周玉萍

一、前 言

一直以來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)被認(rèn)為具較好抗震性能的結(jié)構(gòu)形式之一。但是相續(xù)發(fā)生在美國(guó)的北嶺地震和日本的阪神地震，使鋼框架的梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生了不同程度的破壞，主要集中在梁柱混合連接節(jié)點(diǎn)上，因此以梁柱混合連接為主要對(duì)象。焊接鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞，主要發(fā)生在梁的下翼緣，而且一般是由焊縫根部萌生的脆性破壞裂紋引起的裂紋擴(kuò)展的途徑是多樣的，由焊根進(jìn)入母材或熱影響區(qū)，北嶺地震和阪神地震給美日兩國(guó)帶來(lái)了巨大的損失[1]。在北嶺地震和阪神地震之前，圖1所示的傳統(tǒng)梁柱栓焊節(jié)點(diǎn)連接被廣泛應(yīng)用在多高層鋼框架結(jié)構(gòu)中，當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法能夠保證節(jié)點(diǎn)發(fā)揮材料的延性，促使結(jié)構(gòu)在梁端出現(xiàn)塑性鉸，并通過(guò)塑性鉸的形成和轉(zhuǎn)動(dòng)耗散地震所輸入的能量，使節(jié)點(diǎn)免于破壞，并保證結(jié)構(gòu)的整體性能使其免于倒塌，以滿足 “強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)思想。震后的十多年里，日本、美國(guó)等國(guó)家對(duì)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接的抗震性能以及延性等開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究，美國(guó)除采取相應(yīng)措施消除焊接襯板的缺口效應(yīng)外，主要致力于將塑性鉸外移的研究工作。大量研究結(jié)果表明：強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件的試件可以發(fā)揮梁的塑性承載力，形成梁產(chǎn)生塑性鉸的破壞機(jī)構(gòu)，從而具有較大的變形能力和耗能能力，即具有良好的抗震性能。對(duì)鋼梁截面進(jìn)行削弱，形成薄弱截面，使強(qiáng)震時(shí)梁的塑性鉸自柱面外移，從而可以避免梁柱連接處發(fā)生脆性破壞。

塑性鉸外移的方法大致上分為兩種基本形式，即節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型和節(jié)點(diǎn)削弱型。兩種方式的共同目的都是為了將塑性鉸自柱面外移到距柱面一定距離的梁上，從而避免了由于節(jié)點(diǎn)變形能力的惡化而導(dǎo)致的脆性破壞。

圖1 梁柱栓焊連接節(jié)點(diǎn)

二、加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型主要是通過(guò)蓋板和梁翼緣局部加寬等方法將節(jié)點(diǎn)域加強(qiáng)，從而使塑性鉸產(chǎn)生的區(qū)域向節(jié)點(diǎn)域以外的梁端移動(dòng)，使塑性鉸出現(xiàn)在梁上，盡可能的遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)域，從而有效保護(hù)節(jié)點(diǎn)域，降低節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)脆性破壞可能性，包括在梁端對(duì)翼緣加強(qiáng)或在豎向加腋等方法，具體形式如下：

根據(jù)美國(guó)FEMA273，強(qiáng)柱弱梁表達(dá)式中的梁抗彎承載力，表現(xiàn)在梁原截面抗彎承載力和塑性鉸剪力與其到柱面彎矩的乘積二者之和，已列入抗震規(guī)范。

1.蓋板式節(jié)點(diǎn)[2]（見(jiàn)圖2）其設(shè)計(jì)思想是加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)承載能力。這種節(jié)點(diǎn)的延性要好于以往的節(jié)點(diǎn)，但有時(shí)也出現(xiàn)脆性破壞。對(duì)于這種節(jié)點(diǎn)，最大的困難就是蓋板與梁翼緣的焊接及檢測(cè)，特別是采用厚蓋板時(shí)將使坡口焊很大，致使焊縫的收縮、復(fù)原等更加困難，同時(shí)更容易在梁翼緣和蓋板的交界處產(chǎn)生更大的殘余應(yīng)力。此類(lèi)節(jié)點(diǎn)目前應(yīng)用不多。

圖2 蓋板式節(jié)點(diǎn)

圖3 邊板式節(jié)點(diǎn)

2.邊板式節(jié)點(diǎn) （見(jiàn)圖3），此種節(jié)點(diǎn)通過(guò)邊板使梁柱相連，避免了梁與柱翼緣的焊縫連接，解決了焊縫處柱翼緣厚度方向的強(qiáng)度問(wèn)題，又有良好的受力性能，與蓋板式節(jié)點(diǎn)相比較施工工藝簡(jiǎn)單，而且焊接水平的要求也稍有放寬，但造價(jià)無(wú)疑是最高的[3]，這種節(jié)點(diǎn)不提倡使用。

3.勁板式節(jié)點(diǎn)[2]（見(jiàn)圖3a），此節(jié)點(diǎn)和蓋板式節(jié)點(diǎn)有相似。同樣存在著三軸應(yīng)力和造價(jià)增加等問(wèn)題，但是勁板式節(jié)點(diǎn)在焊接工藝上要好于蓋板式節(jié)點(diǎn)。

圖3 a 勁板式節(jié)點(diǎn)

圖3 b 勁板式節(jié)點(diǎn)

4.托座式節(jié)點(diǎn)[4]（見(jiàn)圖4），這種節(jié)點(diǎn)形式的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)使得塑性鉸出現(xiàn)在梁上，通過(guò)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)來(lái)減少焊縫處的應(yīng)力。它用兩個(gè)托座分別將梁的上下翼緣和柱翼緣連接起來(lái)，托座與梁翼緣一般通過(guò)焊縫連接，托座與柱翼緣則可通過(guò)鉚接、螺栓連接或焊縫連接。其中當(dāng)托座與柱翼緣通過(guò)螺栓連接時(shí)一定要使用大的高強(qiáng)度螺栓，以保證節(jié)點(diǎn)為剛性連接。這種節(jié)點(diǎn)形式在實(shí)驗(yàn)室研究中也表現(xiàn)出很好的延性，但造價(jià)相對(duì)較高。

