馬洪偉　陳亞科　戴　順

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州　225127)

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·結構·抗震·

鋼框架梁柱新型節(jié)點的研究進展與應用現(xiàn)狀★

馬洪偉陳亞科戴順

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州225127)

以美國北嶺與日本阪神地震案例為背景，闡述了兩次地震導致梁柱節(jié)點破壞的原因，基于塑性鉸外移的思想，對加強型和削弱型兩種新型節(jié)點進行了探究，最后結合我國規(guī)范，論述了鋼框架梁柱新型節(jié)點的發(fā)展與應用現(xiàn)狀。

鋼框架，節(jié)點，塑性鉸外移，抗震性能

0　引言

在過去的幾十年間，焊接抗彎鋼框架結構WSMF(Welded Steel Moment Resistant Frames)是最流行的結構形式之一[1]。人們認為這一傳統(tǒng)的鋼框架梁柱節(jié)點能夠基于鋼材的延性，在強震作用下可以表現(xiàn)出良好的抗震性能。但是在1994年、1995年分別發(fā)生在美國北嶺(Northridge)的里氏6.6級地震、日本阪神(Kobe)的里氏7.3級地震中，鋼框架結構建筑在梁柱節(jié)點的梁端下翼緣焊縫處卻產(chǎn)生了諸多朝柱翼緣和梁腹板處延伸發(fā)展的脆性裂紋，導致節(jié)點全面斷裂，如圖1所示。

1　節(jié)點破壞原因分析

美國北嶺地震中有100多幢[2]鋼框架結構建筑遭到破壞，為了弄清楚破壞的原因，美國聯(lián)邦突發(fā)事件管理局FEMA(the U.S.Federal Emergency Management Agency)等研究機構進行了大量的現(xiàn)場調(diào)查和試驗研究，進行結構響應分析、數(shù)值模擬等，得到該類型節(jié)點在地震作用下破壞的幾個主要原因。

1.1節(jié)點處具有較為集中的應力

在常規(guī)的受力狀態(tài)，梁端部的彎矩M和剪力V必須通過梁柱節(jié)點連接處的焊縫和梁與柱連接用的剪力板傳遞給柱，但在這些部位的截面面積和彈性模量通常都小于被連接的梁，故焊縫部位就會產(chǎn)生局部過大的應力，導致節(jié)點發(fā)生脆斷[3]。

1.2計算假定與模型分析不合理

計算中假定彎矩M和剪力V分別由梁翼緣及梁腹板承擔。但通過實際的受力分析會發(fā)現(xiàn)，梁柱翼緣處會產(chǎn)生較大的彎曲和變形，致使梁翼緣同時要承受彎矩和剪力。同時在常規(guī)模型試驗中，試件通常采用縮尺模型，這樣往往導致試驗結果不能全面反映出結構的真實性[4]。

1.3焊條抗沖擊性能低

在20世紀60年代中期，鋼結構建筑焊接連接時多采用自屏蔽藥芯焊條，該焊條的最小抗拉強度為480 MPa，且對抗沖擊韌性無明確要求。從實際破壞的結構中取出的連接試件在室溫下進行試驗發(fā)現(xiàn)，其抗沖擊韌性只有10 J～15 J，這樣低的抗沖擊韌性在地震瞬間作用下極易發(fā)生脆性破壞，是引發(fā)節(jié)點脆斷的重要因素[1]。

1.4其他因素

除了上述原因之外，現(xiàn)場施工焊接質量、節(jié)點的形式、高應變率以及柱節(jié)點域過大的剪切屈服和變形等這些潛在的影響也容易導致節(jié)點發(fā)生脆性破壞。

2　基于塑性鉸外移的新型延性節(jié)點

在調(diào)查和分析Northridge地震和Kobe地震導致大量鋼框架建筑破壞原因的基礎上，世界各國學者總結出多種改良節(jié)點的途徑，主要集中在以下幾個方面：

