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(diǎn)出現(xiàn)了大量的脆性破壞，為了實(shí)現(xiàn)鋼框架節(jié)點(diǎn)的抗震延性，達(dá)到塑性鉸外移、提高節(jié)點(diǎn)延性、避免在強(qiáng)震作用下梁柱接頭發(fā)生脆性破壞的設(shè)計(jì)目的，梁翼緣進(jìn)行局部削弱或在連接區(qū)域局部加大的設(shè)計(jì)方法。本文著重介紹了新型鋼框架節(jié)點(diǎn)的種類(lèi)并通過(guò)分析目前國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，指出目前鋼框架新型梁柱節(jié)點(diǎn)研究的不足與方向。

關(guān)鍵詞：延性節(jié)點(diǎn)；塑性鉸；擴(kuò)翼式節(jié)點(diǎn)

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(qiáng)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(diǎn)。自19世紀(jì)鋼結(jié)構(gòu)開(kāi)始應(yīng)用于建筑，時(shí)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(diǎn)將梁與柱連接起來(lái)，因此節(jié)點(diǎn)的性能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)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(diǎn)很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)被認(rèn)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(diǎn)處的梁內(nèi)將產(chǎn)生塑性鉸，塑性鉸的形成和轉(zhuǎn)動(dòng)可以有效地消散由于地震產(chǎn)生的能量，確保節(jié)點(diǎn)不被破壞，即“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的設(shè)計(jì)思想。

但是在1994年美國(guó)北嶺大地震及1995年日本兵庫(kù)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(diǎn)上，大大出乎設(shè)計(jì)人員的意料。我國(guó)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(kāi)發(fā)具有良好抗震性能的新型梁柱連接節(jié)點(diǎn)有著重大的意義。

1 鋼結(jié)構(gòu)新型延性節(jié)點(diǎn)類(lèi)型與動(dòng)力特性

1.1 傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)破壞原因

梁柱連接節(jié)點(diǎn)處常因?yàn)闃?gòu)造要求導(dǎo)致截面形狀比較復(fù)雜，因此在節(jié)點(diǎn)截面處出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中，以及焊縫存在缺陷這導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處的承載力低于梁截面處承載力，在梁尚未來(lái)的及形成塑性鉸之前，焊縫將先開(kāi)裂然后發(fā)生脆性破壞。歐美及日本的學(xué)者經(jīng)過(guò)研究分析在地震中梁柱連接節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的高應(yīng)力區(qū)集中在梁翼緣的坡口焊縫處，無(wú)法形成側(cè)向收縮或剪切滑移，當(dāng)梁還沒(méi)有產(chǎn)生顯著的屈服現(xiàn)象時(shí)，節(jié)點(diǎn)就會(huì)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(wú)法形成側(cè)向收縮和剪切位移，乃至在沒(méi)有屈服下發(fā)生脆性毀壞；

（4）在梁翼緣對(duì)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(diǎn)設(shè)計(jì)理念

歐美國(guó)家和日本在震后以大量試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)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(diǎn)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(diǎn)焊接區(qū)域。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的連接方式主要有節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)型連接和節(jié)點(diǎn)減弱型連接，因?yàn)樗苄糟q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(guò)提高梁柱節(jié)點(diǎn)處的強(qiáng)度或者削弱距離梁柱節(jié)點(diǎn)一段距離處梁截面而達(dá)到塑性鉸外移的目的。

1.3 削弱式節(jié)點(diǎn)

削弱式節(jié)點(diǎn)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(guò)在距離節(jié)點(diǎn)一段長(zhǎng)度處的梁腹板上開(kāi)孔，降低開(kāi)孔處梁截面的剛度與彎矩容許值，通過(guò)控制孔的大小和開(kāi)孔的位置使得塑性鉸位置遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)的焊接區(qū)域。在實(shí)驗(yàn)中，此種試件的梁端部上下翼緣處焊縫沒(méi)有出現(xiàn)裂紋并可以達(dá)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(duì)方便但對(duì)梁截面抗剪能力有所削弱；

（2）狗骨式連接，也是通過(guò)削弱梁截面達(dá)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(guò)對(duì)梁翼緣部分合理的削弱將塑性鉸轉(zhuǎn)移至削弱處較長(zhǎng)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(huì)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(jiǎn)捷，但兩條直線的匯交處，會(huì)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(yùn)用較為廣泛的一種，在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Blondet， M.等人圓弧口削弱形式RBS節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)中，其極限塑性轉(zhuǎn)角在0.03rad以上。

1.4 擴(kuò)翼式節(jié)點(diǎn)

通過(guò)對(duì)梁端節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加強(qiáng)提高節(jié)點(diǎn)處梁截面的剛度與承載力，從而迫使塑性鉸外移而遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)從而達(dá)到目的。擴(kuò)翼式節(jié)點(diǎn)主要類(lèi)型有板式擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)，梁端翼緣擴(kuò)大型節(jié)點(diǎn)，加腋式擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)，肋板式擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)。

