美日?qǐng)?jiān)鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

楊　志

[摘要]1994年1月17日發(fā)生在美國(guó)加州圣費(fèi)南多谷地的北嶺地震(Northridge Earthquake)和正好一年后1995年1月17日發(fā)生在日本兵庫(kù)縣南部地區(qū)的阪神地震(Hyogoken-Nanbu Earthquake)是兩次陸域型強(qiáng)震，都導(dǎo)致了焊接鋼框架梁-柱附性連接節(jié)點(diǎn)的廣泛破壞。震后兩國(guó)進(jìn)行了大量的調(diào)查和研究，揭示了破壞的原因，在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的技術(shù)措施。兩國(guó)在此期間都發(fā)表不少論文，所作的討論開拓人們的眼界，提供對(duì)鋼框架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的更多了解，對(duì)今后鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有深遠(yuǎn)的影響。

[關(guān)鍵詞]堅(jiān)鋼框架 抗震防災(zāi) 抗震設(shè)計(jì) 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 襯板

中圖分類號(hào)：TU3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0220117－02

一、美日兩國(guó)鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞情況

（一）美國(guó)北嶺地震后對(duì)剛框架節(jié)點(diǎn)破壞的調(diào)查

從70年代以來，美國(guó)采用高強(qiáng)螺栓連接鋼框架已很普遍，北嶺地震后出現(xiàn)破壞的有100多幢。為了弄清破壞的原因，北嶺地震后不久，在美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理局(FEMA)資肋下，有加州結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)(SEAOC)、應(yīng)用技術(shù)研究會(huì)(ATC)和加州一些大學(xué)的地震工程研究單位(CU)等組成了被稱為SAC和聯(lián)合動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)此開展了深入調(diào)查和研究，以便弄清破壞原因和提出改進(jìn)措施。

美國(guó)的鋼框架梁-柱連接，在50年代多采用鉚釘連接，60年代逐步改用高強(qiáng)度螺栓連接。為了評(píng)估栓焊混合連接的有效性，曾進(jìn)行過一系列試驗(yàn)，這種由翼緣焊縫抗彎和腹板螺栓連接抗剪的節(jié)點(diǎn)，美國(guó)以前規(guī)定其塑性轉(zhuǎn)角應(yīng)達(dá)到0.015rad(≈1／65)，但大量試驗(yàn)表明，塑性轉(zhuǎn)角的試驗(yàn)結(jié)果很離散，且出現(xiàn)了早期破壞，總的說來性能很不穩(wěn)定。北嶺地震前，德州大學(xué)教授Engelhardt就曾對(duì)這種連接在大震時(shí)的性能產(chǎn)生疑問，指出在大震時(shí)要密切注意，對(duì)它的的設(shè)計(jì)方法和連接構(gòu)造要進(jìn)行改進(jìn)。

北嶺地震證實(shí)了這一疑慮，為此SAC通過柏克萊加州大學(xué)地震工程研究中心(EERC)等4個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地，進(jìn)行了以了解震前節(jié)點(diǎn)的變形響應(yīng)和修復(fù)性能為目的的足尺試驗(yàn)和改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。對(duì)北嶺地震前通常做法的節(jié)點(diǎn)及破壞后重新修復(fù)節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)表明全部試驗(yàn)都觀察到了與現(xiàn)場(chǎng)裂縫類似的早期裂縫，試驗(yàn)的特性曲線亦與以前的試驗(yàn)結(jié)果相同，梁的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力平均為0.05弧度，是SAC經(jīng)過研究后確定的目標(biāo)值0．03弧度的1／6，說明北嶺地震前鋼框架節(jié)點(diǎn)連接性能很差，這與地震中的連接破壞是吻合的。而且破壞前沒有看到或很少看到有延性表現(xiàn)，與設(shè)想能發(fā)展很大延性e6鋼框架設(shè)計(jì)意圖是違背的。焊接鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞，主要發(fā)生在梁的下翼緣，而且一般是由焊縫根部萌生的脆性破壞裂紋引起的。裂紋擴(kuò)展的途徑是多樣的，由焊根進(jìn)入母材或熱影響區(qū)。一旦翼緣壞了，由螺栓或焊縫連接的剪力連接板往往被拉開，沿連接線由下向上擴(kuò)展。最具潛在危險(xiǎn)的是由焊縫根部通過柱翼緣和腹板擴(kuò)展的斷裂裂縫。從破壞的程度看，可見裂縫約占20-30％，大量的是用超聲波探傷等方法才能發(fā)現(xiàn)的不可見裂紋。裂紋在上翼緣和下翼緣之間出現(xiàn)的比例為1:5-1:20，在焊縫和母材上出現(xiàn)的比例約為1:10到1:100。一般認(rèn)為，混凝土樓板的組合作用減小了上翼緣的破壞，也有人認(rèn)為上翼緣焊縫根部不像下翼緣那樣位于梁的最外側(cè)，因此焊根中引起的應(yīng)力較低，減少了上翼緣破壞的概率。

