摘要：過去的一百多年中，材料科學和抗震設計思想上的革新以及經(jīng)濟的迅速發(fā)展不僅使得高層鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)體系上發(fā)生了巨大變化，而且其梁柱節(jié)點形式也發(fā)生了翻天覆地的變化，它經(jīng)歷了從不合理到合理、不經(jīng)濟到經(jīng)濟的發(fā)展過程，大致經(jīng)歷了普通螺栓連接、鉚釘連接、高強螺栓連接和焊接等幾個發(fā)展階段。
關(guān)鍵詞：建筑；框架；研究
1 梁柱節(jié)點在高層鋼結(jié)構(gòu)中的地位
梁柱節(jié)點是高層鋼結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位，其設計的優(yōu)劣不僅關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)良抗震性能能否得到充分的發(fā)揮，而且還直接影響到結(jié)構(gòu)的造價。梁柱節(jié)點的設計思想不僅受到抗震設計理論的影響，同時也受到加工工藝、施工手段、造價及鋼材質(zhì)量等諸多因素的制約�？梢院敛豢鋸埖卣f，鋼結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點設計是高層鋼結(jié)構(gòu)中最具份量的設計之一。
2高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的形式演變
此時比較典型的節(jié)點形式如圖1.1所示[1]，采用的連接形式是用角鋼和鉚釘將梁的腹板和柱連接起來。
在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)大量地涌現(xiàn)，鉚釘現(xiàn)場安裝工序繁瑣且?guī)碓胍羰沟枚际惺忻駸o法忍受，所以現(xiàn)場安裝的鉚釘逐漸開始被螺栓現(xiàn)場安裝所代替。也就是說，節(jié)點的連接形式由全鉚釘連接變?yōu)楣S鉚釘連接、現(xiàn)場普通螺栓連接的鉚釘、螺栓共存的形式。這時，比較典型的節(jié)點形式。50年代，性能優(yōu)良的高強螺栓的出現(xiàn)標志著鉚釘連接被淘汰。
五、六十年代，人們開始認識到焊接技術(shù)的優(yōu)越性，它不僅性能好，而且具有施工速度快、無噪音、外觀效果好等優(yōu)點。特別是六十年代出現(xiàn)的焊接性能優(yōu)良的A-36號鋼的上市，更是大大推進了焊接技術(shù)的應用。它是通過蓋板和連接板將翼緣和梁腹板同柱連接起來，其中蓋板和連接板和柱之間通過工廠焊接連接，與梁翼緣和梁腹板之間通過現(xiàn)場高強螺栓連接。
八十年代以后，鋼材的焊接性能大大改善和現(xiàn)場焊接技術(shù)的進一步提高再一次大大推進了高層建筑梁柱節(jié)點的發(fā)展。
它是Northridge地震后最先提出的一種改進方案。其設計思想是加強節(jié)點承載能力。這種節(jié)點在實驗室進行的大尺寸試件研究時，延性要好于以往的節(jié)點，但有時也出現(xiàn)脆性破壞。對于這種節(jié)點，最大的困難就是蓋板與梁翼緣的焊接及檢測，特別是采用厚蓋板時將使坡口焊很大，致使焊縫的收縮、復原等更加困難，同時更容易在梁翼緣和蓋板的交界處產(chǎn)生更大的殘余應力。
它用兩個托座分別將梁的上下翼緣和柱翼緣連接起來，托座與梁翼緣一般通過焊縫連接，托座與柱翼緣則可通過鉚接、螺栓連接或焊縫連接。其中當托座與柱翼緣通過螺栓連接時一定要使用大的、高強度螺栓，以保證節(jié)點為剛性連接。這種節(jié)點形式在實驗室研究中也表現(xiàn)出很好的延性，但造價相對較高，這種節(jié)點形式的設計思路是通過加強節(jié)點的強度使得塑性鉸出現(xiàn)在梁上。
