鋼框架延性節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究進(jìn)展

雷天奇，毛寬宏，李強(qiáng)強(qiáng)

（1. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714099；2. 陜西省黃土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710048）

0 引言

鋼材具有輕質(zhì)高強(qiáng)、塑性好、韌性好、抗震性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]，因而被廣泛應(yīng)用于高層、超高層建筑。梁柱節(jié)點(diǎn)作為鋼結(jié)構(gòu)體系中關(guān)鍵部位，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)[3]。在傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一直遵循“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”設(shè)計(jì)思想，但1994 年美國(guó)北嶺地震和1995 年日本阪神地震中梁端卻沒(méi)有按照設(shè)計(jì)預(yù)想出現(xiàn)塑性鉸，而是產(chǎn)生了大量脆性破壞，導(dǎo)致大量鋼框架出現(xiàn)斷裂和倒塌。這些教訓(xùn)讓各國(guó)設(shè)計(jì)人員重新審視傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的抗震性能[4]，梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究再次成為熱點(diǎn)。本文整理國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼框架延性節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀；同時(shí)總結(jié)出當(dāng)前延性節(jié)點(diǎn)研究存在的不足之處，為后續(xù)研究設(shè)計(jì)人員提供試驗(yàn)參考依據(jù)。

1 延性耗能節(jié)點(diǎn)研究背景

在二十世紀(jì)八九十年代，鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)通常采用焊接連接，在強(qiáng)震中可以消耗掉地震波能量，從而保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一直遵循“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)思路[5]。但在北嶺和阪神兩次地震使傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生了大量的脆性開(kāi)裂，造成結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)這兩地地震中梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明破壞的原因?yàn)榱褐宇^在梁端、柱翼緣、梁柱腹板交會(huì)區(qū)等區(qū)域因焊接熱影響、焊接瑕疵等因素造成梁翼緣與柱翼緣交界處焊縫撕裂、柱翼緣出現(xiàn)層狀撕裂以及柱翼緣和腹板出現(xiàn)裂縫等（見(jiàn)圖1），使得在鋼框架未發(fā)揮其塑性耗能能力前既已發(fā)生脆性破壞。

圖1 地震作用下鋼框架典型破壞形式

2 延性節(jié)點(diǎn)類型及抗震機(jī)理

針對(duì)北嶺與阪神地震中梁柱剛性節(jié)點(diǎn)中出現(xiàn)的脆性破壞，各國(guó)學(xué)者從各個(gè)方面展開(kāi)了研究，主要的研究重點(diǎn)為通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)梁柱連接形式，實(shí)現(xiàn)塑性鉸遠(yuǎn)離梁端柱面焊縫區(qū)域，通過(guò)塑性鉸外移防止梁端柱面發(fā)生脆性破壞。目前，國(guó)內(nèi)外通過(guò)節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)和削弱來(lái)提高梁柱節(jié)點(diǎn)延性及抗震性能。

圖2 為加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的延性設(shè)計(jì)原理。該種節(jié)點(diǎn)形式通過(guò)增大截面面積從而提高節(jié)點(diǎn)梁端的抗彎承載力，使得梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性鉸遠(yuǎn)離梁端柱面焊縫區(qū)域，以此保護(hù)梁端焊縫從而避免焊縫區(qū)域發(fā)生脆性破壞。圖3 為削弱型節(jié)點(diǎn)的延性設(shè)計(jì)原理。該種節(jié)點(diǎn)形式通過(guò)在梁端一定距離處對(duì)梁截面進(jìn)行局部削弱，降低梁端的抗彎承載力，迫使塑性鉸出現(xiàn)在梁截面削弱位置處，以此保護(hù)焊縫區(qū)域遭受脆性破壞，從而改善梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

圖2 加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的延性設(shè)計(jì)原理

圖3 削弱型節(jié)點(diǎn)的延性設(shè)計(jì)原理

兩種措施的抗震機(jī)理均是通過(guò)改變梁端截面面積，以此提高或降低該位置的抗彎承載力，使得梁端焊縫區(qū)域的抗彎承載力始終大于梁截面的抗彎承載力，將焊縫位置處的高應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)移至其他位置，梁端焊縫位置處不會(huì)先于框架梁發(fā)生破壞，以充分發(fā)揮梁柱節(jié)點(diǎn)的延性及塑性變形能力。通過(guò)以上梁柱改進(jìn)措施，既體現(xiàn)了“強(qiáng)柱弱梁”與“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)思想，又能實(shí)現(xiàn)較好的塑性耗能機(jī)制，以解決鋼框架結(jié)構(gòu)的延性需求。

