探讨钢结构工程框架梁柱节点抗震性能

探讨钢结构工程框架梁柱节点抗震性能

王春明

山东源泰实业有限公司     山东  淄博  256100

摘要：钢结构具有重量轻、力学性能好、施工速度快等优点，其越来越多的应用于超大跨度及超高层的建筑结构中。但是在Northbridge 地震和 Kobe 地震中大量的钢结构节点出现了脆性破坏，为了防止脆性破坏的发生，研究人员通过设计将塑性铰远离梁端，并提出了相应的节点形式：梁端加强型节点、梁端削弱型节点的节点形式。这些节点形式能够有效防止脆性破坏发生，但也存在一些缺陷包括：节点屈服后承载力有较大幅度的下降；无法有效控制节点塑性区域的范围，震后结构难以修复。

关键字：钢框架；梁柱节点；抗震性能;灾害分析

0引言

我国是一个地震多发的国家，地震发生的频率高、震源浅、强度大、范围广，近代地震已经给我国造成了巨大的人员伤亡和财产损失。钢结构建筑体系作为一种新形式的结构体系，有着质量轻、强度高、延性好等优点。1976年唐山大地震，造成24万余人死亡，160余万人重伤，是二十世纪影响最大的地震之一。2008年四川汶川地震，震级 8.0 地震影响了10个省（区，市），导致经济损伤近万亿，汶川特大地震是新中国成立以来破坏最强，损伤最严重，波及范围最广，而且救援最困难的一次强烈地震[1]。

在1994年美国 Northridge地震和1995年日本 Kobe地震中，有大量钢框架结构的建筑物发生破坏，学者认为钢框架结构的抗震性能尚需进一步的研究，以及在强震作用下可能发生的破坏模式，期望可以建立更准确的针对复杂钢框架结构破坏模拟和破坏的预测方法。为此，学者对于钢结构整体框架结构、支撑结构、梁柱节点等在强震作用下的力学性能进行了进一步的研究，对既有建筑钢结构重新评估其抗震性能，根据所处的地区发生地震的可能性，提出相应的加固补强措施。

1国内外对梁柱节点的研究状况

为了防止钢结构梁柱节点发生脆性破坏，研究人员采用了在梁端附近引入“削弱区”的方法，这样能够将塑性变形控制在远离梁端的“削弱区”[2]。于是钢结构梁柱节点分为了削弱型和加强型。削弱型节点指的是对靠近梁端的截面进行削弱以达到外移塑性铰的目的，按照削弱部位的不同又分为翼缘削弱型和腹板削弱型。

其中Shervin[3]等人通过有限元与翼缘削弱型节点和腹板开槽型节点进行了对比分析，结果表明：三种削弱型节点都达到了最大应力远离梁端的目的。钢结构梁柱节点分为了削弱型和加强型。削弱型节点指的是对靠近梁端的截面进行削弱以达到外移塑性铰的目的，按照削弱部位的不同又分为翼缘削弱型和腹板削弱型。

加强型节点指的是对梁端截面进行加强以达到外移塑性铰的目的，主要是通过在梁端设置加强板、加劲肋、梁腋和扩大翼缘截面的方法来实现梁端截面的加强。

Erfani等人对一种梁端加强型节点进行了试验和有限元研究，该节点在梁端设置了加强肋，实现了塑性铰的转移；节点采用螺栓连接，实现了震后可快速修复的目的。

2梁柱节点形式分类

钢结构梁柱节点分为了削弱型和加强型。削弱型节点指的是对靠近梁端的截面进行削弱以达到外移塑性铰的目的，按照削弱部位的不同又分为翼缘削弱型和腹板削弱型。

根据梁柱节点的刚度和梁与柱的变形特性可将梁柱节点分为：（1）刚性节点，梁与柱之间的相对转动完全受到限制，节点能够传递并可以承受弯矩；（2）铰接节点，梁与柱之间的相对转动没有限制，节点不能够承受任何弯矩；（3）半刚性节点，梁与柱之间的相对转动部分受到限制，节点能够承受一定的弯矩。我国钢框架结构梁柱刚性连接节点，根据构造的不同可分为：（1）全焊节点，梁的上下翼缘及腹板均与柱焊接连接；（2）栓接节点，梁的上下翼缘及腹板与柱之间采用高强螺栓连接；（3）栓焊混合节点，梁的上下翼缘与柱之间采用全熔透坡口焊缝连接，腹板与柱之间采用高强螺栓连接。

