梁柱節點位置的損耗機理研究

姜湘林

摘要：近年來，框架結構體系越來越復雜并愈加多樣化。梁柱節點是鋼框架結構中的重要組成構件，是在框架結構中將梁與柱相連的構件。梁柱節點處的鋼筋和水混凝土施工有一定的難度， 既要確保該處施工質量， 又要提高效率。因此，我們必須將精細化的梁柱節點模型帶入合理的整體框架模型，實現高效的計算。本文選取了適用于鋼框架結構節點的損傷指數模型作為評價指標，分析不同位置的焊接殘渣和裂紋在循環荷載作用下對節點損傷的影響。介紹了梁柱節點位置的耗能機理，運用耗能系數對位置耗能能力進行計算作為對梁柱節點損耗的評價指標，為工程應用提供參考依據。

關鍵詞：梁柱節點;位置;損耗;機理;鋼結構

隨著人口密度逐漸增大，興建的大跨度及超高層建筑越來越多。鋼框架結構被認為是性能比較優越的建筑結構形式，而梁柱節點是鋼框架結構中的重要組成構件[1]。在結構設計中，梁柱節點的力學特性直接影響著框架結構的設計，也對制造安裝及建設制造成本有著重要影響。 ?梁柱節點的力學性能極大的影響著框架結構整體的力學性。為此，對于梁柱節點的力學性能進行了進一步的研究。對梁柱節點的設計應做到 “強節點，弱構件”[2]。目前，普遍采用的方法主要有物理模型試驗研究、有限元模擬、理論分析這三種方法。近年來隨著計算機科學的發展，有限元數值模擬得到了很大程度的發展，可以得到比較精確的結果。本文主要研究梁柱節點耗能的意義，并運用耗能系數對節點結構耗能進行評價。

一、討論

（一）梁柱節點的形式

梁柱是梁上起柱，為受力柱。根據梁柱節點的剛度和梁與柱的變形特性可將梁柱節點分為：1、剛性節點;2、鉸接節點;3、半剛性節點。

隨著建筑材料的發展及施工工藝的提高，梁柱節點由初期的鉚釘連接發展為由普通螺栓連接代替鉚釘連接，目前梁柱節點的連接多采用高強螺栓或焊接節點，多為剛性節點[3]。根據構造的不同可分為：1、全焊節點，梁的上下翼緣及腹板均與柱焊接連接;2、栓接節點，梁的上下翼緣及腹板與柱之間采用高強螺栓連接;3、栓焊混合節點，梁的上下翼緣與柱之間采用全熔透坡口焊縫連接，腹板與柱之間采用高強螺栓連接。

（二）改進措施

對梁柱節點細部構造與破壞模態之間的關系進行了一定了研究。 根據研究分析破壞的梁柱節點，得出了節點發生破壞的主要原因為：

1、焊縫的墊板和引弧板造成了人工預裂縫;

2、不能完全保證節點焊縫的焊接質量，焊縫存在一定的焊接缺陷。梁腹板的影響造成了焊縫的不連續。

3、焊縫金屬的材料性能、焊接殘余應力等其他因素對節點的破壞也有較大的影響。

因此我們對梁柱節點設計進行了如下改進：

1、將梁柱節點處的塑性鉸沿梁外移以遠離節點處。

2、改進焊條材料力學性能，增強焊縫的沖擊韌性。

3、將焊接墊板去除，為消除人工裂縫可將墊板根部用角焊縫進行封閉。

4、改進焊接工藝孔的形狀和尺寸，采用圓滑過度曲線。

（三）梁柱節點的現存缺陷

1、不同節點的累積損傷的差異性

2、荷載輸入歷程對節點影響

3、焊接缺陷對梁柱節點力學性能的影響

（四）梁柱節點位置的耗能機理

根據能量守恒原理，建筑將通過自身運動及變形而進行能量的耗散。自身運動是結構產生振動的過程。自身變形根據變形是否可恢復的指標分為：可恢復的彈性應變，在這一過程耗散的能量稱為彈性應變能;不可恢復的塑性應變，這一過程中耗散的能量為滯回損耗。

結構的彈性應變對結構的損傷是可恢復的，而塑性應變由于是不可恢復的。梁柱節點結構的耗能能力主要受到結構自身的動力特性的影響，因此需重點考慮不同構造形式及不同焊接孔形式的梁柱節點在循環荷載作用下滯回耗能的不同。

（五）梁柱節點位置的損耗系數

三、結語：

通過分析，我們發現結構的破壞多是發生在梁柱節點位置，這是由于梁柱節點處應力狀況復雜，并且焊接節點的力學性能受施工質量的影響較大，因此梁柱節點是整個結構里比較容易受到破壞的部位。初期結構退化不明顯，隨著裂紋的發展而逐漸出現退化現象。目前對于梁柱節點研究單靠物理實驗成本較高，且難以建立完整的體系。梁柱焊接節點焊接缺陷位置和尺寸的不同對節點損傷的影響不同，為提高梁柱節點延性、增加節點抗震性，引入學者運用耗能系數對結構耗能能力的評價方法，介紹了梁柱節點耗能的物理意義。總結并討論了國內外學者提出的基于不同自變量的損傷模型，討論并總結了學者對節點損傷的描述的異同。從節點的結構形式上，本文提出了不同的改進型梁柱節點。運用有限元軟件建立梁柱節點非線性有限元模型，探討分析在荷載作用下不同形式的改進節點與標準節點之間力學性能的差異，為工程中梁柱節點形式提供參考依據，但本文還有很多不足之處，尚需進一步的深入的研究。

參考文獻：

[1]徐紅杰，多高層鋼結構梁柱節點震害及抗震延性策略研究[D]，云南，昆明理工大學.

[2]陳宏， ?李兆凡， ?石永久， ?王元清. ?鋼框架梁柱節點恢復力模型的研究[J]. 工業建筑，2002， 32（6）： 64-65.

[3]黎永，舒興平.焊接孔長度對鋼框架梁-柱剛性節點性能的影響[J].湖南大學學報（自然科學），2003，30（1）：92-96.