未規(guī)定，僅在有限元分析中對(duì)其延性和耗能性能進(jìn)行了驗(yàn)證。如何應(yīng)用在實(shí)際工程中也需要大量的試驗(yàn)探究。

4結(jié)束語(yǔ)

由于在現(xiàn)行《抗震規(guī)范》中規(guī)定：鋼梁的? =0.75，連接焊縫? =0.9，并沒有考慮地震烈度、結(jié)構(gòu)類型等因素對(duì)系數(shù)的影響。所以公式（8.2.8-1）中的系數(shù)1.2是固定的，但對(duì)于設(shè)防烈度較低的鋼結(jié)構(gòu)房屋來說，1.2倍的要求有些過高，必會(huì)造成截面的浪費(fèi)。所以，提出依據(jù)建筑物所在地區(qū)地震烈度的大小決定節(jié)點(diǎn)連接形式。

（1）非抗震設(shè)防地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)房屋中的框架梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)，其連接宜按梁截面的等強(qiáng)度來設(shè)計(jì)，即按第一階段多遇地震設(shè)計(jì)。可采用傳統(tǒng)的連接節(jié)點(diǎn)。

（2）在抗震設(shè)防地區(qū)，特別是高烈度地震區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)房屋中的框架梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)，應(yīng)采用加強(qiáng)型連接節(jié)點(diǎn)或削弱型連接節(jié)點(diǎn)，8度區(qū)采用傳統(tǒng)形式或采用改進(jìn)形式--現(xiàn)場(chǎng)腹板補(bǔ)焊形式;9度區(qū)可采用改進(jìn)形式--加蓋板或狗骨式連接。

參考文獻(xiàn)

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[6] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50017-2003[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介

陳思敏（1994-），女，陜西咸陽(yáng)人;畢業(yè)院校：西安建筑科技大學(xué)，專業(yè)：建筑與土木工程，學(xué)歷：碩士研究生，現(xiàn)就職單位：陜西地建土地綜合開發(fā)有限責(zé)任公司，研究方向：工程結(jié)構(gòu)抗震。