鋼框架梁柱弱軸節(jié)點連接研究

【關(guān)鍵詞】梁柱弱軸連接；狗骨式節(jié)點；塑性鉸  

　　目前國內(nèi)外對梁柱連接的研究主要集中在梁柱強軸連接上即梁垂直于H型鋼柱翼緣的連接。對梁柱弱軸連接即梁垂直于H型鋼柱腹板的連接僅有少量研究。鋼結(jié)構(gòu)框架體系一般縱橫兩個方向均為框架，梁柱弱軸連接實質(zhì)上和強軸連接一樣普遍。弱軸連接的分析和設(shè)計比強軸連接更困難，不僅因為連接理論上的最大強度和在梁上或柱上形成塑性鉸一致，而且對弱軸連接還存在限制最大強度的其它因素。如果被焊到柱腹板上梁的翼緣比柱的寬度窄許多，在柱子或梁上形成塑性鉸以前，一個屈服線型的機構(gòu)在柱腹板上形成。在根據(jù)塑性理論確定的塑性極限荷載達到之前，還可能發(fā)生柱翼緣和腹板的局部屈曲或連接材料的破壞。另外，柱翼緣對空間的限制使安裝困難，連接構(gòu)造設(shè)計復(fù)雜，所以對鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱弱軸連接的性能研究尤為重要。 

　　梁柱連接節(jié)點的設(shè)計應(yīng)滿足“強柱弱梁、強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計思想。就是在強震作用下，節(jié)點的承載力高于構(gòu)件截面的承載力，從而通過梁端塑性鉸的形成來耗散地震能，保證結(jié)構(gòu)完整不致發(fā)生倒塌，以實現(xiàn)抗震設(shè)計的目標(biāo)。對于傳統(tǒng)的梁柱栓焊剛性連接，由于連接端板材的不連續(xù)及柱對梁端的約束作用，梁端很難形成塑性鉸，改變某些參數(shù)雖然能在一定程度上提高其延性，但仍達不到對連接塑性變形能力的要求。因此，在明晰梁柱剛性連接受力特點和破壞機理的基礎(chǔ)上，開發(fā)新型的梁柱連接，才能從根本上解決傳統(tǒng)梁柱剛性連接的脆性破壞問題。為了實現(xiàn)“強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計思想，研究者一般采用下述三條途徑以改善傳統(tǒng)梁柱剛性節(jié)點的抗震性能：（1）加強型節(jié)點（如圖1所示）。即通過增加節(jié)點連接件來提高節(jié)點的強度。但必須保證不能出現(xiàn)弱柱，有違“強柱弱梁”抗震設(shè)計原則。如蓋板式、梁腋式、梁肋式等。（2）削弱型節(jié)點（如圖2所示）。其設(shè)計思想是通過對距離梁柱連接處一定距離的梁截面進行局部削弱，迫使地震荷載作用下塑性鉸的形成位置偏離脆性較高的節(jié)點焊縫區(qū)而出現(xiàn)在具有較大延性的梁上，即通過削弱梁來保護節(jié)點，頗有點中國傳統(tǒng)思想－舍車保帥的思想。符合“強柱弱梁”，“強節(jié)點弱構(gòu)件”的大前提。如翼緣狗骨式連接、腹板開槽削弱連接、腹板開洞連接。（3）預(yù)應(yīng)力節(jié)點（如圖3所示）。預(yù)應(yīng)力節(jié)點是美國Lehigh大學(xué)和加州大學(xué)最近研制的一種新型鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點[1]。它借鑒了預(yù)制鋼筋混凝土框架中的無粘結(jié)后張拉節(jié)點的有關(guān)研究成果，在鋼框架梁柱連接節(jié)點中增設(shè)鋼拉桿，并采用后張拉法施加預(yù)應(yīng)力。 

　　加強型節(jié)點在增強節(jié)點的同時也增加節(jié)點區(qū)域的焊縫，而焊縫過多會使節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)脆性斷裂的可能性增加，為了降低這種可能性需要顯著提高施焊質(zhì)量，即對現(xiàn)場施工條件及工人的技術(shù)水平提出了更高的要求，因此不容易推廣。預(yù)應(yīng)力節(jié)點對施工要求較高，國內(nèi)相關(guān)方面的介紹很少。梁柱弱軸翼緣削弱的狗骨式連接即圖2（a）所示的節(jié)點具有較好的應(yīng)用價值。 

