加強鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點抗震性能方法的評述

高東東 楊凱 周國棟

摘要：提高梁柱焊接節(jié)點的抗震性能是鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要內(nèi)容之一。為防止梁柱焊接節(jié)點在地震中出現(xiàn)來自焊縫的脆性破壞,設(shè)計上應注意降低節(jié)點焊縫處的應力集中,改善焊縫的受力狀態(tài),設(shè)法利用鋼材的塑性儲備來耗散地震能量,并根據(jù)抗震設(shè)防要求和地震作用特點選用韌性達標的焊接材料。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點抗震性能

中圖分類號： TU319文獻標識碼： A

一、引言

為防止梁柱焊接節(jié)點在地震中出現(xiàn)來自焊縫的脆性破壞,設(shè)計上應注意降低節(jié)點焊縫處的應力集中,改善焊縫的受力狀態(tài),設(shè)法利用鋼材的塑性儲備來耗散地震能量,并根據(jù)抗震設(shè)防要求和地震作用特點選用韌性達標的焊接材料。

依據(jù)“小震不壞,大震不倒”的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防要求,在梁柱焊接節(jié)點的設(shè)計上應體現(xiàn)“強柱弱梁”的設(shè)計原則,即讓結(jié)構(gòu)中的塑性鉸出現(xiàn)在梁上。 “強柱弱梁”的設(shè)計原則讓梁屈服在先,目的即在于利用梁的塑性變形來耗散地震能量,以保證柱和結(jié)構(gòu)的安全。為了避免塑性鉸出現(xiàn)在韌度較差的焊接接頭處，最好將梁的塑性鉸位置從焊接節(jié)點區(qū)域移開，以此讓結(jié)構(gòu)發(fā)生延性破壞，避免脆性破壞。塑性鉸外移的方法有兩種：一是在離開梁根部一定距離處將梁截面局部削弱，即“削弱型”，例如：“狗骨頭”型節(jié)點【1-2】、腹板開洞型節(jié)點【3】、開長槽型節(jié)點以及焊接孔擴大型節(jié)點；另一種是將節(jié)點部位局部加強，即“加強型”，例如：翼緣加厚型節(jié)點、翼緣加寬型節(jié)點、耳板加強型節(jié)點、加勁肋加強型節(jié)點以及腋梁加強型節(jié)點。

二、“削弱型”節(jié)點

狗骨式削弱型梁柱節(jié)點是最常見的一種，它是通過對梁翼緣截面局部尺寸進行合理的削弱，將塑性鉸從容易產(chǎn)生集中應力而發(fā)生脆性破壞的焊縫處轉(zhuǎn)移到鋼梁上，并最終在狗骨式翼緣削弱截面形成塑性鉸，從而避免梁柱節(jié)點發(fā)生脆性破壞，使材料充分耗能，達到節(jié)點優(yōu)化、提高結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。

研究表明：

1)狗骨式翼緣削弱型梁柱節(jié)點比普通形式節(jié)點的變形能力更強，由于狗骨式梁柱節(jié)點獨特的弧形削弱結(jié)構(gòu)，使其在受到往復荷載作用下，梁柱狗骨式節(jié)點表現(xiàn)出更好的滯回性。狗骨式節(jié)點能有效的使梁端塑性鉸外移，增強了鋼框架結(jié)構(gòu)的延性。

2）焊接過程產(chǎn)生的殘余應力降低了結(jié)構(gòu)承載力。對于雙腹板頂?shù)捉卿摗⒙菟ā⒑缚p混合連接的狗骨式梁柱節(jié)點而言，焊縫對提高結(jié)構(gòu)剛度起到很大的作用，其結(jié)構(gòu)的承載力比無焊縫連接情況的要高；混合連接狗骨式連接節(jié)點的受力性能要比單一連接構(gòu)件優(yōu)越。

3）另外，為了充分發(fā)揮狗骨式梁柱節(jié)點在疲勞荷載作用下的力學性能，應確保梁柱連接處焊縫的質(zhì)量和焊接強度。

另一種常見的“削弱型”節(jié)點——“腹板開孔”型節(jié)點，通過在梁腹板開洞, 使節(jié)點區(qū)以外的梁截面先于節(jié)點形成塑性鉸，可以將塑性鉸從節(jié)點部位移動到梁上。

研究表明：腹板未開孔時, 梁在節(jié)點部位有明顯的應力集中現(xiàn)象, 該部位應力最大, 由于節(jié)點是焊縫位置, 在動力作用下容易發(fā)生脆性斷裂。腹板開孔后, 在孔附近由于應力集中的原因,塑性鉸位置從節(jié)點轉(zhuǎn)移到了孔附近的梁上, 這樣就可以避免節(jié)點處的脆性斷裂。腹板開孔后的梁的滯回曲線明顯比腹板未開孔的梁的滯回曲線更加飽滿, 所以吸收能量的能力更強, 從而更適合節(jié)點結(jié)構(gòu)的抗震。

三、“加強型”節(jié)點

常用的“加強型“”節(jié)點——梁端翼緣擴翼型節(jié)點按細部構(gòu)造可以分為梁端翼緣側(cè)板加強型節(jié)點和梁端翼緣直接擴翼型節(jié)點，其工作原理是通過加大梁翼緣端部截面，增大梁柱連接處的抗彎能力，使梁柱端部焊縫和焊縫區(qū)域斷面應力小于非焊接區(qū)，促使塑性鉸的位置離開柱面梁端一定距離，達到塑性鉸外移設(shè)計目標。

通過對此類節(jié)點的研究得出的結(jié)論：

１）梁端翼緣擴大型節(jié)點在加載過程中均出現(xiàn)了明顯的塑性變形，均能有效地將塑性鉸轉(zhuǎn)移到梁翼緣擴大端截面以外的位置，避免了在梁端翼緣焊縫附近發(fā)生脆性破壞。

2）節(jié)點構(gòu)造形式對抗震性能影響顯著，與梁端翼緣側(cè)板加強型節(jié)點相比較，梁端翼緣直接擴翼型節(jié)點的塑性變形和耗能能力更強，建議在實際工程中采用梁端翼緣直接擴翼型節(jié)點，可以有效保證梁柱節(jié)點連接的塑性變形和耗能能力。