3 國(guó)內(nèi)外延性耗能節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)延性耗能節(jié)點(diǎn)展開(kāi)了大量的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，取得了豐富的科研成果。

3.1 加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀

腋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)為美國(guó)聯(lián)邦緊急救援署最早提出的一種加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)形式[6]。Uang[7]等人對(duì)4 個(gè)全尺的下翼緣經(jīng)加腋板加強(qiáng)的梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力與動(dòng)力試驗(yàn)，根據(jù)兩者的試驗(yàn)結(jié)果表明，靜力與動(dòng)力加載的破壞模式有所不同，但塑性鉸均遠(yuǎn)離梁端柱面且經(jīng)加腋板加強(qiáng)后的梁柱節(jié)點(diǎn)其滯回性能表現(xiàn)良好。除此之外，為了預(yù)測(cè)鋼框架結(jié)構(gòu)的非彈性地震響應(yīng)，提出了一種“雙節(jié)點(diǎn)域”的分析模型。張效禹等人[8]對(duì)裝配式腋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，結(jié)果表明在梁翼緣下方焊接腋板可明顯改善節(jié)點(diǎn)的抗震性能，并且提出了一種簡(jiǎn)化模型以供設(shè)計(jì)人員對(duì)梁端焊縫處的應(yīng)力水平進(jìn)行預(yù)測(cè)。Lee[9-10]等人對(duì)比分析了三角形加腋板與矩形加腋板對(duì)節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)效果，結(jié)果表明矩形加腋板的效果明顯優(yōu)于三角形加腋板，并且基于ABAQUS 分析了矩形加腋板的節(jié)點(diǎn)，提出了矩形加腋板的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)模型以及細(xì)部構(gòu)造措施。Stratan[11]等人對(duì)梁下翼緣采用加腋板加強(qiáng)型的螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)，研究表明，該種節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)塑性鉸外移的設(shè)計(jì)目標(biāo)且具有良好的塑性變形能力。

有關(guān)肋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的研究，國(guó)內(nèi)外仍有很多專家學(xué)者對(duì)此有所研究。Lee[12]等人對(duì)加肋形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，從結(jié)果看出肋板連接中的力傳遞機(jī)制與經(jīng)典梁理論所預(yù)測(cè)的完全不同。根據(jù)梁理論進(jìn)行的彎曲應(yīng)力預(yù)測(cè)將梁和肋板視為一個(gè)整體部分，大大低估了梁翼緣坡口焊縫中的應(yīng)力。肋板中的對(duì)角帶起支撐作用，支撐作用往往會(huì)在梁腹中產(chǎn)生反向剪切力。除此之外，將肋板理想化為支柱，Lee 提出了可用于確定梁與肋板之間界面處的相互作用力的等效支柱模型。M.Ghassemieh[13]等人對(duì)單肋板對(duì)稱加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)中單肋板的不同參數(shù)進(jìn)行ANASYS 有限元模擬，結(jié)果表明該種節(jié)點(diǎn)形式具有良好的變形能力且節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角可達(dá)到0.04 rad。通過(guò)變參分析可知，加勁肋水平側(cè)值的增加會(huì)導(dǎo)致斷裂指數(shù)的下降。此外，減少肋板的水平和垂直尺寸會(huì)增加脆性斷裂的可能性，即肋板尺寸越長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)延性越高。王璐[14]等人對(duì)單肋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)中的設(shè)計(jì)參數(shù)肋板長(zhǎng)度a、肋板高度h和肋板厚度t進(jìn)行變參分析，結(jié)果表明：3 種不同的參數(shù)對(duì)單肋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的承載能力無(wú)明顯影響；隨著肋板高度及厚度的增大，梁翼緣焊縫處的Mises 應(yīng)力逐漸降低，肋板長(zhǎng)度a主要影響塑性鉸出鉸的位置?？狄鶾15-16]通過(guò)對(duì)肋板-蓋板非對(duì)稱加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力分析，得出肋板-蓋板非對(duì)稱加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)為4.72，等效黏滯阻尼系數(shù)為0.361，具有較強(qiáng)的耗能能力。韓明嵐[17-18]等人通過(guò)改變螺栓數(shù)目、懸臂梁段外伸翼緣厚度、外伸翼緣寬度以及懸臂梁長(zhǎng)度4 個(gè)參數(shù)對(duì)帶懸臂梁段嵌入式加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力分析，得出在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)外伸翼緣厚度和寬度的選取可通過(guò)截面控制，外伸梁截面面積與中間梁段翼緣的橫截面積比值建議在1.10～1.29。戴素娟[19]等人采用ABAQUS軟件對(duì)梁柱弱軸連接的擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行變參分析，分析表明擴(kuò)翼段的外伸寬度對(duì)節(jié)點(diǎn)的骨架曲線影響較大，擴(kuò)翼參數(shù)取強(qiáng)軸擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)的參數(shù)取值不合理，并以此給出了合理的參數(shù)取值。