3 美國Northridge地震和日本阪神地震震害
1994年1月17日，一場中等大小的地震（里氏6.8級，最大地面加速度約為美國地震設計值的一半）襲擊了洛杉磯西北郊區(qū)，忽然之間，Northridge城成為美國乃至全世界結(jié)構(gòu)工程師眾所周知的地方。地震后進行的嚴密調(diào)查表明：在此區(qū)域內(nèi)，超過100棟鋼框架結(jié)構(gòu)建筑中存在梁柱節(jié)點破壞，大部分為脆性破壞。1995年，日本兵庫縣南部發(fā)生了里氏7.2級Kobe地震（阪神地震），地震也使大量鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點產(chǎn)生破壞，地震中的鋼結(jié)構(gòu)，雖然其設計依據(jù)和施工方法與美國有所區(qū)別，但節(jié)點的破壞呈現(xiàn)出同樣的脆性破壞特征。
在Northridge地震的大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)建筑中都使用了專門的抗彎鋼框架（SMRF）。這種框架沒有斜撐，其典型的節(jié)點形式如圖1.10所示。在此節(jié)點中，梁的上下翼緣和柱翼緣是通過焊縫連接的，用來傳遞梁端彎矩；梁腹板和柱翼緣是通過兩塊剪切板連接的，用來傳遞梁端剪切力，其中，柱翼緣和剪切板通過焊接連接，梁腹板和柱翼緣通過高強螺栓連接。另外，在梁腹板的上下端切割出焊接工藝孔，在梁翼緣的下部有焊接墊板，以方便焊接。
4節(jié)點脆性破壞原因分析
經(jīng)過地震后的研究和調(diào)查，各國學者紛紛總結(jié)節(jié)點脆性破壞的原因，總的說來，原因是多方面的，大致歸納如下幾點：
4.1材料屬性
盡管鋼材通常被認為是延性材料，但是這只是在小截面桿處于單向軸應力狀態(tài)的普通情況下才是真實的，此時，均勻的小橫截面桿不會受到側(cè)向約束，允許側(cè)向收縮，到達強度極限時，會出現(xiàn)頸縮和剪切滑移層。
鋼材的斷裂韌性是另一個值得關(guān)注的問題。已經(jīng)有過一些關(guān)于低韌性母材的報告，但是它們往往被當作是意外。但是，越來越明顯的證據(jù)說明焊接過程中熱量的輸入是非常高的，在某些情況下甚至超過了4KH/mm。和高溫交叉影響一起時，很可能會嚴重地降低熱影響區(qū)（HAZ）的韌性。同時，高溫交叉和熱量輸入也會降低某些焊縫的屈服強度和拉伸強度。
焊接金屬的斷裂韌性是另外一個值得關(guān)注的問題，Northridge地震前使用的規(guī)范沒有規(guī)定焊縫的最小韌性等級，允許使用通常的自我防護軸心焊條E70T-4，這種焊條沒有最小的韌度要求。在通常情況下，實際的焊縫韌性在20℃時小于15J，有些小于7J。這么低的韌性，加之焊接墊板偏差和工廠施工的質(zhì)量差異等因素，當受到周期性荷載時，節(jié)點通常很容易就發(fā)生脆性斷裂。
另外一個關(guān)于鋼材力學屬性的重要事實是鋼材的實際強度往往要比設計中假設的強度大得多，從而使得設計者無法有根據(jù)地進行設計。
4.2工藝
施工過程中，很可能不間斷地焊接完頂部翼緣全長，而焊接梁的底部翼緣時則困難得多，因為梁的腹板不允許沿翼緣寬度進行連續(xù)焊接，焊接工需要將焊條穿過焊接工藝孔而達到翼緣的邊緣，因此，適當尺寸的焊接工藝孔（通常稱為‘鼠孔’）可以方便靠近，保證焊接質(zhì)量。規(guī)范給出了最小焊接工藝孔的尺寸通常為35mm，這些最小尺寸對于某些應用還是太小，給焊接工人留出較大的空間以方便焊接金屬的沉積是勢在必行的。在一棟建筑中，可以增加焊接工藝孔的尺寸，但是，如果剪切板太長，也常常會導致焊接工藝孔和剪切板相交叉。 地震后對破壞節(jié)點的調(diào)查暴露了一系列與工藝有關(guān)的問題，其中包括夾渣、未熔合、不適當?shù)暮竿福ǖ胶附訅|板上了）現(xiàn)象、焊縫之間不適當?shù)慕徊�、焊接工藝孔較小。這些問題通常都集中在下部梁翼緣的焊縫部分，這個區(qū)域是問題最多的地方，因此，焊接工必須進行特殊的培訓是勢在必行的。
