探鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震措施

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；節(jié)點(diǎn)；抗震措施 

　　鋼結(jié)構(gòu)建筑質(zhì)量的好壞受節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的影響較大。如果構(gòu)件沒(méi)有遭到破壞但是節(jié)點(diǎn)卻已經(jīng)失效，則完全達(dá)不到所需要的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)。上世紀(jì)先后發(fā)生的美國(guó)洛杉磯大地震和日本阪神大地震，出現(xiàn)的建筑梁柱節(jié)點(diǎn)斷裂，經(jīng)調(diào)查根本原因是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工存在著問(wèn)題。本文從節(jié)點(diǎn)破壞的機(jī)理入手，簡(jiǎn)要闡述了節(jié)點(diǎn)抗震的原則及對(duì)抗震節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)等。 

　　1 節(jié)點(diǎn)脆性破壞機(jī)理 

　　節(jié)點(diǎn)脆性破壞主要是因?yàn)楹缚p質(zhì)量以及較高的三向應(yīng)力所造成的。較為典型的節(jié)點(diǎn)脆性破壞模式是：脆性裂紋自柱翼緣與梁下翼緣的相交焊縫的地方，經(jīng)過(guò)不同的途徑進(jìn)行擴(kuò)展，造成多種類型的斷裂模式。在總共的裂紋8種形式中，有7種裂紋起源于梁下翼緣和柱翼緣交叉區(qū)域，由此說(shuō)明節(jié)點(diǎn)梁底部翼緣焊接區(qū)是脆性破壞發(fā)生主區(qū)域。具體的原因有：結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中容易受各種因素的影響，其中有焊縫金屬?zèng)_擊韌性低和焊縫缺陷，都是應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因。受地震力作用，梁柱節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力值較大且狀態(tài)復(fù)雜，焊接部位鋼材往往處于三向應(yīng)力狀態(tài)，造成節(jié)點(diǎn)焊縫截面成為框架薄弱環(huán)節(jié)。而鋼材韌性僅在較細(xì)桿件處于單軸應(yīng)力狀態(tài)下才可以較好發(fā)揮，當(dāng)其處于三向應(yīng)力狀態(tài)下，較難發(fā)揮材料優(yōu)勢(shì)性能，在沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象下出現(xiàn)脆性破壞。其次，坡口焊縫處襯板和引弧板造成“人工”裂縫存在，也容易造成裂縫尖端應(yīng)力集度系數(shù)超過(guò)臨界值，進(jìn)而出現(xiàn)不穩(wěn)定斷裂。再次，梁柱連接處鋼材因受約束不能轉(zhuǎn)動(dòng)，特別是當(dāng)柱翼緣板材較厚時(shí)，此約束使梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼材不能屈服，加劇了該處焊縫局部高應(yīng)力，增大了在焊縫缺陷中引發(fā)裂縫機(jī)率。此外，還有組合樓板產(chǎn)生負(fù)面影響、柱節(jié)點(diǎn)板域過(guò)大的剪切屈服變形等多種因素 

　　2 鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則 

　　節(jié)點(diǎn)須可以完全傳遞被連接板件的剪力和彎矩，發(fā)揮好鋼材塑性性能，以此來(lái)保證在發(fā)生地震時(shí)，鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)少發(fā)生甚至不發(fā)生脆性破壞。由此而提出節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的方法，具體的有：把塑性鉸位置外移；對(duì)梁翼緣焊縫襯板缺口作處理；改進(jìn)扇形切角構(gòu)造；選用有較高沖擊韌性焊縫；把梁腹板與柱子焊接。在進(jìn)行抗震的設(shè)計(jì)時(shí)，直接進(jìn)行滿焊連接有可能達(dá)不到要求，需經(jīng)抗震措施加強(qiáng)�，F(xiàn)在，主要用將塑性鉸自梁端外移來(lái)避免強(qiáng)震下梁柱連接處焊縫破壞的做法，方法有：加強(qiáng)梁端截面；局部削弱梁截面；狗骨式與梁端加強(qiáng)式相結(jié)合等。這些方法都很好的增加了梁端的局部截面，降低了該處局部應(yīng)力，保證結(jié)構(gòu)發(fā)生延性破壞。但是，這些方法在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)局部的加強(qiáng)時(shí)需要十分注意，以免出現(xiàn)弱柱，違背強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)原則。此外，還需要注意：梁與柱剛性連接時(shí)，按抗震設(shè)防要求，柱在梁翼緣上下各500mm節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)，柱翼緣與柱腹板間或箱形柱壁板間的組合焊縫需用全焊透剖口焊縫；如果梁翼緣塑性截面模量小于全截面塑性截面模量的70%時(shí)，梁腹板與柱連接螺栓不能低于兩列。如果僅僅需要一列，仍然要布置兩列，并且螺栓的總數(shù)不得低于計(jì)算值的1.5倍；螺栓孔等對(duì)梁全截面削弱率控制在25%以內(nèi)。利用好這些構(gòu)造措施，就能很好的保證在大震發(fā)生時(shí)，梁上出現(xiàn)塑性鉸，由此減輕震害，達(dá)到大震不倒的抗震設(shè)計(jì)要求。 

　　3 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震措施 

　　節(jié)點(diǎn)左右端和上下柱端的全塑性承載力應(yīng)符合下列公式要求。如果柱在樓層受剪承載力比上層高25%或者柱軸向力設(shè)計(jì)值與柱全截面面積和鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積的比值不超過(guò)0.4，或者軸心受壓構(gòu)件在2倍地震力下穩(wěn)定性能保證，則可不按該公式計(jì)算。 