　　翼緣狗骨式削弱節(jié)點根據(jù)削弱形狀的不同，分為直線型、錐型和圓弧型三種。其中圓弧型狗骨式節(jié)點因削弱部位橫截面過渡比較均勻，可以減小應(yīng)力集中的程度，構(gòu)造也較簡單，廣泛地被工程界所接受。 

　　通過震害及試驗研究表明，傳統(tǒng)的剛性節(jié)點設(shè)計并未很好的發(fā)揮梁本身的抗彎承載力，使其在合適的位置形成并發(fā)展成為塑性鉸。因此，在震后進行的研究中，減少梁翼緣處對接焊縫的應(yīng)力，人為地使塑性鉸在梁上某一部位形成，成為改進剛性節(jié)點設(shè)計的重要思路。狗骨式節(jié)點是針對此種情況提出的一種新型節(jié)點，目前在國內(nèi)外工程中已有應(yīng)用。這種節(jié)點的主要特點是在靠近連接處的梁上下翼緣進行削弱，它的設(shè)計思想是：削弱部分的梁起到一個保險絲的作用，迫使大震作用下塑性鉸偏離脆弱的節(jié)點焊縫，出現(xiàn)在具有很大延性的梁上，即通過削弱梁來保護節(jié)點。同時它針對普通節(jié)點塑性小的缺陷，對梁進行了合理的削弱，使得較長的一段梁幾乎同步進入塑性，即真正做到了延性設(shè)計，充分發(fā)揮了鋼材的塑性。這種節(jié)點最初給人的感覺是削弱了梁，雖提高了延性，但會降低結(jié)構(gòu)強度和剛度。實際上，這種由于梁的削弱所造成的結(jié)構(gòu)剛度和強度的降低較小。試驗研究表明：當(dāng)梁翼緣被削弱掉50%時，結(jié)構(gòu)的剛度降低6%~7%；當(dāng)梁翼緣被削弱掉40%時，結(jié)構(gòu)剛度降低4%~5%左右[2-3]。 

　　狗骨式節(jié)點的設(shè)計原則就是保證大震作用下塑性鉸出現(xiàn)在梁翼緣削弱的部位，同時梁翼緣的削弱對梁的剛度和強度的影響都很小。要實現(xiàn)這一目的，關(guān)鍵是確定圓弧型狗骨式節(jié)點削弱部位的尺寸。當(dāng)梁翼緣削弱部位尺寸和梁長滿足一定關(guān)系時，對距離柱一定范圍內(nèi)的梁翼緣進行削弱后，應(yīng)變最大值將出現(xiàn)在具有很大塑性變形能力的梁翼緣削弱部位，偏離了易發(fā)生脆性破壞的梁柱焊縫連接處。因此，削弱的截面起到一個保險絲的作用，限制了傳到梁柱連接處的彎矩和剪力，也就是說，梁的屈服區(qū)控制了傳到對接焊縫或節(jié)點其它部位的最大內(nèi)力。 

　　影響狗骨式剛性連接節(jié)點受力性能的因素是焊縫類型、尺寸和布置以及梁翼緣削弱位置和削弱程度。焊縫首先必須保證受載過程中梁削弱處形成塑性鉸之前不發(fā)生脆性斷裂，同時梁翼緣削弱部位橫截面過渡應(yīng)均勻避免應(yīng)力集中導(dǎo)致連接的過早破壞。若梁腹板是采用摩擦型高強螺栓連接，則螺栓直徑、排列方式、螺栓的預(yù)拉力也是影響連接的因素。螺栓與焊縫在加載過程中應(yīng)變形協(xié)調(diào)。美國《房屋鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計條例》給出了圓弧型狗骨式節(jié)點梁翼緣削弱位置和削弱程度的參考建議。目前鋼框架梁柱弱軸節(jié)點連接分析仍然處于研究摸索階段，希望讀者提出諸多改進措施和抗震設(shè)計對策，為設(shè)計及施工提供建議。 

　　參考文獻： 

　　[1]禹慧,陳俊嶺.鋼框架預(yù)應(yīng)力節(jié)點的介紹與分析[J].結(jié)構(gòu)工程師, 2005,21(4):61-65 

　　[2]易方民.高層建筑偏心支撐框架結(jié)構(gòu)抗震性能和設(shè)計參數(shù)研究[D]. 中國建筑科學(xué)研究院博士學(xué)位論文, 2000 

　　[3]高小旺,張維,易方民等.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點試驗研究報告[R].中國建筑科學(xué)研究院試驗報告,2000.