鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)探討

1、鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)探討         摘要： 本文通過震害舉例，分析了引起梁柱節(jié)點(diǎn)破壞的幾個(gè)原因，論述了 梁柱節(jié)點(diǎn)常用的處理方法及其特點(diǎn)并提出了幾點(diǎn)建議。 關(guān)鍵詞：梁柱節(jié)點(diǎn)，抗震設(shè)計(jì)， 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件， 建議 Abstract: this paper through the earthquake damage for example, analyzes the cause of destruction beam-column joints for several reasons, this paper disc

2、usses the methods of dealing with the commonly used beam-column joints and its characteristics and puts forward some Suggestions. Keywords: beam-column joints, seismic design, strong weak stem a node, the proposal 中圖分類號：TU973 .31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號： 一、前言 近年來，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛。建筑鋼結(jié)構(gòu)以其卓越的抗震性能，輕質(zhì)高強(qiáng)和安裝方便等特點(diǎn)日益受到人們的青睞

3、,在商場、展廳、大型場館、多高層及超高層等建筑中日益得到應(yīng)用，如上海金茂大廈、深圳地王大廈、深圳證券交易所、深圳太平金融大廈等。在多層和高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)是其中的一個(gè)非常重要的組成部分，其設(shè)計(jì)得是否合理將直接影響到結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定。從以往的震害情況來看，梁柱節(jié)點(diǎn)又是破壞多發(fā)的部位之一，因此，必須對梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)給予足夠的重視。 二、震害舉例及原因分析 墨西哥地震 1985年，墨西哥西海岸發(fā)生里氏8.1級地震，造成城區(qū)內(nèi)102棟鋼結(jié)構(gòu)房屋破壞，震后經(jīng)調(diào)查，鋼框架的破壞主要發(fā)生在梁柱節(jié)點(diǎn)連接處。 美國北嶺地震 1994年，美國北嶺地震中有100多棟鋼結(jié)構(gòu)建筑在梁柱節(jié)點(diǎn)處發(fā)

4、生了斷裂，震后對2066棟鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行考察發(fā)現(xiàn)，其中50%在梁柱節(jié)點(diǎn)梁端的下翼緣焊縫處有損壞，20%在上翼緣焊縫處有損壞，且斷裂發(fā)生時(shí)梁端翼緣未見明顯屈服。 日本阪神地震 1995年，日本阪神地震中大約有988棟鋼結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)不同程度的損壞，其中有90棟房屋倒塌，266棟房屋中度破壞，300棟房屋輕度破壞。經(jīng)調(diào)查，其最常見的破壞形式也是發(fā)生在梁，柱翼緣相交的焊縫區(qū)，很多節(jié)點(diǎn)發(fā)生了脆性斷裂，出現(xiàn)了顯著的變形，甚至喪失了承載能力，但與美國北嶺地震不同的是，斷裂發(fā)生時(shí)梁端翼緣已有明顯屈服或局部屈曲現(xiàn)象。 從以上幾次地震的后果來看，梁柱節(jié)點(diǎn)破壞是房屋損壞的重要原因之一，究其原因，主要有以下幾點(diǎn)： 節(jié)

5、點(diǎn)受力不合理 鋼框架在水平及豎向荷載的作用下，彎矩極值出現(xiàn)在梁端。即使節(jié)點(diǎn)與梁等 強(qiáng)，也是節(jié)點(diǎn)區(qū)先進(jìn)入塑性。 焊縫金屬沖擊韌性低 美國北嶺地震前，焊縫采用E70T-4或E70T-7自屏蔽藥芯焊條，這種焊條對沖擊韌性無規(guī)定，實(shí)驗(yàn)室試件或從實(shí)際破壞的結(jié)構(gòu)中取出的連接試件在室溫下的試驗(yàn)表明，其沖擊韌性往往只有1015J，這樣低的沖擊韌性使得連接很容易產(chǎn)生脆性破壞，成為引發(fā)節(jié)點(diǎn)破壞的重要因素。 焊縫缺陷 由于焊接操作過程中產(chǎn)生的裂紋、欠焊、夾渣及氣孔等，這些缺陷都能成為 斷裂開展直接斷裂的起源。 三軸應(yīng)力的影響 分析表明，梁柱連接的焊縫變形由于受到梁和柱的約束，施焊后焊縫殘留三 軸拉應(yīng)力，使材料變脆。

6、 構(gòu)造缺陷 由于焊接工藝的要求，梁翼緣與柱連接處設(shè)有襯板，實(shí)際工程中襯板在焊接 后就留在了結(jié)構(gòu)上，因此在襯板和柱翼緣之間就形成了一條“人工”裂縫，導(dǎo)致裂縫開展。 鑒于以上分析，采用合理的抗震設(shè)計(jì)方法來改善梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能，以減輕地震災(zāi)害的影響將具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 三、梁柱節(jié)點(diǎn)常用處理方法 如今，隨著抗震知識的不斷完善，新的建筑抗震思想觀念不斷涌現(xiàn)，針對梁柱節(jié)點(diǎn)，“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的抗震概念設(shè)計(jì)思想已經(jīng)為工程設(shè)計(jì)人員廣泛認(rèn)知及采納。在此抗震概念設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下，人們提出了以下幾種梁柱節(jié)點(diǎn)的處理方法，如：1.提高焊縫材料強(qiáng)度、韌性、施工質(zhì)量和焊接工藝；2.改進(jìn)焊接工藝孔的形狀和尺寸；3.采取

