鋼框架梁柱節(jié)點抗震措施探究

【摘要】我國為地震多發(fā)國家，在強烈地震作用下，鋼框架存在結(jié)構(gòu)局部破壞甚至整體倒塌的風(fēng)險。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中提及的“塑性鉸外移”思想，對加強型節(jié)點和削弱型節(jié)點的抗震構(gòu)造措施的研究現(xiàn)狀進行了綜述，并展望了鋼框架梁柱節(jié)點抗震措施的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】鋼框架； 加強型； 削弱型； 塑性鉸

【中圖分類號】TU391A

0 引言

相較于混凝土結(jié)構(gòu)而言，鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕，強度高，塑性性能好，施工周期短等優(yōu)點，同時滿足可以建筑工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，能夠有效降低建筑業(yè)碳排放，推動可持續(xù)發(fā)展，因此鋼結(jié)構(gòu)建筑被大力推廣使用。

在經(jīng)歷了美國北鄰以及日本阪神地震后，人們發(fā)現(xiàn)在地震作用下，在鋼框架梁柱節(jié)點的焊接處極易出現(xiàn)脆性破壞，造成非常嚴重的后果。大量的震害研究結(jié)果表明，在地震中建筑物及基礎(chǔ)設(shè)施造成的損失十分巨大，占地震造成的總損失的70%以上，說明了地震對建筑物的危害性非常之大［1］。我國為地震多發(fā)國家，隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用日趨廣泛，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能尤為重要。為防止鋼框架梁柱節(jié)點在地震作用下發(fā)生嚴重破壞，相關(guān)學(xué)者提出了“塑性鉸外移”的思想，目的是使破壞發(fā)生在柱面距離梁一定位置處。

文中依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計結(jié)合“塑性鉸外移”思想，介紹了加強型節(jié)點和削弱型節(jié)點的研究現(xiàn)狀，并提出了節(jié)點未來的發(fā)展展望，供工程實際參考。

1 加強型節(jié)點

加強型節(jié)點是在梁連接端采取相應(yīng)的構(gòu)造措施對其進行局部加強，從而增大對應(yīng)位置處的抗彎剛度，這樣就會在加強梁段端部產(chǎn)生塑性鉸，從而實現(xiàn)“塑性鉸外移”，同時使破壞發(fā)生在遠離梁柱翼緣腹板交接界面處。采取了加強構(gòu)造措施的節(jié)點，在地震荷載作用下，既能避免鋼框架梁柱節(jié)點連接焊縫處發(fā)生脆性破壞，又能讓結(jié)構(gòu)整體擁有較好的承載力、延性性能、耗能能力。常見的加強型節(jié)點主要包括：蓋板加強型節(jié)點［2-3］、帶肋加強型節(jié)點［4-5］、翼緣加強板加強型節(jié)點［6］，如圖1所示。

1.1 蓋板加強型節(jié)點

Kim T等［2］對5個蓋板加強型節(jié)點進行了循環(huán)加載的試驗研究，并建立了相關(guān)的有限元模型，研究表明：各個試件均未在連接處發(fā)生脆性破壞，塑性鉸均在遠離鋼柱翼緣的位置產(chǎn)生，梁翼緣、腹板部位均出現(xiàn)了不同程度的局部屈曲的變形。采用蓋板的節(jié)點強度要優(yōu)于普通節(jié)點強度，其中矩形蓋板要優(yōu)于梯形蓋板。

曹書文等［3］采用有限元軟件ABAQUS研究了梁截面參數(shù)（翼緣寬厚比、腹板高厚比）的改變對蓋板加強型節(jié)點抗震性能的影響。結(jié)果表明：翼緣寬厚比的改變對退化程度和退化速率影響較大，對起始退化位置影響較小而腹板高厚比的改變對起始退化位置影響較大。