對(duì)于板式加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)，此類節(jié)點(diǎn)形式為FEMA 推薦使用的一種延性節(jié)點(diǎn)形式。國(guó)內(nèi)外對(duì)該種節(jié)點(diǎn)形式研究較多。Whittaker[20]等人對(duì)上、下翼緣分別經(jīng)梯形板與矩形板加強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究以及有限元模擬，在循環(huán)加載至2 倍的屈服位移時(shí)試件出現(xiàn)脆性破壞。根據(jù)對(duì)裂紋位置進(jìn)行微觀掃描發(fā)現(xiàn)，斷裂始于將上蓋板與梁翼緣連接處的角焊縫趾部。陳杰[21]等人對(duì)4 個(gè)翼緣板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，該種節(jié)點(diǎn)均能夠保證塑性鉸出現(xiàn)在翼緣板末端，梁端轉(zhuǎn)角在0.044～0.054 rad 之間。并且如果節(jié)點(diǎn)域過(guò)弱則會(huì)明顯降低節(jié)點(diǎn)的極限承載力，但可提高節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力。楊慶山[22]等人通過(guò)對(duì)蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬，分析了節(jié)點(diǎn)域厚度、梁截面高度、蓋板長(zhǎng)度以及軸壓比對(duì)該節(jié)點(diǎn)的滯回性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)域較弱的節(jié)點(diǎn)其強(qiáng)度與剛度較小，而節(jié)點(diǎn)的延性性能較好；梁截面高度決定了節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與剛度，但過(guò)大的梁截面高度會(huì)造成強(qiáng)梁弱柱的破壞模式；通過(guò)改變蓋板長(zhǎng)度可以發(fā)現(xiàn)，蓋板長(zhǎng)度與梁柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度以及延性無(wú)明顯變化；除此之外，當(dāng)軸壓比較小時(shí)，軸壓比對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能無(wú)明顯變化，而當(dāng)軸壓比增加至一定數(shù)值后，節(jié)點(diǎn)的延性及承載力隨軸壓比增加而下降。王燕[23]等人對(duì)翼緣板及蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)及有限元研究，對(duì)比分析了兩種節(jié)點(diǎn)形式的破壞模式以及性能指標(biāo)，又在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)板式加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)中加強(qiáng)板不同參數(shù)取值進(jìn)行數(shù)值模擬，研究表明：兩種節(jié)點(diǎn)形式的塑性鉸均出現(xiàn)在加強(qiáng)板末端，梁柱交界面處的焊縫未發(fā)生脆性破壞。破壞模式均為塑性鉸區(qū)域梁翼緣及腹板出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象。除此之外加強(qiáng)板的參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載力及延性有顯著影響，為此作者對(duì)加強(qiáng)板的合理取值提出了一定的建議值。

