鋼框架延性節點力學性能研究進展

雷天奇，毛寬宏，李強強

（1. 陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南 714099；2. 陜西省黃土力學與工程重點實驗室，陜西西安 710048）

0 引言

鋼材具有輕質高強、塑性好、韌性好、抗震性能優良等諸多優點[1-2]，因而被廣泛應用于高層、超高層建筑。梁柱節點作為鋼結構體系中關鍵部位，是結構設計人員關注的重點[3]。在傳統的鋼結構設計中一直遵循“強柱弱梁，強節點弱桿件”設計思想，但1994 年美國北嶺地震和1995 年日本阪神地震中梁端卻沒有按照設計預想出現塑性鉸，而是產生了大量脆性破壞，導致大量鋼框架出現斷裂和倒塌。這些教訓讓各國設計人員重新審視傳統節點的抗震性能[4]，梁柱節點的抗震性能研究再次成為熱點。本文整理國內外學者對鋼框架延性節點力學性能的研究現狀；同時總結出當前延性節點研究存在的不足之處，為后續研究設計人員提供試驗參考依據。

1 延性耗能節點研究背景

在二十世紀八九十年代，鋼框架梁柱節點通常采用焊接連接，在強震中可以消耗掉地震波能量，從而保持結構穩定。在鋼結構設計中一直遵循“強柱弱梁、強節點弱構件”的設計思路[5]。但在北嶺和阪神兩次地震使傳統梁柱節點發生了大量的脆性開裂，造成結構發生倒塌，造成不可估量的經濟損失。國內外學者通過對這兩地地震中梁柱節點的破壞形態進行理論分析和試驗研究，結果表明破壞的原因為梁柱接頭在梁端、柱翼緣、梁柱腹板交會區等區域因焊接熱影響、焊接瑕疵等因素造成梁翼緣與柱翼緣交界處焊縫撕裂、柱翼緣出現層狀撕裂以及柱翼緣和腹板出現裂縫等（見圖1），使得在鋼框架未發揮其塑性耗能能力前既已發生脆性破壞。

圖1 地震作用下鋼框架典型破壞形式

2 延性節點類型及抗震機理

針對北嶺與阪神地震中梁柱剛性節點中出現的脆性破壞，各國學者從各個方面展開了研究，主要的研究重點為通過優化改進梁柱連接形式，實現塑性鉸遠離梁端柱面焊縫區域，通過塑性鉸外移防止梁端柱面發生脆性破壞。目前，國內外通過節點加強和削弱來提高梁柱節點延性及抗震性能。

圖2 為加強型節點的延性設計原理。該種節點形式通過增大截面面積從而提高節點梁端的抗彎承載力，使得梁柱節點的塑性鉸遠離梁端柱面焊縫區域，以此保護梁端焊縫從而避免焊縫區域發生脆性破壞。圖3 為削弱型節點的延性設計原理。該種節點形式通過在梁端一定距離處對梁截面進行局部削弱，降低梁端的抗彎承載力，迫使塑性鉸出現在梁截面削弱位置處，以此保護焊縫區域遭受脆性破壞，從而改善梁柱節點的抗震性能。

圖2 加強型節點的延性設計原理

圖3 削弱型節點的延性設計原理

兩種措施的抗震機理均是通過改變梁端截面面積，以此提高或降低該位置的抗彎承載力，使得梁端焊縫區域的抗彎承載力始終大于梁截面的抗彎承載力，將焊縫位置處的高應力狀態轉移至其他位置，梁端焊縫位置處不會先于框架梁發生破壞，以充分發揮梁柱節點的延性及塑性變形能力。通過以上梁柱改進措施，既體現了“強柱弱梁”與“強節點弱構件”的設計思想，又能實現較好的塑性耗能機制，以解決鋼框架結構的延性需求。