1.2 帶肋加強型節(jié)點

馬洪偉等［4］設(shè)置了1個對稱雙肋板加強型節(jié)點（RRN）試件和1個普通的試件，通過施加低周往復(fù)荷載研究其抗震性能，同時運用有限元軟件ABAQUS進行了數(shù)值分析。結(jié)果表明：通過兩個節(jié)點的滯回曲線、骨架曲線、延性性能、耗能能力以及剛度退化等抗震性能指標中可以發(fā)現(xiàn)，雙肋板加強型節(jié)點相較于普通型節(jié)點而言，承載能力更高，抗震性能更好。

李風(fēng)軍等［5］為了對比研究肋板加強型節(jié)點和普通節(jié)點鋼框架的抗震性能，通過有限元軟件ANSYS建立了數(shù)值模型，分析兩類鋼框架的破壞形態(tài)、抗震能力耗能能力等指標。結(jié)果表明：加肋加強型節(jié)點可以實現(xiàn)塑性鉸外移從而保護節(jié)點發(fā)生脆性破壞，且相較于普通節(jié)點有更好的抗震性能，推薦在強震區(qū)使用。

1.3 翼緣加強板加強型

楊璐等［6］通過有限元軟件ABAQUS建立模型對比分析了翼緣加強板加強型節(jié)點與普通鋼框架節(jié)點。結(jié)果表明：新型節(jié)點與傳統(tǒng)節(jié)點相比，應(yīng)力分布更均勻，承載能力更高。采用翼緣加強板的構(gòu)造措施，可以有效改善節(jié)點區(qū)域應(yīng)力分布，使塑性鉸由兩端向跨中移動，從而保護節(jié)點。

1.4 組合加強型節(jié)點

基于上述的加強型節(jié)點的特點，部分學(xué)者對不同加強措施相結(jié)合的組合加強型節(jié)點進行了相關(guān)研究。包括：康寅［7］對肋板-蓋板非對稱加強型節(jié)點進行了抗震性能分析，節(jié)點如圖2（a）所示。林建軍等［8］對肋板-翼緣加強板非對稱加強型節(jié)點進行了抗震性能分析，節(jié)點如圖2（b）所示。兩類組合加強型節(jié)點均表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。

2 削弱型節(jié)點

削弱型節(jié)點是在梁端對應(yīng)位置處梁截面進行合理削弱，降低局部抗彎剛度，從而使塑性鉸發(fā)生在指定位置的節(jié)點形式。采取了削弱構(gòu)造措施的節(jié)點，在地震荷載作用下，能使破壞在遠離梁端發(fā)生，同時大大提高結(jié)構(gòu)的耗能能力。常見的削弱型節(jié)點主要包括：狗骨式節(jié)點［9］、腹板開孔型節(jié)點［10］、梁不等高型節(jié)點［11］ 、局部波紋腹板型節(jié)點［12-13］，如圖2所示。

2.1 狗骨式節(jié)點

Sofias C E等［9］對狗骨式削弱型節(jié)點進行了試驗研究，同時分析了不同狗骨式結(jié)構(gòu)參數(shù)下對節(jié)點抗震性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：狗骨式削弱型節(jié)點在試驗中表現(xiàn)出良好的抗震性能，同時塑性鉸在狗骨削弱區(qū)域形成，實現(xiàn)了外移達到了保護節(jié)點的作用。

2.2 腹板開孔型節(jié)點

石麗輝等［10］通過有限元軟件ABAQUS建立了梁腹板開洞型梁柱節(jié)點模型并進行了抗震模擬。研究表明：腹板開孔高度為關(guān)鍵因素，當開孔高度不大于梁截面高度的0.47時，無法有效實現(xiàn)塑性鉸外移，最后建議腹板開孔高度為翼緣寬的0.53，開孔長度為翼緣寬的0.5。

