關(guān)鍵詞：建筑；框架；研究 

　　1 梁柱節(jié)點(diǎn)在高層鋼結(jié)構(gòu)中的地位 

　　梁柱節(jié)點(diǎn)是高層鋼結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位，其設(shè)計(jì)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(jià)。梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思想不僅受到抗震設(shè)計(jì)理論的影響，同時(shí)也受到加工工藝、施工手段、造價(jià)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(diǎn)設(shè)計(jì)是高層鋼結(jié)構(gòu)中最具份量的設(shè)計(jì)之一。 

　　2高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的形式演變 

　　此時(shí)比較典型的節(jié)點(diǎn)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)�來噪音使得都市市民無法忍受，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(diǎn)的連接形式由全鉚釘連接變?yōu)楣�廠鉚釘連接、現(xiàn)場普通螺栓連接的鉚釘、螺栓共存的形式。這時(shí)，比較典型的節(jié)點(diǎn)形式。50年代，性能優(yōu)良的高強(qiáng)螺栓的出現(xiàn)標(biāo)志著鉚釘連接被淘汰。 

　　五、六十年代，人們開始認(rèn)識(shí)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(diǎn)。特別是六十年代出現(xiàn)的焊接性能優(yōu)良的A-36號(hào)鋼的上市，更是大大推進(jìn)了焊接技術(shù)的應(yīng)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(qiáng)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(jìn)一步提高再一次大大推進(jìn)了高層建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的發(fā)展。 

　　它是Northridge地震后最先提出的一種改進(jìn)方案。其設(shè)計(jì)思想是加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)承載能力。這種節(jié)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的大尺寸試件研究時(shí)，延性要好于以往的節(jié)點(diǎn)，但有時(shí)也出現(xiàn)脆性破壞。對(duì)于這種節(jié)點(diǎn)，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(shí)將使坡口焊很大，致使焊縫的收縮、復(fù)原等更加困難，同時(shí)更容易在梁翼緣和蓋板的交界處產(chǎn)生更大的殘余應(yīng)力。 

　　它用兩個(gè)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(dāng)托座與柱翼緣通過螺栓連接時(shí)一定要使用大的、高強(qiáng)度螺栓，以保證節(jié)點(diǎn)為剛性連接。這種節(jié)點(diǎn)形式在實(shí)驗(yàn)室研究中也表現(xiàn)出很好的延性，但造價(jià)相對(duì)較高，這種節(jié)點(diǎn)形式的設(shè)計(jì)思路是通過加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)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(jí)，最大地面加速度約為美國地震設(shè)計(jì)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(jìn)行的嚴(yán)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(diǎn)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(jí)Kobe地震（阪神地震），地震也使大量鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生破壞，地震中的鋼結(jié)構(gòu)，雖然其設(shè)計(jì)依據(jù)和施工方法與美國有所區(qū)別，但節(jié)點(diǎn)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(diǎn)形式如圖1.10所示。在此節(jié)點(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)脆性破壞原因分析 

　　經(jīng)過地震后的研究和調(diào)查，各國學(xué)者紛紛總結(jié)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)： 

　　4.1材料屬性 

　　盡管鋼材通常被認(rèn)為是延性材料，但是這只是在小截面桿處于單向軸應(yīng)力狀態(tài)的普通情況下才是真實(shí)的，此時(shí)，均勻的小橫截面桿不會(huì)受到側(cè)向約束，允許側(cè)向收縮，到達(dá)強(qiáng)度極限時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頸縮和剪切滑移層。 

　　鋼材的斷裂韌性是另一個(gè)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(bào)告，但是它們往往被當(dāng)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(shí)，很可能會(huì)嚴(yán)重地降低熱影響區(qū)（HAZ）的韌性。同時(shí)，高溫交叉和熱量輸入也會(huì)降低某些焊縫的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。 

　　焊接金屬的斷裂韌性是另外一個(gè)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(jí)，允許使用通常的自我防護(hù)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(shí)際的焊縫韌性在20℃時(shí)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(dāng)受到周期性荷載時(shí)，節(jié)點(diǎn)通常很容易就發(fā)生脆性斷裂。 

　　另外一個(gè)關(guān)于鋼材力學(xué)屬性的重要事實(shí)是鋼材的實(shí)際強(qiáng)度往往要比設(shè)計(jì)中假設(shè)的強(qiáng)度大得多，從而使得設(shè)計(jì)者無法有根據(jù)地進(jìn)行設(shè)計(jì)。 

　　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(shí)則困難得多，因?yàn)榱旱母拱宀辉试S沿翼緣寬度進(jìn)行連續(xù)焊接，焊接工需要將焊條穿過焊接工藝孔而達(dá)到翼緣的邊緣，因此，適當(dāng)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(duì)于某些應(yīng)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(huì)導(dǎo)致焊接工藝孔和剪切板相交叉。 　　地震后對(duì)破壞節(jié)點(diǎn)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(dāng)?shù)暮竿福ǖ胶附訅|板上了）現(xiàn)象、焊縫之間不適當(dāng)?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(gè)區(qū)域是問題最多的地方，因此，焊接工必須進(jìn)行特殊的培訓(xùn)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(shí)，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(dāng)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(gè)方面因素的影響：（1）隨著完全熔合區(qū)的減小，局部應(yīng)力等級(jí)被提高；（2）有害凹槽（即人工裂紋）降低了節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的抗斷裂能力進(jìn)一步被削弱。 

　　4.3 檢查、驗(yàn)收 

　　規(guī)范中保證質(zhì)量時(shí)使用的主要方法是在整個(gè)過程中不斷進(jìn)行監(jiān)控、檢查。雖然超聲波（UT）已成為確認(rèn)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(dāng)?shù)目刂�。這些可能的變化包括預(yù)熱、焊接電流值、電壓值、焊接速度、焊條的擴(kuò)展、極性和焊珠順序。在焊接過程中不斷進(jìn)行監(jiān)控對(duì)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(diǎn)上，使得節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)超載并引起發(fā)生斷裂。眾所周知，應(yīng)力-應(yīng)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(shí)必然會(huì)吸收巨大的塑性能量。但是，當(dāng)屈服點(diǎn)比預(yù)料值要高時(shí)，屈服就不會(huì)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(huì)被傳遞到節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度為250MPa。而在二十年前，A36鋼材的平均屈服強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到290MPa，到1994年，平均屈服強(qiáng)度已經(jīng)升至大約330MPa。此平均值比許多設(shè)計(jì)的假設(shè)值高1/3還多。當(dāng)330MPa是平均值時(shí)，某些鋼材的屈服強(qiáng)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(dāng)構(gòu)件比較光滑、沒有凹槽時(shí)才能表現(xiàn)出來。當(dāng)存在凹槽時(shí)，即使是軸向受拉試件，其屈服應(yīng)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(diǎn)的構(gòu)造就是如此，當(dāng)水平梁翼緣和垂直柱翼緣相交時(shí)，必然就會(huì)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(fù)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(diǎn)和框架節(jié)點(diǎn)方面展開較大規(guī)模研究的只有中國建筑科學(xué)研究院和清華大學(xué)。從目前的研究報(bào)告看，他們已經(jīng)在高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的形式、試驗(yàn)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(duì)節(jié)點(diǎn)的研究成果并不多，理論方面的研究更是比較薄弱。