鋼框架梁柱新型節(jié)點(diǎn)的研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀★

馬洪偉　陳亞科　戴　順

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州　225127)

?

·結(jié)構(gòu)·抗震·

鋼框架梁柱新型節(jié)點(diǎn)的研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀★

馬洪偉陳亞科戴順

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州225127)

以美國(guó)北嶺與日本阪神地震案例為背景，闡述了兩次地震導(dǎo)致梁柱節(jié)點(diǎn)破壞的原因，基于塑性鉸外移的思想，對(duì)加強(qiáng)型和削弱型兩種新型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了探究，最后結(jié)合我國(guó)規(guī)范，論述了鋼框架梁柱新型節(jié)點(diǎn)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀。

鋼框架，節(jié)點(diǎn)，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(jié)構(gòu)WSMF(Welded Steel Moment Resistant Frames)是最流行的結(jié)構(gòu)形式之一[1]。人們認(rèn)為這一傳統(tǒng)的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)能夠基于鋼材的延性，在強(qiáng)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(guó)北嶺(Northridge)的里氏6.6級(jí)地震、日本阪神(Kobe)的里氏7.3級(jí)地震中，鋼框架結(jié)構(gòu)建筑在梁柱節(jié)點(diǎn)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(dǎo)致節(jié)點(diǎn)全面斷裂，如圖1所示。

1　節(jié)點(diǎn)破壞原因分析

美國(guó)北嶺地震中有100多幢[2]鋼框架結(jié)構(gòu)建筑遭到破壞，為了弄清楚破壞的原因，美國(guó)聯(lián)邦突發(fā)事件管理局FEMA(the U.S.Federal Emergency Management Agency)等研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和試驗(yàn)研究，進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、數(shù)值模擬等，得到該類型節(jié)點(diǎn)在地震作用下破壞的幾個(gè)主要原因。

1.1節(jié)點(diǎn)處具有較為集中的應(yīng)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(diǎn)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(huì)產(chǎn)生局部過大的應(yīng)力，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆斷[3]。

1.2計(jì)算假定與模型分析不合理

計(jì)算中假定彎矩M和剪力V分別由梁翼緣及梁腹板承擔(dān)。但通過實(shí)際的受力分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，梁柱翼緣處會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲和變形，致使梁翼緣同時(shí)要承受彎矩和剪力。同時(shí)在常規(guī)模型試驗(yàn)中，試件通常采用縮尺模型，這樣往往導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不能全面反映出結(jié)構(gòu)的真實(shí)性[4]。

1.3焊條抗沖擊性能低

在20世紀(jì)60年代中期，鋼結(jié)構(gòu)建筑焊接連接時(shí)多采用自屏蔽藥芯焊條，該焊條的最小抗拉強(qiáng)度為480 MPa，且對(duì)抗沖擊韌性無(wú)明確要求。從實(shí)際破壞的結(jié)構(gòu)中取出的連接試件在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)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(diǎn)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(chǎng)施工焊接質(zhì)量、節(jié)點(diǎn)的形式、高應(yīng)變率以及柱節(jié)點(diǎn)域過大的剪切屈服和變形等這些潛在的影響也容易導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞。

2　基于塑性鉸外移的新型延性節(jié)點(diǎn)

在調(diào)查和分析Northridge地震和Kobe地震導(dǎo)致大量鋼框架建筑破壞原因的基礎(chǔ)上，世界各國(guó)學(xué)者總結(jié)出多種改良節(jié)點(diǎn)的途徑，主要集中在以下幾個(gè)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(gòu)造改進(jìn)；

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(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)和理論分析探究，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為將梁端部塑性鉸外移可較為有效地解決節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞的問題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于將塑性鉸外移的思想，近年來(lái)研究成果主要集中于加強(qiáng)型和削弱型兩種新型節(jié)點(diǎn)。

2.1加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)

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

加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)主要包括梁端翼緣擴(kuò)翼式、翼緣側(cè)板加強(qiáng)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(qiáng)形式，如圖4所示。該類型節(jié)點(diǎn)在地震時(shí)，可以有效地實(shí)現(xiàn)塑性鉸外移，較大的提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和延性性能。