1)將梁端部塑性鉸的位置外移；

2)將梁腹板扇形切角構造改進；

3)將梁腹板與柱翼緣直接焊接；

4)選用高沖擊韌性的焊條。

通過大量的試驗數(shù)據(jù)比對和理論分析探究，大多數(shù)學者認為將梁端部塑性鉸外移可較為有效地解決節(jié)點發(fā)生脆性破壞的問題。國內(nèi)外學者基于將塑性鉸外移的思想，近年來研究成果主要集中于加強型和削弱型兩種新型節(jié)點。

2.1加強型節(jié)點

加強型節(jié)點的工作原理是通過加大梁柱節(jié)點連接處梁翼緣斷面面積來增大節(jié)點的抗彎承載能力，使得非焊縫區(qū)的應力大于焊縫以及焊縫區(qū)域斷面處的應力，使得在遠離梁端截面M/Mu值最大處產(chǎn)生塑性鉸，以達到塑性鉸外移的目的[5]。其設計原理如圖2所示，加強型節(jié)點塑性鉸區(qū)域示意圖如圖3所示。

加強型節(jié)點主要包括梁端翼緣擴翼式、翼緣側板加強式、翼緣板式、翼緣蓋板式及翼緣加肋式和翼緣加腋式等加強形式，如圖4所示。該類型節(jié)點在地震時，可以有效地實現(xiàn)塑性鉸外移，較大的提高節(jié)點的承載能力和延性性能。

Richard J等[6]對梁端擴翼式節(jié)點進行了6個足尺試件的低周往復加載試驗，并進行有限元分析，其結果表明，該類型節(jié)點可以提高梁柱節(jié)點的承載能力和韌性，增加梁的塑性耗能范圍，提高抗震性能。

劉占科[7]參考日本《鋼構造接合部設計指針》，結合我國規(guī)范提出梁端翼緣側板加強式梁柱連接的設計步驟以及“實用算法”，并對4個1/2縮尺T型模型試件進行偽靜力試驗研究。結果表明，這種連接形式的節(jié)點，其強度和剛度較好，但變形能力稍差，只能剛好達到國外抗震規(guī)范對特殊抗彎鋼框架塑性轉動能力的要求。

2.2削弱型節(jié)點

削弱型節(jié)點的設計原理是對距離節(jié)點一定距離的梁翼緣或者梁腹板進行切割，使得切割后區(qū)域的梁截面抵抗彎矩等于該區(qū)域截面地震時的作用彎矩。在削弱區(qū)各截面的M/Mu值大小相等且比梁上其他截面的M/Mu值大[5]，可使削弱區(qū)首先出現(xiàn)塑性鉸。其設計原理如圖5所示，削弱型節(jié)點塑性鉸區(qū)域如圖6所示。

削弱型節(jié)點主要包括梁端翼緣圓弧削弱式、翼緣直線削弱式、梁腹板開孔式和梁腹板切縫式等削弱形式，如圖7所示。這種類型的節(jié)點在梁翼緣或者梁腹板被削弱后，雖然節(jié)點的承載能力會有所下降，但是其塑性轉動和耗能能力得到了更好的發(fā)展。

Sheng-Jin Chen等[8]對五個梁翼緣削弱尺寸不同的節(jié)點進行低周往復試驗研究。試驗結果表明，翼緣削弱型節(jié)點的極限強度與普通節(jié)點相近，剛度有一定的降低，但塑性轉動能力大大提高，可有效緩解節(jié)點焊縫處的斷裂與應力集中問題。該類型節(jié)點又稱為RBS(Reduced Beam Section)節(jié)點，是近年來各國學者研究的熱點。

楊慶山[9]對12個足尺梁腹板開圓孔的鋼框架抗震節(jié)點試件進行擬靜力試驗研究，試驗結果顯示，腹板開孔型梁柱連接節(jié)點具備塑性鉸外移的能力且增加建筑使用功能兩方面的優(yōu)點。