3 國內外延性耗能節點研究現狀

國內外很多學者針對延性耗能節點展開了大量的試驗研究和數值分析，取得了豐富的科研成果。

3.1 加強型節點研究現狀

腋板加強型節點為美國聯邦緊急救援署最早提出的一種加強型節點形式[6]。Uang[7]等人對4 個全尺的下翼緣經加腋板加強的梁柱節點進行靜力與動力試驗，根據兩者的試驗結果表明，靜力與動力加載的破壞模式有所不同，但塑性鉸均遠離梁端柱面且經加腋板加強后的梁柱節點其滯回性能表現良好。除此之外，為了預測鋼框架結構的非彈性地震響應，提出了一種“雙節點域”的分析模型。張效禹等人[8]對裝配式腋板加強型節點進行研究，結果表明在梁翼緣下方焊接腋板可明顯改善節點的抗震性能，并且提出了一種簡化模型以供設計人員對梁端焊縫處的應力水平進行預測。Lee[9-10]等人對比分析了三角形加腋板與矩形加腋板對節點的加強效果，結果表明矩形加腋板的效果明顯優于三角形加腋板，并且基于ABAQUS 分析了矩形加腋板的節點，提出了矩形加腋板的節點設計模型以及細部構造措施。Stratan[11]等人對梁下翼緣采用加腋板加強型的螺栓連接節點進行循環加載試驗，研究表明，該種節點能夠實現塑性鉸外移的設計目標且具有良好的塑性變形能力。

有關肋板加強型節點的研究，國內外仍有很多專家學者對此有所研究。Lee[12]等人對加肋形節點進行有限元分析，從結果看出肋板連接中的力傳遞機制與經典梁理論所預測的完全不同。根據梁理論進行的彎曲應力預測將梁和肋板視為一個整體部分，大大低估了梁翼緣坡口焊縫中的應力。肋板中的對角帶起支撐作用，支撐作用往往會在梁腹中產生反向剪切力。除此之外，將肋板理想化為支柱，Lee 提出了可用于確定梁與肋板之間界面處的相互作用力的等效支柱模型。M.Ghassemieh[13]等人對單肋板對稱加強型節點中單肋板的不同參數進行ANASYS 有限元模擬，結果表明該種節點形式具有良好的變形能力且節點轉角可達到0.04 rad。通過變參分析可知，加勁肋水平側值的增加會導致斷裂指數的下降。此外，減少肋板的水平和垂直尺寸會增加脆性斷裂的可能性，即肋板尺寸越長節點延性越高。王璐[14]等人對單肋板加強型節點中的設計參數肋板長度a、肋板高度h和肋板厚度t進行變參分析，結果表明：3 種不同的參數對單肋板加強型節點的承載能力無明顯影響；隨著肋板高度及厚度的增大，梁翼緣焊縫處的Mises 應力逐漸降低，肋板長度a主要影響塑性鉸出鉸的位置。康寅[15-16]通過對肋板-蓋板非對稱加強型節點進行擬靜力分析，得出肋板-蓋板非對稱加強型節點的延性系數為4.72，等效黏滯阻尼系數為0.361，具有較強的耗能能力。韓明嵐[17-18]等人通過改變螺栓數目、懸臂梁段外伸翼緣厚度、外伸翼緣寬度以及懸臂梁長度4 個參數對帶懸臂梁段嵌入式加強型節點進行擬靜力分析，得出在節點設計時外伸翼緣厚度和寬度的選取可通過截面控制，外伸梁截面面積與中間梁段翼緣的橫截面積比值建議在1.10～1.29。戴素娟[19]等人采用ABAQUS軟件對梁柱弱軸連接的擴翼型節點進行變參分析，分析表明擴翼段的外伸寬度對節點的骨架曲線影響較大，擴翼參數取強軸擴翼型節點的參數取值不合理，并以此給出了合理的參數取值。

對于板式加強型節點，此類節點形式為FEMA 推薦使用的一種延性節點形式。國內外對該種節點形式研究較多。Whittaker[20]等人對上、下翼緣分別經梯形板與矩形板加強的節點進行試驗研究以及有限元模擬，在循環加載至2 倍的屈服位移時試件出現脆性破壞。根據對裂紋位置進行微觀掃描發現，斷裂始于將上蓋板與梁翼緣連接處的角焊縫趾部。陳杰[21]等人對4 個翼緣板加強型節點進行擬靜力試驗。試驗表明，該種節點均能夠保證塑性鉸出現在翼緣板末端，梁端轉角在0.044～0.054 rad 之間。并且如果節點域過弱則會明顯降低節點的極限承載力，但可提高節點的轉動能力。楊慶山[22]等人通過對蓋板加強型節點進行有限元模擬，分析了節點域厚度、梁截面高度、蓋板長度以及軸壓比對該節點的滯回性能的影響。研究發現，節點域較弱的節點其強度與剛度較小，而節點的延性性能較好；梁截面高度決定了節點的強度與剛度，但過大的梁截面高度會造成強梁弱柱的破壞模式；通過改變蓋板長度可以發現，蓋板長度與梁柱節點的強度、剛度以及延性無明顯變化；除此之外，當軸壓比較小時，軸壓比對節點的抗震性能無明顯變化，而當軸壓比增加至一定數值后，節點的延性及承載力隨軸壓比增加而下降。王燕[23]等人對翼緣板及蓋板加強型節點試驗及有限元研究，對比分析了兩種節點形式的破壞模式以及性能指標，又在試驗研究的基礎上對板式加強型節點中加強板不同參數取值進行數值模擬，研究表明：兩種節點形式的塑性鉸均出現在加強板末端，梁柱交界面處的焊縫未發生脆性破壞。破壞模式均為塑性鉸區域梁翼緣及腹板出現局部屈曲現象。除此之外加強板的參數對節點的承載力及延性有顯著影響，為此作者對加強板的合理取值提出了一定的建議值。