Richard J等[6]對(duì)梁端擴(kuò)翼式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了6個(gè)足尺試件的低周往復(fù)加載試驗(yàn)，并進(jìn)行有限元分析，其結(jié)果表明，該類型節(jié)點(diǎn)可以提高梁柱節(jié)點(diǎn)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(gòu)造接合部設(shè)計(jì)指針》，結(jié)合我國(guó)規(guī)范提出梁端翼緣側(cè)板加強(qiáng)式梁柱連接的設(shè)計(jì)步驟以及“實(shí)用算法”，并對(duì)4個(gè)1/2縮尺T型模型試件進(jìn)行偽靜力試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，這種連接形式的節(jié)點(diǎn)，其強(qiáng)度和剛度較好，但變形能力稍差，只能剛好達(dá)到國(guó)外抗震規(guī)范對(duì)特殊抗彎鋼框架塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力的要求。

2.2削弱型節(jié)點(diǎn)

削弱型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原理是對(duì)距離節(jié)點(diǎn)一定距離的梁翼緣或者梁腹板進(jìn)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(shí)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(shè)計(jì)原理如圖5所示，削弱型節(jié)點(diǎn)塑性鉸區(qū)域如圖6所示。

削弱型節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在梁翼緣或者梁腹板被削弱后，雖然節(jié)點(diǎn)的承載能力會(huì)有所下降，但是其塑性轉(zhuǎn)動(dòng)和耗能能力得到了更好的發(fā)展。

Sheng-Jin Chen等[8]對(duì)五個(gè)梁翼緣削弱尺寸不同的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)的極限強(qiáng)度與普通節(jié)點(diǎn)相近，剛度有一定的降低，但塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力大大提高，可有效緩解節(jié)點(diǎn)焊縫處的斷裂與應(yīng)力集中問題。該類型節(jié)點(diǎn)又稱為RBS(Reduced Beam Section)節(jié)點(diǎn)，是近年來(lái)各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

楊慶山[9]對(duì)12個(gè)足尺梁腹板開圓孔的鋼框架抗震節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示，腹板開孔型梁柱連接節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。

3　新型延性節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[10]中推薦了常用的四種節(jié)點(diǎn)類型，即梁端擴(kuò)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(guó)FEMA-350只給出骨形連接的翼緣構(gòu)造尺寸和蓋板式連接的楔形蓋板板寬，其他類型

節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造尺寸尚未提及。

在GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)之上，2015年頒布的新版JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[11]中，新增了梁翼緣局部加寬式連接節(jié)點(diǎn)(同圖4b))，且給出了其他四種類型節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)構(gòu)造尺寸。

骨形連接形式(RBS)在美國(guó)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(kuò)大形連接節(jié)點(diǎn)。在我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑，尤其是鋼框架住宅建筑甚少，目前仍以混凝土結(jié)構(gòu)為主，故限制了這類新型梁柱節(jié)點(diǎn)在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展。

4　結(jié)論與展望

鋼框架梁柱新型節(jié)點(diǎn)在我國(guó)并未得到大力推廣，其原因在于這種新型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(diǎn)形式和相對(duì)應(yīng)的構(gòu)造尺寸。雖然目前許多研究單位和高校對(duì)于該領(lǐng)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(shè)計(jì)理論，并指導(dǎo)實(shí)際施工。我們可以借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)，通過大量的試驗(yàn)研究和理論分析，完善設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出具有足夠可靠度的不同新型節(jié)點(diǎn)，這對(duì)提高我國(guó)鋼框架結(jié)構(gòu)建筑的抗震設(shè)計(jì)具有十分重要的實(shí)際意義。

[1]劉洪波，謝禮立，邵永松.鋼框架結(jié)構(gòu)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(xué)報(bào)，2002，23(5)：15-18.

[3]張艷霞.鋼框架梁柱抗震節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究和有限元分析實(shí)例[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

[4]張文元，朱福軍.梁端翼緣擴(kuò)大型鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能分析[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2007,9(6)：33-38.

[5]王燕.鋼結(jié)構(gòu)新型延性節(jié)點(diǎn)的抗震性能設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)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(jié)構(gòu)側(cè)板加強(qiáng)式剛性梁柱連接試驗(yàn)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)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(diǎn)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，15(2)：45-50.

[10]GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[11]JGJ 99—2015，高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)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(shè)部基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2014-K2-045)

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

TU323.5

A