美國(guó)斯坦福大學(xué)KRAWINKLER教授對(duì)北嶺地震中幾種主要連接破壞形式作了歸納，由下翼緣焊縫根部開始出現(xiàn)的這樣或那樣的破壞，最多的是沿焊縫金屬的邊緣破壞，另有沿柱翼緣表面附近裂開的剝離破壞，也有沿腹板板切角端部開始的梁翼緣斷裂破壞，或從柱翼緣穿透柱腹板的斷裂破壞。

北嶺地震雖然沒有使鋼框架房屋倒塌，也沒有因鋼框架節(jié)點(diǎn)破壞引起人身傷亡，但使業(yè)主和保險(xiǎn)公司支付了大量的修復(fù)費(fèi)用。僅就檢查費(fèi)用而言，不需挪動(dòng)石棉時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)800-1000美元，需挪動(dòng)石棉時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)1000-2000美元，對(duì)于有石膏抹灰和吊頂?shù)母呒?jí)住宅，每個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)2000-5000美元，修復(fù)費(fèi)用更高211。更重要的當(dāng)然是對(duì)過去長(zhǎng)期沿用的節(jié)點(diǎn)在抗震中的安全問題提出了疑問，必須認(rèn)真研究和解決。

（二）日本販神地震后對(duì)鋼框架節(jié)點(diǎn)破壞的調(diào)查

阪神地震后，日本建設(shè)省建筑研究所成立了地震對(duì)策本部，組織了各方面人士多次參加的建筑應(yīng)急危險(xiǎn)度和震害的調(diào)查，民間有關(guān)團(tuán)體也開展了各類領(lǐng)域的震害調(diào)查，但因鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)于其它結(jié)構(gòu)的震害較少，除新發(fā)現(xiàn)了鋼柱脆斷或柱腳拔起外，鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞主要表現(xiàn)在扇形切角(SCALLOP)工藝孔部位，但因結(jié)構(gòu)體被內(nèi)外裝修所隱蔽，一般業(yè)主、設(shè)計(jì)或施工人員對(duì)此震害調(diào)查不太積極，對(duì)鋼框架系統(tǒng)震害的調(diào)查遇到一定困難。盡管如此，日本學(xué)者還是就腹板切角工藝孔方面的問題進(jìn)行了探索，如日本建筑學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)連接委員會(huì)和鋼材俱樂部等單位，專就工藝孔破壞狀態(tài)等問題作了系統(tǒng)深入的研究。

日本對(duì)于混合連接的研究，早在1978年以后的石油危機(jī)中，就曾利用建筑處于低潮機(jī)會(huì)結(jié)合自屏蔽電弧焊的出現(xiàn)和應(yīng)用，系統(tǒng)地開展過。進(jìn)入90年代后，隨著高層、超高層和大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的增多，梁柱截面增大，若采用過去的梁懸臂段形式，由于運(yùn)輸尺寸上的限制，懸臂長(zhǎng)度大致不能超過1M；另一方面，由于梁翼緣板厚增大，拼接螺栓增多，結(jié)果梁端至最近螺栓的距離只有500MM左右，截面受到很大削弱，對(duì)保證梁端塑性變形很不利。這樣，在大型鋼結(jié)構(gòu)工程中，現(xiàn)在較多采用梁與柱的混合連接。圖1是采用箱形柱時(shí)的混合連接示意圖梁翼緣與箱形柱隔板直接焊接。日本在美國(guó)北嶺地震前不久，曾對(duì)此種連接進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，梁端翼緣焊縫處的破壞幾乎都是在梁下翼緣從扇形切角工藝孔端開始的，沒有看到象在美國(guó)試驗(yàn)中和地震中出現(xiàn)的沿焊縫金屬及其邊緣破壞的情況，通過試驗(yàn)和版神地震觀察到的梁端工藝孔處的裂縫發(fā)展情況。