3.2 削弱型節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀

削弱型節(jié)點(diǎn)即在距梁端一定距離處對(duì)梁截面進(jìn)行一定的局部削弱，從而使得節(jié)點(diǎn)塑性鉸出現(xiàn)在削弱區(qū)域從而避免節(jié)點(diǎn)在梁端柱面焊縫處出現(xiàn)脆性破壞?；谙魅跣凸?jié)點(diǎn)的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)梁翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了很多的研究。在Northridge 地震發(fā)生前，Plumier[24]等人已經(jīng)對(duì)直線型及錐形削弱型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一定的研究。在Northridge 地震發(fā)生之后，Gilton[25]等人對(duì)兩個(gè)狗骨式（RBS）弱軸連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)及有限元模擬，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：狗骨式削弱能夠?qū)⒑缚p附近的梁翼緣邊緣處的應(yīng)變集中降低約三倍，兩個(gè)狗骨式節(jié)點(diǎn)的塑性轉(zhuǎn)角均達(dá)到了0.03 rad，且大多屈曲現(xiàn)象及塑性轉(zhuǎn)動(dòng)均在削弱處發(fā)生。Pachoumis[26]等人對(duì)兩個(gè)狗骨式削弱型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)及數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明：試件均在狗骨削弱區(qū)域形成塑料鉸，在梁端柱面焊縫處未發(fā)生脆性破壞且均具有良好的滯回性能。根據(jù)EC8 提出的建議設(shè)計(jì)的試件并未表現(xiàn)出良好的滯回性能。該節(jié)點(diǎn)的屈服區(qū)域在靠近梁柱端面的梁下翼緣處而不是在削弱區(qū)域。為了將此種節(jié)點(diǎn)形式安全地適用于歐洲，應(yīng)重新調(diào)整EC8 采用的圓弧形RBS 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。Jones[27]等人對(duì)8個(gè)帶有復(fù)合樓板的狗骨式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：該系列的節(jié)點(diǎn)在梁柱交界面處的焊縫均未發(fā)生脆性破壞，表明該種節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)塑性鉸外移的目標(biāo)。與未削弱的梁相比，RBS 節(jié)點(diǎn)中的梁可能更容易出現(xiàn)腹板局部屈曲。對(duì)于復(fù)合樓板的存在，可以增加削弱梁的穩(wěn)定性以及延遲強(qiáng)度的下降趨勢(shì)。王燕、郁有升[28-29]等人對(duì)梁柱強(qiáng)弱軸連接的翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)及有限元模擬研究，通過(guò)對(duì)比節(jié)點(diǎn)的破壞模式發(fā)現(xiàn)當(dāng)弱軸相連時(shí)未能實(shí)現(xiàn)塑性鉸外移現(xiàn)象，分析其原因發(fā)現(xiàn)焊縫通過(guò)孔在加工過(guò)程中切割過(guò)大、表面粗糙導(dǎo)致焊縫通過(guò)孔應(yīng)力集中最終發(fā)生脆性斷裂。但與強(qiáng)軸相連時(shí)，其主要的破壞模式為翼緣削弱處面外剛度較小使鋼梁出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，但總體來(lái)講均能夠?qū)崿F(xiàn)塑性鉸外移。在研究不同削弱參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：強(qiáng)弱軸相連時(shí)，在屈服之前削弱參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能影響較??；當(dāng)屈服后，削弱參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能的影響程度依次為削弱深度、削弱起始位置以及削弱長(zhǎng)度。同時(shí)適用于強(qiáng)軸連接的削弱參數(shù)合理取值并不適用于弱軸連接。針對(duì)削弱型節(jié)點(diǎn)在削弱處的穩(wěn)定問(wèn)題，韓明嵐[30]等人采用能量法研究了不同荷載作用下削弱型梁的整體穩(wěn)定性，通過(guò)采用等效折減剛度計(jì)算出削弱型梁面外彎扭失穩(wěn)的臨界荷載?；趯?duì)梁柱削弱型節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究，Zheng 等人對(duì)腹板開(kāi)孔型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)與有限元模擬，研究表明：該種節(jié)點(diǎn)形式滿足了塑料鉸向外移動(dòng)的目的，有效地避免了應(yīng)力集中在連接焊縫上，并使破壞方式從連接焊縫的脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榱壕植克苄云茐?，從而明顯提高梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)延性節(jié)點(diǎn)工作機(jī)理、結(jié)構(gòu)相關(guān)性能等方面進(jìn)行了大量的研究。但主要以數(shù)值模擬為主，鋼框架延性節(jié)點(diǎn)的擬靜力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方面的研究不多。同時(shí)對(duì)鋼框架延性節(jié)點(diǎn)整體性研究展開(kāi)得并不多，有必要對(duì)整體破壞模式、塑性鉸方面展開(kāi)進(jìn)一步研究。