【摘 要】隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也越來越廣,其良好的抗震性能得到了很好的應(yīng)用和展現(xiàn),鋼結(jié)構(gòu)在我國抗震建筑可謂地位“顯赫”。那么,面對應(yīng)用如此廣泛的鋼結(jié)構(gòu)建筑,怎樣才能改進(jìn)其易在地震中出現(xiàn)脆性破壞的節(jié)點(diǎn)問題也自然成為眾多鋼結(jié)構(gòu)工程師關(guān)注的重點(diǎn)。本文從鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)脆性破壞機(jī)理出發(fā),簡要介紹了節(jié)點(diǎn)抗震的設(shè)計(jì)原則,并提出了一系列方式方法,以期能為所需者提供借鑒。 

【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)和施工存在著問題。本文從節(jié)點(diǎn)破壞的機(jī)理入手,簡要闡述了節(jié)點(diǎn)抗震的原則及對抗震節(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)在焊接過程中容易受各種因素的影響,其中有焊縫金屬沖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)勢性能,在沒有明顯屈服現(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,特別是當(dāng)柱翼緣板材較厚時,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,以此來保證在發(fā)生地震時,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,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,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,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,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6層鋼框架,6度Ⅳ類場地和7度時,可取1.0,如果是8度的話可以使1.05,而對于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,加強(qiáng)后的梁端還沒有進(jìn)入到全截面塑性剪力狀態(tài)時,在梁端附近因?yàn)榱旱慕孛孑^小,往往會先行形成一個塑性鉸而出現(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,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,變形發(fā)生部位可用側(cè)板長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,則會增加柱的腹板高度或增大節(jié)點(diǎn)域腹板厚,其對于整個框架結(jié)構(gòu)抗震來說,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 
  此種方法是通過梁的塑性儲備來吸收、耗散地震輸入能量,以此來改進(jìn)節(jié)點(diǎn)。此種方法通過削弱梁截面從而人為限定塑性鉸形成的位置和長度,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,塑性鉸發(fā)生在梁削弱處從而出現(xiàn)塑性破壞。同時,讓較長的一段梁可同時進(jìn)入塑性。當(dāng)梁翼緣被削掉50%時,結(jié)構(gòu)剛度僅下降6%-7%;在削弱40%時,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)的方法在美國和臺灣等地區(qū)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中有著廣泛的應(yīng)用,我國天津的國貿(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,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有被充分利用。對整個梁來說,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)力集中的問題,施工中對加工工藝精度要求高,工序復(fù)雜、費(fèi)用高。 
  3.3 梁腹板開槽型節(jié)點(diǎn)法 
  腹板上開槽對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,削弱后的腹板在進(jìn)行安裝時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,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)對鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點(diǎn)的深層次研究,爭取能夠更好地完善對節(jié)點(diǎn)抗震的研究。 
  參考文獻(xiàn): 
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  [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).