日本鋼材俱樂部研究了扇形切角工藝孔帶襯板及底部有焊縫的兩種節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。美、日兩國(guó)鋼框架在地震中的梁柱節(jié)點(diǎn)破壞形式是有區(qū)別的，北嶺地震中的裂縫多向柱段范圍擴(kuò)展，而阪神地震中的裂縫則多向梁段范圍發(fā)展。對(duì)兩國(guó)節(jié)點(diǎn)破壞情況的這種差異與其與構(gòu)造差異的關(guān)系，還有待進(jìn)一步探討。

二、節(jié)點(diǎn)破壞原因與分析

北嶺地震后，美日兩國(guó)學(xué)者就節(jié)點(diǎn)破壞原因，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、有限元分析、斷裂力學(xué)分析等，還作了很多補(bǔ)充試驗(yàn)，結(jié)合震前研究，對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞原因提出了一些看法。首先認(rèn)為節(jié)點(diǎn)破壞與加勁板、補(bǔ)強(qiáng)板腹板附加焊縫等的變動(dòng)，并沒有什么直接關(guān)系，也并不是僅由設(shè)計(jì)或施工不良所能說明的，而是應(yīng)從節(jié)點(diǎn)本身存在根本性缺陷方面去找原因。有以下幾方面因素，被認(rèn)為是決定和影響節(jié)點(diǎn)性能而導(dǎo)致了破壞。

（一）焊縫金屬?zèng)_擊韌性低

美國(guó)北嶺地震前，焊縫多采用E70T-4或E70T-7自屏蔽藥芯焊條施焊，這種焊條提供的最小抗拉強(qiáng)度480MPA，恰帕沖擊韌性無規(guī)定，試驗(yàn)室試件和從實(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10-15J，這樣低的沖擊韌性使得連接很易產(chǎn)生脆性破壞，成為引發(fā)節(jié)點(diǎn)破壞的重要因素。在北嶺地震后不久所作的大型驗(yàn)證性試驗(yàn)，對(duì)焊縫進(jìn)行十分仔細(xì)的操作，做到了確保焊接質(zhì)量，排除了焊接操作產(chǎn)生的影響。焊縫采用E70T-4型低韌性焊條，盡管焊接操作的質(zhì)量很高，連接還是出現(xiàn)了早期破壞，從而證明了焊接縫金屬?zèng)_擊韌性低，是焊接破壞的因素之一。

（二）焊縫存在的缺陷

對(duì)破壞的連接所作調(diào)查表明，焊接質(zhì)量往往很差，很多缺陷可以看出明顯違背了規(guī)范規(guī)定的焊接質(zhì)量要求，不但焊接操作有問題，焊縫檢查也有問題。很多缺陷說明，裂縫萌生在下翼緣焊縫中腹板的焊條通過孔附近，該處的下翼緣焊縫是中斷的，使缺陷更為明顯。該部位進(jìn)行超聲波檢查也比較困難，因?yàn)榱焊拱宸恋K探頭的設(shè)置。因此，主要的連接焊縫中由于施焊困難和探傷困難出現(xiàn)了質(zhì)量極差的部位。上冀緣焊縫的施焊和探傷不存在梁腹板妨礙的問題，因此可以認(rèn)為是上翼緣焊縫破壞較少的原因之一。

（三）坡口焊縫處的襯板和引弧板造成人工縫

實(shí)際工程中，往往焊接后將焊接襯板留在原處，這種做法已經(jīng)表明，對(duì)連接的破壞具有重要影響。在加州大學(xué)進(jìn)行的試驗(yàn)表明，襯板與柱翼緣之間形成一條未熔化的垂直界面，相當(dāng)于一條人工縫，在梁翼緣的拉力作用下會(huì)使該裂縫擴(kuò)大，引起脆性破壞。其它人員的研究也得出相同結(jié)果。