3Northridge 和 Kobe 地震灾害调查研究

1994年美国Northridge地震核心区域的钢框架结构的梁柱节点多为栓-焊混合节点。震后对破坏节点产生的裂纹进行调查分析，节点破坏模型主要包括：（1）裂纹首先出现在下翼缘垫板处并沿着柱的翼缘开始发展，最终使柱翼缘断裂；（2）裂纹首先出现在下部焊接孔焊趾处，并沿着梁的下翼缘向两边开始发展，最终横向贯通梁的下翼缘；（3）裂纹沿着柱的翼缘逐步扩展，裂纹并向柱的腹板进行扩展。1995年日本 Kobe 地震发生之后，日本建筑学会对震后钢框架建筑物损坏情况的调查中表明，22%的建筑物倒塌或严重破坏，20%的建筑物中等破坏，58%的建筑物破坏轻微，经过简单修复仍可正常使用。

根据统计分析，钢框架结构的建筑物破坏类型主要有如下三类：钢结构的梁或柱出现脆性断裂，柱的脆性断裂多发生在柱端和连接处；框架结构中的支撑结构出现破坏；框架结构中的梁柱节点处出现破坏。地震中梁柱节点的破坏主要为焊缝断裂破坏，原因有：一，梁柱节点强度设计不足，不能满足地震作用下的极限承载力要求而发生破坏；二，焊缝处发生脆性断裂对节点造成不可恢复的破坏，由于焊接处材料性能复杂并伴随着应力集中现象，故焊缝处容易出现断裂、裂纹等破坏形态。

在对Kobe地震中破坏的节点进行调查分析中，节点的破坏模态主要有：（1）裂纹首先出现在焊接孔的焊趾处，然后沿着梁的翼缘发展，最终导致节点的破坏；（2）裂纹首先出现在焊缝垫板处，然后沿着梁柱的焊缝进行发展，最终导致节点的破坏。

4梁柱节点改进措施

两次地震后，美日两国学者的研究分析表明，节点在没有达到设计转动标准时即发生破坏的主要原因为：

（1）焊缝的垫板和引弧板造成了焊缝处形成了人工预裂缝；

（2）不能完全保证节点焊缝的焊接质量，焊缝可能存在一定的焊接缺陷。尤其是在下翼缘焊接过程中，由于梁腹板的影响造成了焊缝的不连续。受作业条件的限制，部分节点焊接时采用仰焊操作，对焊接质量造成不利的影响；

（3）焊缝金属的材料性能、焊接残余应力等其他因素对节点的破坏也有较大的影响。

钢结构梁柱节点分为了削弱型和加强型。削弱型节点指的是对靠近梁端的截面进行削弱以达到外移塑性铰的目的，按照削弱部位的不同又分为翼缘削弱型和腹板削弱型。美国和日本学者根据震后调查结果及实验分析研究，在新的设计规范中为提高节点的抗震性能，对节点设计进行了一定的改进，改进措施如下：

（1）将梁柱节点处的塑性铰沿梁外移以远离节点处。美国学者提出通过梁截面的消弱或将节点区域加强等方式外移塑性铰位置；

（2）改进焊条材料力学性能，以增强焊缝的冲击韧性；

（3）改进对垫板的处理措施，美国学者建议在焊接结束后应将焊接垫板去除，但为了消除根部裂纹应对根部补焊，缺点为工程成本较高。在实际施工过程中为消除人工裂缝可将垫板根部用角焊缝进行封闭；

（4）日本学者从细部构造考虑，改进焊接工艺孔的形状和尺寸，采用圆滑过度曲线，可有效缓解局部应力集中，增加节点抗震性。

5结论

在梁柱节点抗震性能研究中，节点的受力分析十分重要。

（1）对比于普通梁柱节点，削弱型节点有较好的滞回性能、能量耗散能力；在节点的承载力、弹性刚度方面稍微差些；表明削弱型节点可使塑性铰外移，缓解节点根部的塑性应变。

（2）加强型节点有较好的承载力、及弹性刚度，通过对节点根部的加强可有效提高节点承载力；由于节点的塑性应变较小，节点的滞回曲线相对单薄，滞回性能较差；说明节点根部的加强可很好的减小节点根部的塑性应变。

（3）焊接孔对于节点的力学性能有很大的影响，焊接孔长度的增大对于节点极限承载力有一定的削弱，但使节点具有了较好的滞回耗能能力，对节点延性有较大的改善作用，并且节点的累积损伤较小；焊接缺陷对节点力学性能的削弱有很大的影响，焊接缺陷不仅削弱节点的有效承载截面，对结构的累积损伤也会造成较大的影响。

参考文献

[1] 许志琴,李海滨.“5·12”汶川地震专辑[J].地质学报,2008,82(12):1.

[2] 徐强.既有与改进节点形式的钢框架结构抗震性能评估[D].西安：西安建筑科技大学, 2014.

[3] 周炳章.日本阪神地震的震害及教训[J].工程抗震, 1996, 19(1): 39-45.