圖4 托座式節(jié)點(diǎn)

三、削弱型節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)削弱型是通過(guò)裁剪梁翼緣板或者梁腹板使節(jié)點(diǎn)域以外的梁的翼緣或腹板得到削弱，從而使節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)削弱的梁首先屈服，進(jìn)入塑性狀態(tài)產(chǎn)生塑性鉸來(lái)保護(hù)節(jié)點(diǎn)域。一般包括鋼梁腹板削弱和鋼梁翼緣削弱式。美國(guó)FEMA(FederalE-mergencyManagemeniAgency)的研究報(bào)告表明：鋼梁腹板削弱適合于即存結(jié)構(gòu)的修復(fù)，但這種方式對(duì)梁端抗剪不利，我國(guó)未見(jiàn)采用。

（1）翼緣削弱式節(jié)點(diǎn) （圖5），此類(lèi)節(jié)點(diǎn)又因其形狀而被稱(chēng)為狗骨式節(jié)點(diǎn)。狗骨式節(jié)點(diǎn)根據(jù)削弱形狀又可分為三種:直線型、錐型和圓弧型，分別如圖所示。理論分析、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究均表明:三種不同類(lèi)型節(jié)點(diǎn)中，直線型承載力較低，應(yīng)力集中明顯，延性性能較差，工程中不宜采用;錐型節(jié)點(diǎn)承載力最高，應(yīng)力集中較輕，但延性稍差；圓弧型承載力居中，應(yīng)力集中較輕，延性較好。綜合考慮，錐型和圓弧型節(jié)點(diǎn)性能好，施工簡(jiǎn)便，值得進(jìn)一步推廣[5]。因此，錐型和圓弧型狗骨式節(jié)點(diǎn)更加受到研究者和試驗(yàn)的關(guān)注。美國(guó)FEMA等研究機(jī)構(gòu)在同一時(shí)期則進(jìn)行了大量狗骨式節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，此種形式在美國(guó)和臺(tái)灣應(yīng)用較多，但在日本和我國(guó)主要采用加強(qiáng)型連接，狗骨式很少采用。

圖5 狗骨型節(jié)點(diǎn)

（2）腹板開(kāi)洞型節(jié)點(diǎn) （圖6），國(guó)內(nèi)外對(duì)這種節(jié)點(diǎn)的研究還比較少，美國(guó)的FEMA報(bào)告中提到過(guò)梁腹板開(kāi)設(shè)圓孔的削弱型節(jié)點(diǎn)[6]，但并未給出其性能指標(biāo)。韓國(guó)學(xué)者JongWonPark，InkyuHwang利用懸臂梁試件對(duì)梁腹板開(kāi)有洞口節(jié)點(diǎn)做了一系列試驗(yàn)研，試驗(yàn)[7]表明，除個(gè)別試件外其它的試件都達(dá)到了指定轉(zhuǎn)角水平。北京交通大學(xué)楊慶山教授以及他的研究生對(duì)此節(jié)點(diǎn)的開(kāi)洞半徑和梁腹板上的圓孔與柱翼緣的距離對(duì)節(jié)點(diǎn)域的承載能力的影響作了詳細(xì)的論述。這種節(jié)點(diǎn)主要是在不影響腹板對(duì)梁翼緣的約束和滿足豎向剪力的條件下，控制開(kāi)洞位置和開(kāi)洞大小，使得梁的腹板得到削弱，在節(jié)點(diǎn)域外側(cè)梁腹板削弱處產(chǎn)生塑性鉸，從而起到確保節(jié)點(diǎn)連接的安全。經(jīng)過(guò)研究表明這種節(jié)點(diǎn)有良好的延性，能有效的避免節(jié)點(diǎn)域的塑性破壞。但是這種節(jié)點(diǎn)的抗剪能力下降，不宜用于承載力較高的框架結(jié)構(gòu)。腹板削弱可以降低梁局部的抗彎能力。但就降低梁局部抗彎能力而言，削弱腹板不如削弱翼緣有效，同時(shí)節(jié)點(diǎn)抗剪能力下降卻比較大，一般不作為考慮塑性鉸外移的構(gòu)造形式。

圖6 腹板開(kāi)洞型節(jié)點(diǎn)

蜂窩梁主要用于特定情況下提高梁剛度和減少鋼材用量之用，鑒于其組成焊縫和突角對(duì)發(fā)展塑性不利，作為塑性鉸外移的一種構(gòu)造形式，未見(jiàn)推薦，建議此節(jié)不列。

四、總 結(jié)

隨著鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，越來(lái)越多的鋼框架節(jié)點(diǎn)形式被提出，鋼框架節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，節(jié)點(diǎn)連接好壞直接影響到鋼框架的整體結(jié)構(gòu)，以上各種節(jié)點(diǎn)形式的提出主要想通過(guò)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)或削弱梁的翼緣、腹板從而使結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的塑性鉸外移，保護(hù)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn) “強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)思想。雖然它們的計(jì)算理論相對(duì)比較完備，但是仍然存在著很多需要解決的問(wèn)題，如削弱型節(jié)點(diǎn)性能的研究。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)特別是輕鋼結(jié)構(gòu)近幾年來(lái)在我國(guó)有了很大的發(fā)展，相信會(huì)有更多更好的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)。

[1]吳楠.北嶺地震和阪神地震后美日?qǐng)?jiān)鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的改進(jìn),2009.

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