　　式中，WPc，WPb分別表示的是柱和梁塑性截面模量；N代表著柱軸向壓力設(shè)計(jì)值；AC表示著柱截面面積；fyc，fyb則分別代表著柱和梁和鋼材屈服強(qiáng)度；η則表示強(qiáng)柱系數(shù)，超過(guò)6層鋼框架，6度Ⅳ類場(chǎng)地和7度時(shí)，可取1.0，如果是8度的話可以使1.05，而對(duì)于9度則能為1.15。 

　　3.1 梁端加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)法 

　　此種方法通過(guò)適當(dāng)?shù)脑黾恿憾私孛婧缚p面積或加大梁端有效面積，從而讓梁端極限承載力高于梁截面。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，加強(qiáng)后的梁端還沒(méi)有進(jìn)入到全截面塑性剪力狀態(tài)時(shí)，在梁端附近因?yàn)榱旱慕孛孑^小，往往會(huì)先行形成一個(gè)塑性鉸而出現(xiàn)塑性破壞，進(jìn)而發(fā)揮節(jié)點(diǎn)保護(hù)、防止發(fā)生脆性破壞的功能。其具體的是加蓋板法，增加梁柱焊縫面積以增強(qiáng)連接。地震時(shí)，變形發(fā)生在翼緣寬度變窄部位，避免了變形集中在梁端。同時(shí)，變形發(fā)生部位可用側(cè)板長(zhǎng)寬尺寸變化自由控制。與其他的工法相比，梁端塑性變形能力提高1倍以上，進(jìn)而大幅度提高了鋼結(jié)構(gòu)的抗震能力。但是，此種方法因?yàn)榧訌?qiáng)了端面積，如果嚴(yán)格按照抗震設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)的話，則會(huì)增加柱的腹板高度或增大節(jié)點(diǎn)域腹板厚，其對(duì)于整個(gè)框架結(jié)構(gòu)抗震來(lái)說(shuō)，不利于發(fā)揮節(jié)點(diǎn)域耗能作用。 

　　3.2 狗骨型節(jié)點(diǎn)法 

　　此種方法是通過(guò)梁的塑性儲(chǔ)備來(lái)吸收、耗散地震輸入能量，以此來(lái)改進(jìn)節(jié)點(diǎn)。此種方法通過(guò)削弱梁截面從而人為限定塑性鉸形成的位置和長(zhǎng)度，充分保護(hù)梁柱焊縫，讓削弱處梁截面承載力小于節(jié)點(diǎn)處承載力。在發(fā)生地震時(shí)，塑性鉸發(fā)生在梁削弱處從而出現(xiàn)塑性破壞。同時(shí)，讓較長(zhǎng)的一段梁可同時(shí)進(jìn)入塑性。當(dāng)梁翼緣被削掉50%時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度僅下降6%-7%；在削弱40%時(shí)，僅僅下降了4%-5%。按削弱形狀的不同，狗骨式節(jié)點(diǎn)可以分為錐型、直線型和圓弧型。 

　　狗骨型節(jié)點(diǎn)的方法在美國(guó)和臺(tái)灣等地區(qū)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中有著廣泛的應(yīng)用，我國(guó)天津的國(guó)貿(mào)中心也使用了此種方法作設(shè)計(jì)，此方法也是較為看好的新型框架節(jié)點(diǎn)。在地震發(fā)生時(shí)，該節(jié)點(diǎn)有著較好的延性，其在規(guī)范中得到了推薦使用。但此方法還是稍有不足，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，而中間梁段全截面的承載力并沒(méi)有被充分利用。對(duì)整個(gè)梁來(lái)說(shuō)，其承載力主要是由狗骨處小截面決定，造成梁中間大截面部分材料出現(xiàn)了浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益并不十分理想。其次，梁截面被削弱從而降低了梁的承載力和剛度，影響整個(gè)框架結(jié)構(gòu)可靠性。另外，為防止在削弱處因加工不精、存在缺陷等造成應(yīng)力集中的問(wèn)題，施工中對(duì)加工工藝精度要求高，工序復(fù)雜、費(fèi)用高。 

　　3.3 梁腹板開(kāi)槽型節(jié)點(diǎn)法 

　　腹板上開(kāi)槽對(duì)腹板削弱和梁彈性階段荷載-位移曲線影響并不是很明顯，由此原理而出現(xiàn)此種節(jié)點(diǎn)方法，其設(shè)計(jì)特點(diǎn)可以在地震作用下讓梁柱節(jié)點(diǎn)塑性鉸有效地外移，進(jìn)而發(fā)揮保護(hù)焊接節(jié)點(diǎn)、防止發(fā)生脆性破壞的目的。更好地減小梁與柱翼緣焊接焊縫處集中應(yīng)力，利于發(fā)揮節(jié)點(diǎn)抗震性能，讓節(jié)點(diǎn)破壞模式從原有焊縫塑性屈曲破壞轉(zhuǎn)為梁翼緣板局部屈曲破壞。但是，此種方法和狗骨式節(jié)點(diǎn)式方法類似，操作工藝較為復(fù)雜，對(duì)精度要求較高，在槽型孔的底部容易出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)。同時(shí)，削弱后的腹板在進(jìn)行安裝時(shí)容易受到外力的沖擊變形。 

　　4 結(jié)論 

　　當(dāng)發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)框架的破壞除了梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的破壞之外，還有諸如支撐體系的破壞等其他因素，但是，其中影響最大的還是框架梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的破壞。為此，我們鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師及工程操作人員仍要加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點(diǎn)的深層次研究，爭(zhēng)取能夠更好地完善對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震的研究。 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　[1]潘鳳.對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)抗震驗(yàn)算問(wèn)題的探討[J].山西建筑，2010（7） 

　　[2]黃第云，王立君，張俊寶.鋼結(jié)構(gòu)加腋型梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的探討[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012（6）.