1995年加州大學(xué)Popov等所作的試驗(yàn)，再現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的脆性破壞，破裂的速度很高，事前并無延性表現(xiàn)，因此破壞是災(zāi)難性的。研究指出，受拉時(shí)切口部位應(yīng)力最大，破壞是三軸應(yīng)力引起的，表現(xiàn)為脆性破壞，外觀無屈服。他們還通過有限元模擬計(jì)算，得出最大應(yīng)力集中系數(shù)出現(xiàn)在梁緣焊接襯板連接處中部，破壞時(shí)裂縫將從應(yīng)力集中系數(shù)最大的地方開始，此一結(jié)論已為試驗(yàn)所證實(shí)。研究表明：大多數(shù)節(jié)點(diǎn)破壞都起源于下部襯板處。引弧板同樣也會(huì)引發(fā)裂縫。

（四）梁翼緣坡口焊縫出現(xiàn)的超應(yīng)力

北嶺地震后對(duì)震前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的分析表明，當(dāng)梁發(fā)展到塑性彎矩時(shí)，梁下翼緣坡口焊縫處會(huì)出現(xiàn)超高應(yīng)力。超應(yīng)力的出現(xiàn)因素有：當(dāng)螺栓連接的腹板不足以參加彎矩傳遞時(shí)，柱翼緣受彎導(dǎo)致梁翼緣中段存在著較大的集中應(yīng)力；在供焊條通過的焊接工藝孔處，存著附加集中應(yīng)力；據(jù)觀察，有一大部分剪力實(shí)際是由翼緣焊縫傳遞，而不是像通常設(shè)計(jì)假設(shè)的那樣由腹板的連接傳遞。梁翼緣坡口焊縫的應(yīng)力很高，很可能對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞起了不利影響。Popov[4]采用8節(jié)點(diǎn)塊體單元有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布的最高應(yīng)力點(diǎn)，是在梁的翼緣焊縫處和節(jié)點(diǎn)板域，節(jié)點(diǎn)板域的屈服從中心開始，然后向四周擴(kuò)散。嶺前進(jìn)行的大量試驗(yàn)表明，當(dāng)焊縫不出現(xiàn)裂紋時(shí)，節(jié)點(diǎn)受力情況也常常不能滿足坡口焊縫近處梁翼緣母材不出現(xiàn)超應(yīng)力的要求。日本利用震前帶有工藝孔的節(jié)點(diǎn)，在試驗(yàn)荷載下由應(yīng)變儀測(cè)得的工藝孔端點(diǎn)翼緣內(nèi)外的應(yīng)變分布，應(yīng)變集中傾向出現(xiàn)在翼緣外側(cè)端部，內(nèi)側(cè)則在工藝孔端部，最大應(yīng)變發(fā)生在工藝孔端點(diǎn)位置上。應(yīng)變集中的原因，不僅大于工藝孔造成的不連續(xù)性，還在于工藝孔部分梁腹板負(fù)擔(dān)的一部分剪力由翼緣去承擔(dān)了，使翼緣和柱隔板上產(chǎn)生了二階彎曲應(yīng)力。這些試驗(yàn)與分析均指出，今后對(duì)節(jié)點(diǎn)性？改善焊縫，而且還應(yīng)降低梁翼緣坡口焊縫處的應(yīng)力水平。

（五）其它因素

有很多其它因素也被認(rèn)為對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞產(chǎn)生潛在影響，包括：梁的屈服應(yīng)力比規(guī)定的最小值高出很多；柱翼緣板在厚度方向的抗拉強(qiáng)度和延性不確定；柱節(jié)點(diǎn)域過大的剪切屈服和變形產(chǎn)生不利影響；組合樓板產(chǎn)生負(fù)面影響。這些影響因素可能還需要一定時(shí)間進(jìn)行爭(zhēng)論，才能弄清楚。

三、我國(guó)采取的對(duì)策

我國(guó)早期的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)基本上都是國(guó)外設(shè)計(jì)的，我國(guó)的設(shè)計(jì)施工規(guī)程是在學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上制訂的。由于日本設(shè)計(jì)的我國(guó)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑較多，我國(guó)的設(shè)計(jì)、制作和安裝人員對(duì)日本的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法比較熟悉，設(shè)計(jì)規(guī)定特別是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，大部分是參照日本規(guī)定適當(dāng)考慮我國(guó)特點(diǎn)制訂的，部分規(guī)定吸收了美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)北嶺地震和日本阪神地震后所發(fā)表的報(bào)道，對(duì)我們有很大啟示，在我國(guó)抗震規(guī)范中對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)擬提出如下建議：

