對鋼框架結構節(jié)點抗震設計思想的分析

代 江

(新疆哈密礦務局勘察設計院，新疆哈密 839003)

0 引言

鋼結構具有強度高、延性好、重量輕等特點，因此抗震性能較好。但如果在加工和連接工藝方面有些問題，加之外部環(huán)境的影響，就可能出現(xiàn)地震作用下的局部破壞，甚至整體倒塌[1]。因此，鋼結構的抗震問題也是需要認真研究的。本文針對最常見的鋼框架結構，考慮到節(jié)點的重要性，將對節(jié)點的抗震設計思想進行深入分析，有助于加深對節(jié)點抗震設計思路和具體方法的理解，最后給出了實例說明。

1 鋼框架結構的節(jié)點

和混凝土框架結構相同，鋼框架結構一般采用剛性節(jié)點，由焊接或高強度螺栓連接。常用的連接構造如圖1所示。

2 節(jié)點的震害

由于節(jié)點傳力集中、構造復雜，施工難度大，容易造成應力集中、強度不均衡現(xiàn)象，再加上可能出現(xiàn)的焊縫缺陷、構造缺陷，所以節(jié)點破壞是地震中發(fā)生最多的一種破壞[2]。

梁柱節(jié)點域的破壞形式主要有:加勁板的屈曲和開裂、加勁板焊縫出現(xiàn)裂縫、腹板的屈曲和裂縫等。采用焊接形式的梁柱剛性節(jié)點出現(xiàn)連接裂縫或斷裂破壞的原因主要有[3]:

1)焊縫缺陷;

2)三軸應力影響:梁柱連接的焊縫變形由于受到梁和柱約束，施焊后焊縫殘存三軸拉應力，使材料變脆;

3)構造缺陷:梁翼緣與柱連接處的墊板一般在焊接后就留在結構上，與柱翼緣之間容易成為裂縫發(fā)展的起源。

3 剛性節(jié)點的抗震設計內(nèi)容

剛性節(jié)點的抗震設計內(nèi)容具體包括以下幾點。

3.1 承載力驗算

由于節(jié)點的破壞將帶來相連的若干個構件的破壞，所以在抗震設計中，要求節(jié)點連接的承載力應高于構件的屈服承載力，所謂“強節(jié)點、弱構件”[4]。具體體現(xiàn)在以下兩個公式的要求:

其中，1.2為實際屈服強度可能高于規(guī)定值的修正系數(shù);1.3為在1.2基礎上，再考慮跨中荷載影響;Mp為被連接構件(梁或柱)全塑性彎矩;l為梁的凈跨度;Mu，Vu分別為連接的抗彎、抗剪最大承載力。

Mu，Mp按鋼材抗拉強度和屈服強度下限計算:

其中，Wp'為連接的塑性抵抗矩;Wp為被連接構件的塑性抵抗矩(這兩個相當于對形心軸的面積矩);fu為連接的抗拉強度下限;fy為鋼材的屈服強度。

抵抗矩Wp按材料力學的方法計算，例如對矩形截面:

其中，Mu，Vu的計算方法如下:

1)當工字形梁翼緣用對接焊縫、腹板用角焊縫連接時:

其中，Af為梁一個翼緣的截面積;he為角焊縫的有效厚度;lw為角焊縫的有效長度;fu為焊縫抗拉強度下限。

2)當梁翼緣用對接焊縫、腹板用高強螺栓連接時:

當節(jié)點處的被連接構件尚有軸力作用時，要用Mpc代替Mp，計算如下:

1)繞強軸的工字形截面和箱形截面:

2)繞弱軸的工字形截面:

其中，Mpc為被連接構件的全塑性彎矩;Ny=Anfy;An為構件凈截面面積;Awn為構件腹板凈截面面積。

3.2 強柱弱梁條件

由于柱子的破壞效應比梁的破壞效應嚴重，有可能導致結構整體倒塌，所以對柱子的安全性要求要高于梁。塑性鉸最好是先出現(xiàn)在梁端而不是柱端，這樣可以通過梁的變形來耗能。為了達到這個目標，要求節(jié)點處的各柱端能承受的彎矩總和要大于各梁端能承受的彎矩總和，這一“大于”的程度通過一個大于1的系數(shù)來體現(xiàn)。具體表達式如下:

其中，Wpc，Wpb分別為節(jié)點處柱和梁的截面塑性模量;N為柱軸向壓力設計值;Ac為柱截面面積;η為超強系數(shù):6層以上鋼框架，6 度Ⅳ類場地和7 度時可取1.0，8 度時取1.05，9 度時取1.15。