7、適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施迫使梁端塑性鉸外移；在這幾種方法當(dāng)中，以第三種方法最為常用，其具體的做法有： 加強(qiáng)式連接：如擴(kuò)展翼緣型節(jié)點(diǎn)（圖1）；蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)（圖2） 削弱式連接：如犬骨式節(jié)點(diǎn)（圖3）；腹板開槽型節(jié)點(diǎn)（圖4） 圖1 圖2 圖3 圖4 現(xiàn)對梁端塑性鉸外移的幾種做法討論如下： 加強(qiáng)式連接： 包括擴(kuò)展翼緣型節(jié)點(diǎn)和蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)，此種處理方式是通過增大梁端及其與鋼柱焊接的截面，使梁端及節(jié)點(diǎn)承載力高于正常鋼梁截面承載力，在地震作用下，加強(qiáng)的梁端及梁柱節(jié)點(diǎn)尚未進(jìn)入全截面塑性受力狀態(tài)時(shí)，接近梁端的正常鋼梁截面因剛度較小先形成塑性鉸，迫使塑性鉸外移，從而起到保護(hù)梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)的作用。但是在實(shí)際的應(yīng)用中，如

8、果嚴(yán)格按照抗震設(shè)計(jì)思想的思路來進(jìn)行設(shè)計(jì)的話，由于加大了梁端截面，必然導(dǎo)致柱腹板高度需要加高或節(jié)點(diǎn)域腹板厚度需要加厚，在整體抗震時(shí)不利于節(jié)點(diǎn)域發(fā)揮其耗能的作用。 削弱式連接： a.腹板開槽型節(jié)點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)和理論研究表明, 腹板上開槽對腹板的削弱和梁的彈性階段的荷載位移曲線影響不十分明顯, 在此原理下產(chǎn)生此種節(jié)點(diǎn)。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)為: 能有效地使梁柱節(jié)點(diǎn)在地震作用下的塑性鉸外移, 起到保護(hù)焊接節(jié)點(diǎn)、防止發(fā)生脆性破壞的目的; 能夠減小梁與柱翼緣焊接焊縫處的應(yīng)力集中。從而有利于節(jié)點(diǎn)抗震性能的發(fā)揮, 使節(jié)點(diǎn)的破壞模式從原來的焊縫的塑性屈曲破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榱阂砭壈宓木植壳茐摹＿@種結(jié)構(gòu)的不足之處也是明顯的, 類似狗骨式

9、節(jié)點(diǎn), 也有工藝復(fù)雜, 要求精度較高, 在槽型孔底部容易形成應(yīng)力集中點(diǎn)的問題, 削弱后的腹板在安裝過程中易受到外力沖擊而發(fā)生變形。 b. 犬骨式節(jié)點(diǎn)：本方法是利用梁的塑性儲備來吸收和耗散地震輸入的能量的思想來對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)的。該方法利用削弱梁截面的方法人為地限定了塑性鉸形成的位置和長度, 充分保護(hù)了梁柱的焊縫, 使削弱處的梁截面的承載力小于節(jié)點(diǎn)處的承載力, 在地震作用下, 塑性鉸發(fā)生在梁的削弱處, 發(fā)生塑性破壞。同時(shí), 使得較長的一段梁可以幾乎同時(shí)進(jìn)入塑性。實(shí)驗(yàn)表明, 當(dāng)梁翼緣被削掉50%時(shí), 結(jié)構(gòu)剛度僅降低6% 7%左右; 削弱40%時(shí), 僅降低4% 5% 。狗骨式節(jié)點(diǎn)按削弱形狀不同分直線型、錐型和圓弧型三種。狗骨型節(jié)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在了美國和臺灣地區(qū)的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中, 天津市的國際貿(mào)易中心也采用該方式的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該節(jié)點(diǎn)也是被看好的新型框架節(jié)點(diǎn)。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)表明, 在地震力作用下該節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出了良好的延性, 并在規(guī)范中被推薦使用。但該節(jié)點(diǎn)還是有其不足之處, 主要有以下的幾點(diǎn): 首先, 梁的破壞一般是在梁截面應(yīng)力最大即截面面積最小的狗骨處發(fā)生, 而中間梁段的全截面的承載力并沒有被充分利用。對整個(gè)梁來說, 它的承載力主要是由狗骨處的小截面決定, 造成了梁中間大截面部分的材料浪費(fèi), 經(jīng)濟(jì)效益不好。其次, 由