1．將梁截面局部削弱，可以確保塑性鉸外移，這種構(gòu)造具有優(yōu)越的抗震性能。根據(jù)美國(guó)報(bào)道，梁翼緣削弱后可將受彎承載力降至0.8Mp，因鋼材用量要增多，結(jié)合我國(guó)情況作為主要形式推廣將難以接受，可將此方案列入了條文說明，必要時(shí)可參考采用。

2．參考日本新規(guī)定，將混合連接上端扇形切角的上部圓弧半徑改為10-15mm，與半徑35mm的切角相接；同時(shí)，規(guī)定圓弧起點(diǎn)與襯板外側(cè)焊縫間保持10-15mm的間隔，以減小焊接熱影響區(qū)的相互影響。至于日本采用的不開切角以及直通式不設(shè)切角的構(gòu)造，因?yàn)槲覀儧]有經(jīng)驗(yàn)，不敢貿(mào)然采用，有持今后對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證后再作取舍。

3．在消除襯板的缺口效應(yīng)方面，考慮割除襯板弄得不好會(huì)傷及母材，且費(fèi)用較高，故采用角焊縫封閉襯板邊緣的方法。上翼緣襯板影響較小，暫不作處理。下翼緣襯板邊緣建議用6mm角焊縫沿下翼緣全寬封閉。因仰焊施工不便，角焊縫最多只能做到6mm；為了更好地消除缺口效應(yīng)，應(yīng)要求焊沿翼緣全寬滿焊。

4．在翼緣焊接腹板栓接的混合連接中，按照彎矩僅由翼緣連接承受和剪力僅由腹板連接承受的原則設(shè)計(jì)時(shí)，在某些情況下是不安全的，因?yàn)楫?dāng)腹板的截面模量較大時(shí)，腹板要承受一部分彎矩?？拐鹨?guī)范修訂草案除規(guī)定腹板螺栓連接應(yīng)能承受梁端屈服時(shí)的剪力外，還規(guī)定當(dāng)梁翼緣截面模量小于梁截面模量70％時(shí)，腹板螺栓不得少于2列，每列的螺栓數(shù)不得少于采用一列時(shí)的數(shù)量。

5．我國(guó)在梁翼緣對(duì)應(yīng)位置設(shè)置的柱加勁肋，從一開始就注意到了日本的經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定了與梁翼緣等厚，北嶺地震表明這樣規(guī)定是適合的。

6．翼緣焊縫的沖擊韌性要滿足-30℃時(shí)27J的要求，這種試驗(yàn)我國(guó)過去沒有做過，對(duì)于我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)制作單位是否可以做到，需待調(diào)查后再確定是否列入。這時(shí)要附帶說明，美國(guó)SAC的有關(guān)規(guī)定是適用于美國(guó)3、4類地區(qū)，大體相當(dāng)于7度強(qiáng)、8、9度地區(qū)，我國(guó)6度地區(qū)可適當(dāng)放寬。

參考文獻(xiàn)：

[1]田中淳夫，梁端混合連接，建筑技術(shù)（日），1994.9.

[2]本建筑學(xué)會(huì)，鐵骨構(gòu)造技術(shù)指針(JASS 6)，1996.

[3]日本建筑學(xué)會(huì)，鐵骨工事技術(shù)指針--工場(chǎng)制作編，5.16新技術(shù)新工法介紹，1996.

[4]吳志超，框架梁剛性連接焊接節(jié)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)，1997.3.

[5]B．S．Taranath，Steel，Concrete，composite Design of tall Buildings，second edition，McGraw-Hill，965-975.

[6]蔡益燕，美國(guó)鋼框架節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)研究動(dòng)向，高層建筑抗震技術(shù)交流會(huì)論文集，1997.11.9-11.12.P187-196，廣東珠海，中國(guó)抗震防災(zāi)研究會(huì)高層建筑抗震專業(yè)委員會(huì).