3.2 削弱型節點研究現狀

削弱型節點即在距梁端一定距離處對梁截面進行一定的局部削弱，從而使得節點塑性鉸出現在削弱區域從而避免節點在梁端柱面焊縫處出現脆性破壞。基于削弱型節點的研究，國內外學者對梁翼緣削弱型節點進行了很多的研究。在Northridge 地震發生前，Plumier[24]等人已經對直線型及錐形削弱型節點進行了一定的研究。在Northridge 地震發生之后，Gilton[25]等人對兩個狗骨式（RBS）弱軸連接節點進行試驗及有限元模擬，研究結果發現：狗骨式削弱能夠將焊縫附近的梁翼緣邊緣處的應變集中降低約三倍，兩個狗骨式節點的塑性轉角均達到了0.03 rad，且大多屈曲現象及塑性轉動均在削弱處發生。Pachoumis[26]等人對兩個狗骨式削弱型節點進行試驗及數值模擬，研究結果表明：試件均在狗骨削弱區域形成塑料鉸，在梁端柱面焊縫處未發生脆性破壞且均具有良好的滯回性能。根據EC8 提出的建議設計的試件并未表現出良好的滯回性能。該節點的屈服區域在靠近梁柱端面的梁下翼緣處而不是在削弱區域。為了將此種節點形式安全地適用于歐洲，應重新調整EC8 采用的圓弧形RBS 設計的關鍵參數。Jones[27]等人對8個帶有復合樓板的狗骨式節點進行擬靜力試驗，試驗結果表明：該系列的節點在梁柱交界面處的焊縫均未發生脆性破壞，表明該種節點能夠實現塑性鉸外移的目標。與未削弱的梁相比，RBS 節點中的梁可能更容易出現腹板局部屈曲。對于復合樓板的存在，可以增加削弱梁的穩定性以及延遲強度的下降趨勢。王燕、郁有升[28-29]等人對梁柱強弱軸連接的翼緣削弱型節點進行試驗及有限元模擬研究，通過對比節點的破壞模式發現當弱軸相連時未能實現塑性鉸外移現象，分析其原因發現焊縫通過孔在加工過程中切割過大、表面粗糙導致焊縫通過孔應力集中最終發生脆性斷裂。但與強軸相連時，其主要的破壞模式為翼緣削弱處面外剛度較小使鋼梁出現扭轉失穩，但總體來講均能夠實現塑性鉸外移。在研究不同削弱參數對節點的抗震性能的影響時發現：強弱軸相連時，在屈服之前削弱參數對節點的力學性能影響較小；當屈服后，削弱參數對節點的抗震性能的影響程度依次為削弱深度、削弱起始位置以及削弱長度。同時適用于強軸連接的削弱參數合理取值并不適用于弱軸連接。針對削弱型節點在削弱處的穩定問題，韓明嵐[30]等人采用能量法研究了不同荷載作用下削弱型梁的整體穩定性，通過采用等效折減剛度計算出削弱型梁面外彎扭失穩的臨界荷載。基于對梁柱削弱型節點的試驗研究，Zheng 等人對腹板開孔型節點進行了試驗與有限元模擬，研究表明：該種節點形式滿足了塑料鉸向外移動的目的，有效地避免了應力集中在連接焊縫上，并使破壞方式從連接焊縫的脆性破壞轉變為梁局部塑性破壞，從而明顯提高梁柱節點的抗震性能。

4 結束語

國內外研究學者對鋼框架結構延性節點工作機理、結構相關性能等方面進行了大量的研究。但主要以數值模擬為主，鋼框架延性節點的擬靜力試驗和振動臺試驗方面的研究不多。同時對鋼框架延性節點整體性研究展開得并不多，有必要對整體破壞模式、塑性鉸方面展開進一步研究。