3　新型延性節(jié)點的應用現(xiàn)狀

我國GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范[10]中推薦了常用的四種節(jié)點類型，即梁端擴大形連接(同圖4a))、骨形連接(同圖7a))、蓋板式連接(圖4d)采用矩形蓋板，規(guī)范則采用楔形蓋板)和翼緣板式連接(同圖4c))，規(guī)范參考美國FEMA-350只給出骨形連接的翼緣構造尺寸和蓋板式連接的楔形蓋板板寬，其他類型

節(jié)點的構造尺寸尚未提及。

在GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范的基礎之上，2015年頒布的新版JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程[11]中，新增了梁翼緣局部加寬式連接節(jié)點(同圖4b))，且給出了其他四種類型節(jié)點的詳細構造尺寸。

骨形連接形式(RBS)在美國鋼框架建筑中已經(jīng)得到廣泛使用，而在日本則普遍采用梁端擴大形連接節(jié)點。在我國鋼結構建筑，尤其是鋼框架住宅建筑甚少，目前仍以混凝土結構為主，故限制了這類新型梁柱節(jié)點在我國的應用和發(fā)展。

4　結論與展望

鋼框架梁柱新型節(jié)點在我國并未得到大力推廣，其原因在于這種新型節(jié)點的設計理論尚未完全成熟，規(guī)范中也只是推薦了幾種新的節(jié)點形式和相對應的構造尺寸。雖然目前許多研究單位和高校對于該領域已經(jīng)做了一些研究工作，但是這些研究工作還不足以形成設計理論，并指導實際施工。我們可以借鑒發(fā)達國家的成功經(jīng)驗，通過大量的試驗研究和理論分析，完善設計方法，設計出具有足夠可靠度的不同新型節(jié)點，這對提高我國鋼框架結構建筑的抗震設計具有十分重要的實際意義。

[1]劉洪波，謝禮立，邵永松.鋼框架結構的震害及其原因[J].世界地震工程，2006,22(4)：47-51.

[2]李杰，張玉鳳，霍立興，等.梁柱焊接接頭的模擬地震循環(huán)荷載作用下的有限元分析[J].焊接學報，2002，23(5)：15-18.

[3]張艷霞.鋼框架梁柱抗震節(jié)點試驗研究和有限元分析實例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[4]張文元，朱福軍.梁端翼緣擴大型鋼框架梁柱節(jié)點的受力性能分析[J].建筑鋼結構進展，2007,9(6)：33-38.

[5]王燕.鋼結構新型延性節(jié)點的抗震性能設計理論及其應用[M].北京：科學出版社，2012.

[6]Richard J.Coble,Robert L.Blatter Jr..Concerns with safety in design/build process[J].Journal of Architectural Engineering,1999,5(2):44-48.

[7]劉占科.鋼結構側板加強式剛性梁柱連接試驗研究[D].西安：西安建筑科技大學碩士學位論文，2006.

[8]Sheng-Jin Chen，C.H.Yeh，J.M.Chu.Ductile steel beam-to-column connections for seismic resistance[J].Journal of Structural Engineering，1996，122(11)：1292-1299.

[9]楊慶山.梁腹板開圓孔的鋼框架抗震節(jié)點[J].中國安全科學學報，2005，15(2)：45-50.

[10]GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[11]JGJ 99—2015，高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程[S].

Research progress and application status of new joints of steel frame beam-to-column★

Ma HongweiChen YakeDai Shun

(College of Civil Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

Based on the earthquakes in Northridge, America and Kobe, Japan, the cause of two-earthquake giving rise to the failure of beam-to-column joints is elaborated. According to the idea concerning shift-away of plastic hinge, the paper investigates two new-type nodes of strengthening as well as weakening property, the final specification in our country, discusses the situation of development and application of new type steel beam-to-column node.

steel frame, node, shift-away of plastic hinge, seismic behavior

1009-6825(2016)25-0030-03

2016-06-26★：住房與城鄉(xiāng)建設部基金項目(項目編號：2014-K2-045)

馬洪偉(1977- )，男，碩士生導師，講師；陳亞科(1990- )，男，在讀碩士；戴順(1993- )，男，在讀碩士

TU323.5

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