淺析鋼節(jié)點構(gòu)造對受力性能的影響

江卓林

（湖北騰飛人才股份有限公司廣州分公司，廣東廣州 510000）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)因為他輕質(zhì)高強的特質(zhì)在一些大跨度，超高層的結(jié)構(gòu)中運用廣泛，而在地震區(qū)去，需要房建結(jié)構(gòu)擁有良好的延性從而滿足要求。

學(xué)者們通過對于之前的處于震害的房屋進行研究，發(fā)現(xiàn)倒塌的房屋在梁柱節(jié)點部分并未出現(xiàn)連接破壞，更多的是發(fā)生在焊縫處發(fā)生的脆性破壞。針對這一特點，對于鋼框架節(jié)點的研究便形成了如何將脆性破壞轉(zhuǎn)換成延性破壞。其長期研究形成以下兩個方面：一方面是通過對節(jié)點的局部構(gòu)造進行設(shè)計加工，這是從研究材料微觀機理的層面開展，其主要研究方向是對斷裂力學(xué)的裂紋進行研究。另一方面是利用控制塑性鉸位置來改善鋼框架結(jié)構(gòu)延性的做法，通常的做法有加強型節(jié)點和削弱型節(jié)點。而在設(shè)計構(gòu)造中主要也是考慮塑性鉸外移的特點，本文也是探討這一領(lǐng)域的問題。

1 節(jié)點設(shè)計

1.1 “削弱型”構(gòu)造形式

顧名思義，這種節(jié)點的構(gòu)造形式就是對梁端節(jié)點附近的梁端進行局部削弱，常見的形式主要是“狗骨式”和”開孔式”。狗骨式節(jié)點一般是對節(jié)點處梁端翼緣進行局部削弱，開孔式節(jié)點則是在梁腹板處進行開孔處理，開孔處理的方式還可以方便管線穿越，增強了其使用性能。

1.2 “加強型”構(gòu)造形式

加強型節(jié)點的構(gòu)造措施，主要是對于翼緣進行局部補強，比如加蓋板，闊寬翼緣，加肋板等措施，其主要目的是加強局部節(jié)點的承載力，迫使塑性鉸外移。

1.3 構(gòu)造原理

以上的兩個主要節(jié)點的設(shè)計原理均是以塑性鉸外移，從而保護節(jié)點連接處的受力性能。不同的時，“加強型”節(jié)點是以加大節(jié)點附近的承載力來迫使塑性鉸產(chǎn)生外移，而“削弱型”節(jié)點是通過在距離梁柱節(jié)點處一定距離的位置對于梁腹板或梁翼緣進行削弱從而能使得局部承載力降低，達到塑性鉸外移的效果。

這兩種節(jié)點其本質(zhì)是都是通過節(jié)點區(qū)域的構(gòu)造措施，使得塑性鉸外移，不過兩者節(jié)點各有利弊，加強型節(jié)點的延性會因為蓋板的加強，受到減小，削弱型節(jié)點的承載力會隨著節(jié)點的削弱程度增加而下降。

2 研究進展

針對以上問題，學(xué)者們將兩種節(jié)點結(jié)合起來，形成“加強削弱并用型”節(jié)點，通過調(diào)節(jié)節(jié)點局部構(gòu)造的參數(shù)，使得節(jié)點在滿足承載力要求的情況下，同時保持一定的延性。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的沈世釗教授、王秀麗教授對于開孔式節(jié)點做了一系列的力學(xué)性能測試，并且輔以ANSYS有限元軟件進行驗證。通過對梁腹板的節(jié)點開孔的尺寸，開孔距離的大小的參數(shù)控制，得出了一個增強節(jié)點延性同時又保持節(jié)點承載力的的合理取值范圍。通過圖1可以看出，由于腹板開洞，翼緣中間位置形成了應(yīng)力集中。而從圖2的應(yīng)力值分布情況來看，由于對腹板的局部削弱，也造成了應(yīng)力集中的區(qū)域遠離節(jié)點域。

圖1 應(yīng)力集中

圖2 應(yīng)力值分布

西安建筑科技大學(xué)的刁莉莉選擇在翼緣部分采用開孔削弱的構(gòu)造形式。當(dāng)對這種構(gòu)造形式的節(jié)點做了一系列有限元分析。當(dāng)開孔的位置和尺寸選取合適時，節(jié)點的延性可以大大增加，并且承載力僅下降6%左右。并且對于削弱部分的地方進行局部補強，可以再保持原有延性的基礎(chǔ)上提高承載力。如圖3所示，在開孔處進行加焊強板，以及將圓孔改成部分橢圓型孔洞，因為橢圓形孔洞的應(yīng)力集中小于圓形。從而也能降低局部應(yīng)力集中。經(jīng)過單次加載實驗可以看出，其補強措施可以提高承載力。

圖3 構(gòu)造形式

3 改進節(jié)點還需改進的問題

3.1 尚未出現(xiàn)精確化的取值范圍

（1）有限元建模過程中主要是體現(xiàn)出構(gòu)造對于受力性能的影響，并沒有真實的連接情況進行模擬，根據(jù)實際建模，從而讓模型的連接性能，受力性能等等更加接近實際，從而使得有限元模擬的試驗結(jié)果更加真實。

（2）本文只是控制了一個變量進行的對比分析，如果將變量擴大到兩個或者兩個以上，此時，參數(shù)的多方面影響依然值得繼續(xù)探究。

3.2 缺乏實際工程依據(jù)

將來有條件可以針對具體的實際工程，建立幾個實際的足尺模型，通過具體的現(xiàn)場試驗對這種節(jié)點進行力學(xué)性能測試，再通過有限元軟件的對比，使得結(jié)論更加貼合實際，更加具備應(yīng)用意義。

3.3 節(jié)點形式構(gòu)造可以更加豐富

加強的形式較多，本文只針對了在翼緣進行蓋板加強的形式進行研究。可以分析擴翼緣加強，加肋板加強等多種形式的加強條件下，腹板開孔的情況。豐富加強與削弱并用節(jié)點的研究內(nèi)容。

4 結(jié)語

通過之前的學(xué)者對于節(jié)點的一系列研究，可以發(fā)現(xiàn)對于節(jié)點進行局部的削弱和加強可以讓塑性鉸外移，從而達到延性增強的目的，對于節(jié)點構(gòu)造的改進，不僅增加了節(jié)點的穿管等使用功能，同時可以使得施工是焊縫減少，提高施工質(zhì)量的目的，是一種值得推薦的新型節(jié)點。