工程結(jié)構(gòu)向映名， 黃治銘， 殷洪， 等： 鋼框架梁柱節(jié)點抗震措施探究

2.3 梁不等高型節(jié)點

在距離柱翼緣一定距離降低梁腹板高度并對翼緣進行相改動，從而形成所謂的梁不等高型截面。劉明明等［11］采用有限元軟件ABAQUS對不同削弱參數(shù)取值的梁不等高削弱型節(jié)點進行了數(shù)值模擬分析。研究表明：梁不等高型節(jié)點具有良好的滯回性能與耗能能力，且梁下翼緣焊縫處的應(yīng)力明顯小于上翼緣焊縫處應(yīng)力。

2.4 局部波紋腹板型節(jié)點

局部波紋腹板削弱型節(jié)點為近幾年提出的新型節(jié)點，在不影響梁抗剪能力的前提下，利用波紋腹板的折疊效應(yīng)實現(xiàn)塑性鉸外移，從而達到保護節(jié)點的作用。不同學(xué)者對不同的波紋形式進行了參數(shù)化（波紋位置、波紋長度、波紋寬帶、波紋厚度、波紋數(shù)量等）的抗震性能研究，發(fā)現(xiàn)：波紋位置是影響塑性鉸能否外移的關(guān)鍵因素，并給出了不同參數(shù)的設(shè)計取值范圍。其中白丹［12］研究的波浪型局部波紋腹板，如圖4（a）所示；詹淑貞等［13］研究的是雙正弦型局部波紋腹板，如圖4（b）所示。

3 未來展望

加強型節(jié)點和削弱型節(jié)點雖然都能實現(xiàn)塑性鉸外移，防止節(jié)點發(fā)生脆性破壞，達到保護節(jié)點的作用，但這兩類節(jié)點任然存在著缺點。加強型節(jié)點往往需要在梁翼緣端部加強區(qū)域進行焊接加強措施，過多的焊接部件使得焊縫質(zhì)量得不到保障，同時結(jié)構(gòu)會因為焊縫的存在參數(shù)殘余應(yīng)力，從而出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。削弱型節(jié)點通過降低局部梁截面抗彎剛度實現(xiàn)塑性鉸外移，但這往往會是結(jié)構(gòu)整體的承載能力降低，當削弱程度過大時，結(jié)構(gòu)整體承載性能達不到要求，往往會適得其反。

加強型和削弱型節(jié)點各具優(yōu)劣，如果將“加強”和“削弱”的思想用于同一節(jié)點，可以達到取長補短的目的，實現(xiàn)“1+1≥2”的效果。目前國內(nèi)少數(shù)學(xué)者對部分加強+削弱組合節(jié)點進行了研究，包括：翼緣擴大腹板開孔型節(jié)點［14］、翼緣加強型狗骨式節(jié)點［15］、蓋板加強型狗骨式節(jié)點［16］。

但這類加強+削弱組合節(jié)點目前僅僅停留于數(shù)值模擬階段，還未進行試驗驗證以及理論研究，加上近年來涌現(xiàn)出類似“局部波紋腹板”的新型節(jié)點，也將產(chǎn)生出了越來越多的組合形式供學(xué)者們進行研究，以供工程實際參考。

4 結(jié)論

為了解決在強烈地震作用下，鋼框架梁柱節(jié)點連接處發(fā)生脆性破壞，避免人員傷亡以及財產(chǎn)損失。文章依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計結(jié)合“塑性鉸外移”思想，從加強型節(jié)點和削弱型節(jié)點的研究現(xiàn)狀發(fā)出，主要介紹了蓋板加強型節(jié)點、帶肋加強型節(jié)點、翼緣加強板加強型節(jié)點、組合加強型以及狗骨式節(jié)點、腹板開孔型節(jié)點、梁不等高型節(jié)點、局部波紋腹板型節(jié)點。最后總結(jié)了加強型節(jié)點和削弱型節(jié)點的優(yōu)缺點，提出了未來可以將加強和削弱的思想相結(jié)合，研究新型組合節(jié)點的展望，供學(xué)者及工程實際參考。

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