以上是對整個節(jié)點區(qū)域的要求。這個區(qū)域是由兩部分組成的:節(jié)點域和構件。對這兩部分也分別有要求，下面進行介紹。

3.3 節(jié)點域的要求

包括兩部分:

1)承載力驗算:

其中，Mpb1，Mpb2均為節(jié)點兩側(cè)梁的全塑性受彎承載力;ψ為折減系數(shù)，6度Ⅳ類場地和7度時可取0.6，8度和9度時取0.7。

2)節(jié)點域還應滿足不失去局部穩(wěn)定的板厚要求。

3.4 構件的驗算要求——主要考察塑性區(qū)的局部穩(wěn)定

我們期望的是塑性鉸只出現(xiàn)在梁端，但在實際中，由于梁和樓板的協(xié)同工作效應等原因，往往使梁得到了很大加強，使得塑性鉸有可能出現(xiàn)在柱端。為了保證塑性鉸能正常發(fā)揮作用，還應在梁柱可能出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)段，限制板件寬厚比，以防止局部屈曲，保證耗能作用的發(fā)揮。

受壓板件寬厚比可分為三個等級:

1)全截面進入塑性，出現(xiàn)塑性鉸，要求轉(zhuǎn)動能力(相當于8度，9度抗震設防要求);

2)截面進入塑性，但不要求轉(zhuǎn)動能力(相當于7度抗震設防要求);

3)邊緣纖維屈服，傳統(tǒng)的彈性設計(相當于6度或非抗震設防要求)。

各種構件的寬厚比要求，詳見GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范。

4 設計實例

某大廈鋼框架結構的節(jié)點設計。柱截面:□700×700×50，fy=295 MPa;梁截面:H500×220×12×25，fy=325 MPa;梁柱:fu=490 MPa。梁翼緣完全焊透的坡口對焊，E50，二級=295 MPa，fu=490 MPa;梁腹板用10.9級高強螺栓摩擦型連接，噴砂μ=0.4，M22，預緊力 P=190 kN。彈性內(nèi)力 M=655 kN·m，V=298 kN。抗震設防烈度為7度。節(jié)點采用H型梁與箱形柱栓焊混合剛性連接。

1)梁翼緣完全焊透的對接焊縫強度:

2)梁腹板與柱之間的高強螺栓連接計算:

其中，0.9為考慮焊接熱影響對高強螺栓預拉力損失的影響系數(shù)。

腹板連接板厚度:

3)節(jié)點抗震極限承載力驗算:

極限彎曲承載力滿足要求。腹板凈截面面積的極限抗剪承載力:

腹板連接板凈截面面積的極限抗剪承載力:

腹板連接高強螺栓的極限抗剪承載力:

Vu=min{Vu1，Vu2，Vu3，Vu4}=913.8 kN ＞1.3(2Mp/ln)=1.3 ×(2 ×1 014/8.3)=317.6 kN，913.8 kN ＞0.58hwtwfy=848 kN，極限抗剪承載力滿足要求。

4)節(jié)點域彈性階段驗算:(4/3)fv/γRE=(4/3) ×165/0.85=258.8 N/mm2，滿足要求。

節(jié)點域局部穩(wěn)定驗算:

tw=50 ＞(hb+hc)/90=(450+600)/90=11.7，滿足要求。

節(jié)點域屈服承載力驗算:

φ(Mpb1+Mpb2)/Vp=0.6 × (1 014+1 014) ×106/(2.43 ×107)=50.5 N/mm2＜(4/3)fv=200 N/mm2，滿足要求。

5 結語

可見，鋼框架節(jié)點的抗震設計思想可歸納為四點:

1)在整體層面上，要求“強節(jié)點、弱構件”“強柱弱梁”，并落實在具體的設計公式上;

2)分節(jié)點域、構件兩部分分別進行設計和驗算;

3)考慮鋼材的塑性工作性能，對應的是地震下耗能作用的發(fā)揮;

4)和其他鋼構件一樣，關注板件受壓下的局部穩(wěn)定問題。通過這四點可以更清楚地理解鋼框架節(jié)點的抗震設計思想，對相關的科研也有一定的促進作用。

[1] 聶正春，李明全.鋼結構節(jié)點抗震措施簡述[J].四川建筑，2010(4):183-185.

[2] 張曉霞.鋼結構框架梁柱節(jié)點連接設計方法探討[J].山西建筑，2011，37(5):43-44.

[3] 饒中峰.淺談鋼結構梁柱節(jié)點連接設計方法[J].四川建材，2010(5):31-32.

[4] 吳兆旗，何田田，姜紹飛，等.鋼結構梁柱連接節(jié)點抗震性能研究進展[J].福州大學學報(自然科學版)，2011，39(5):658-665.