許多焊接質(zhì)量問題通常是由于巨大的、厚厚的和較寬的焊接路徑造成的，這是高空焊接過程的直接結(jié)果。同時，由于高空焊接的速度往往較慢，容易在焊縫處形成很高的熱輸入?yún)^(qū)，控制操作的恰當方法是控制熱量輸入或者控制焊珠尺寸（就象規(guī)范中規(guī)定的那樣）。這些措施可以在那些超過12mm厚的焊縫（它是規(guī)范中規(guī)定的6mm極限的兩倍）中看到。
總之，焊接質(zhì)量受到三個方面因素的影響：（1）隨著完全熔合區(qū)的減小，局部應力等級被提高；（2）有害凹槽（即人工裂紋）降低了節(jié)點抗斷裂的能力；（3）隨著焊縫的斷裂韌性和熱影響區(qū)（HAZ）斷裂韌性的減小，節(jié)點的抗斷裂能力進一步被削弱。
4.3 檢查、驗收
規(guī)范中保證質(zhì)量時使用的主要方法是在整個過程中不斷進行監(jiān)控、檢查。雖然超聲波（UT）已成為確認焊接質(zhì)量的有力工具，但是還是無法決定關(guān)鍵性的焊接變化是否得到了恰當?shù)目刂啤＿@些可能的變化包括預熱、焊接電流值、電壓值、焊接速度、焊條的擴展、極性和焊珠順序。在焊接過程中不斷進行監(jiān)控對于確保焊接質(zhì)量是有必要的。
5延性
在Northridge地震中損壞的結(jié)構(gòu)中，很少有證據(jù)能證明在地震中形成了塑性鉸區(qū)，地震能量被直接傳遞到了節(jié)點上，使得節(jié)點出現(xiàn)超載并引起發(fā)生斷裂。眾所周知，應力-應變曲線下的區(qū)域代表的就是總的吸收能量，因此，屈服發(fā)生時必然會吸收巨大的塑性能量。但是，當屈服點比預料值要高時，屈服就不會發(fā)生，在這些構(gòu)件中吸收的能量也就變得很少，能量就會被傳遞到節(jié)點上。
5.1延性和材料
在美國，常用的結(jié)構(gòu)鋼為ASTM A36鋼，其最小屈服強度為250MPa。而在二十年前，A36鋼材的平均屈服強度已經(jīng)達到290MPa，到1994年，平均屈服強度已經(jīng)升至大約330MPa。此平均值比許多設計的假設值高1/3還多。當330MPa是平均值時，某些鋼材的屈服強度則更高，380Mpa的大小都變得很平常。
5.2延性和凹槽（人工裂紋）
一種材料的延性很可能只有當構(gòu)件比較光滑、沒有凹槽時才能表現(xiàn)出來。當存在凹槽時，即使是軸向受拉試件，其屈服應力也可能出現(xiàn)明顯的提高和較大的伸長。而抗彎鋼節(jié)點的構(gòu)造就是如此，當水平梁翼緣和垂直柱翼緣相交時，必然就會出現(xiàn)幾何凹槽（人工裂紋）。由于焊縫墊板的存在，此問題變得更加尖銳。未熔合區(qū)域或者焊縫中的夾渣和焊接工藝孔不夠大將使問題變得更加復雜。在這樣的條件下，延性焊縫和延性鋼材必然無法表現(xiàn)出延性。
6我國內(nèi)研究概況
到目前為止，國內(nèi)在鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點和框架節(jié)點方面展開較大規(guī)模研究的只有中國建筑科學研究院和清華大學。從目前的研究報告看，他們已經(jīng)在高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的形式、試驗研究、有限元分析等方面展開了系統(tǒng)的研究，并且取得了初步的成果。但是總的來說，國內(nèi)對節(jié)點的研究成果并不多，理論方面的研究更是比較薄弱。