（1）板式擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)主要有兩種形式：蓋板式連接與翼緣板式連接。蓋板式擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)將蓋板與梁翼緣和柱翼緣同時(shí)焊接起來(lái)將塑性鉸移至蓋板端部，有效利用材料的塑性性能。但是當(dāng)蓋板過(guò)長(zhǎng)時(shí)焊縫應(yīng)力過(guò)大加之焊接時(shí)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(guò)加強(qiáng)板進(jìn)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(guò)大的缺點(diǎn)，同時(shí)也利于對(duì)焊縫的檢查與修復(fù)。板式擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，受力可靠但是施工復(fù)雜，用鋼量大的缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用；

（2）梁端擴(kuò)大型節(jié)點(diǎn)主要形式為擴(kuò)翼式與翼緣側(cè)板加強(qiáng)式。這種連接方式是通過(guò)擴(kuò)大梁柱節(jié)點(diǎn)處的翼緣從而提高節(jié)點(diǎn)處梁截面的剛度及承載力，通過(guò)調(diào)節(jié)加強(qiáng)側(cè)板的長(zhǎng)度來(lái)控制塑性鉸的位置。擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)在加工時(shí)首先制作一個(gè)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(yùn)至工地安裝，減少了板式擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)焊縫過(guò)大的缺陷，更有利于節(jié)點(diǎn)的塑性發(fā)展，其構(gòu)造具體要求可以參考美國(guó)緊急狀態(tài)屬給出的要求：擴(kuò)翼長(zhǎng)度宜為0.5至0.75倍梁高，擴(kuò)翼角度不應(yīng)大于28度，擴(kuò)翼區(qū)端部到焊縫通過(guò)孔端部距離宜取0.25倍梁高；

（3）肋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)是在鋼梁靠近節(jié)點(diǎn)處焊接兩塊垂直于梁翼緣的肋板，并與柱翼緣焊接，通過(guò)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(diǎn)可以有效地避免應(yīng)力集中，提高梁柱節(jié)點(diǎn)處的剛度與承載力。但由于肋板的存在會(huì)降低房屋的凈高需要謹(jǐn)慎使用。

2 國(guó)內(nèi)擴(kuò)翼型加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀

（1）清華大學(xué)的錢(qián)稼茹，余海群對(duì)6種不同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)形式（標(biāo)

（下轉(zhuǎn)第111頁(yè)）

（上接第23頁(yè)）

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

（2）青島理工大學(xué)的王燕、高鵬等對(duì)5個(gè) 0.5倍縮尺的鋼框架梁柱 T 形連接節(jié)點(diǎn)試件（包括兩個(gè)蓋板擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)試件）進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)的試件設(shè)計(jì)參考美國(guó)規(guī)范 FEMA350 的設(shè)計(jì)方法及構(gòu)造要求，同時(shí)滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范。試驗(yàn)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(méi)有開(kāi)裂，在距離蓋板端部約1/4梁高處產(chǎn)生了塑性鉸。試驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明蓋板擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)比普通節(jié)點(diǎn)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(diǎn)， 將梁端部翼緣楔形增寬，這樣梁的塑性鉸就會(huì)遠(yuǎn)離柱邊， 然后對(duì)兩跨兩層梁端為楔形翼緣連接鋼框架連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低頻率往復(fù)加載試驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)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(shuō)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(guó)外對(duì)于擴(kuò)翼式加強(qiáng)型梁柱連接節(jié)點(diǎn)的研究以蓋板加強(qiáng)型和翼緣側(cè)板加強(qiáng)型梁柱連接節(jié)點(diǎn)為主，美國(guó)在擴(kuò)翼式連接節(jié)點(diǎn)的研究比較成熟，我國(guó)對(duì)擴(kuò)翼式加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的研究尚不充分，工程設(shè)計(jì)中對(duì)于不同工況影響以及專(zhuān)利的限制，照搬其他國(guó)家的設(shè)計(jì)方法是行不通的。

雖然這幾年我國(guó)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的研究蓬勃發(fā)展但是對(duì)于鋼框架梁柱擴(kuò)大式連接節(jié)點(diǎn)的研究很少。已有研究人員對(duì)梁柱連接節(jié)點(diǎn)做了試驗(yàn)，但是節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)不能反映其在實(shí)際鋼框架的工作情況。國(guó)內(nèi)所有關(guān)于擴(kuò)翼式梁柱連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)均未給柱施加軸力，這跟實(shí)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(huì)提前進(jìn)入塑性從而降低柱的承載力。而且對(duì)采用擴(kuò)翼式節(jié)點(diǎn)鋼框架在地震中的表現(xiàn)所進(jìn)行的研究試驗(yàn)基本為零。

4 小結(jié)

自擴(kuò)翼式加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)以來(lái)，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(kuò)翼式加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移塑性鉸可以提高鋼框架的抗震性能。我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家，具有良好抗震性能的擴(kuò)翼型梁柱節(jié)點(diǎn)有著良好的應(yīng)用前景，當(dāng)然擴(kuò)翼型節(jié)點(diǎn)仍然在豐富和發(fā)展之中，針對(duì)它的試驗(yàn)仍然應(yīng)該繼續(xù)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)翼型加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)將受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]趙廣軍.鋼框架結(jié)構(gòu)延性節(jié)點(diǎn)塑性鉸外移的機(jī)理研究[D].大連理工大學(xué)，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(guó)，趙廣軍.鋼框架延性節(jié)點(diǎn)塑性鉸外移的機(jī)理研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2014（12）：25-31+57.