美日堅鋼框架節點設計的改進

楊　志

[摘要]1994年1月17日發生在美國加州圣費南多谷地的北嶺地震(Northridge Earthquake)和正好一年后1995年1月17日發生在日本兵庫縣南部地區的阪神地震(Hyogoken-Nanbu Earthquake)是兩次陸域型強震，都導致了焊接鋼框架梁-柱附性連接節點的廣泛破壞。震后兩國進行了大量的調查和研究，揭示了破壞的原因，在此基礎上提出改進鋼框架節點設計的技術措施。兩國在此期間都發表不少論文，所作的討論開拓人們的眼界，提供對鋼框架的節點設計的更多了解，對今后鋼框架節點設計有深遠的影響。

[關鍵詞]堅鋼框架 抗震防災 抗震設計 節點設計 襯板

中圖分類號：TU3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220117－02

一、美日兩國鋼框架節點的破壞情況

（一）美國北嶺地震后對剛框架節點破壞的調查

從70年代以來，美國采用高強螺栓連接鋼框架已很普遍，北嶺地震后出現破壞的有100多幢。為了弄清破壞的原因，北嶺地震后不久，在美國聯邦應急管理局(FEMA)資肋下，有加州結構工程協會(SEAOC)、應用技術研究會(ATC)和加州一些大學的地震工程研究單位(CU)等組成了被稱為SAC和聯合動機構，對此開展了深入調查和研究，以便弄清破壞原因和提出改進措施。

美國的鋼框架梁-柱連接，在50年代多采用鉚釘連接，60年代逐步改用高強度螺栓連接。為了評估栓焊混合連接的有效性，曾進行過一系列試驗，這種由翼緣焊縫抗彎和腹板螺栓連接抗剪的節點，美國以前規定其塑性轉角應達到0.015rad(≈1／65)，但大量試驗表明，塑性轉角的試驗結果很離散，且出現了早期破壞，總的說來性能很不穩定。北嶺地震前，德州大學教授Engelhardt就曾對這種連接在大震時的性能產生疑問，指出在大震時要密切注意，對它的的設計方法和連接構造要進行改進。

北嶺地震證實了這一疑慮，為此SAC通過柏克萊加州大學地震工程研究中心(EERC)等4個試驗場地，進行了以了解震前節點的變形響應和修復性能為目的的足尺試驗和改進后的節點試驗。對北嶺地震前通常做法的節點及破壞后重新修復節點的試驗表明全部試驗都觀察到了與現場裂縫類似的早期裂縫，試驗的特性曲線亦與以前的試驗結果相同，梁的塑性轉動能力平均為0.05弧度，是SAC經過研究后確定的目標值0．03弧度的1／6，說明北嶺地震前鋼框架節點連接性能很差，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，與設想能發展很大延性e6鋼框架設計意圖是違背的。焊接鋼框架節點的破壞，主要發生在梁的下翼緣，而且一般是由焊縫根部萌生的脆性破壞裂紋引起的。裂紋擴展的途徑是多樣的，由焊根進入母材或熱影響區。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展。最具潛在危險的是由焊縫根部通過柱翼緣和腹板擴展的斷裂裂縫。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現的不可見裂紋。裂紋在上翼緣和下翼緣之間出現的比例為1:5-1:20，在焊縫和母材上出現的比例約為1:10到1:100。一般認為，混凝土樓板的組合作用減小了上翼緣的破壞，也有人認為上翼緣焊縫根部不像下翼緣那樣位于梁的最外側，因此焊根中引起的應力較低，減少了上翼緣破壞的概率。

美國斯坦福大學KRAWINKLER教授對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，也沒有因鋼框架節點破壞引起人身傷亡，但使業主和保險公司支付了大量的修復費用。僅就檢查費用而言，不需挪動石棉時為每個節點800-1000美元，需挪動石棉時為每個節點1000-2000美元，對于有石膏抹灰和吊頂的高級住宅，每個節點達2000-5000美元，修復費用更高211。更重要的當然是對過去長期沿用的節點在抗震中的安全問題提出了疑問，必須認真研究和解決。

（二）日本販神地震后對鋼框架節點破壞的調查

阪神地震后，日本建設省建筑研究所成立了地震對策本部，組織了各方面人士多次參加的建筑應急危險度和震害的調查，民間有關團體也開展了各類領域的震害調查，但因鋼結構相對于其它結構的震害較少，除新發現了鋼柱脆斷或柱腳拔起外，鋼框架節點的破壞主要表現在扇形切角(SCALLOP)工藝孔部位，但因結構體被內外裝修所隱蔽，一般業主、設計或施工人員對此震害調查不太積極，對鋼框架系統震害的調查遇到一定困難。盡管如此，日本學者還是就腹板切角工藝孔方面的問題進行了探索，如日本建筑學會結構連接委員會和鋼材俱樂部等單位，專就工藝孔破壞狀態等問題作了系統深入的研究。

日本對于混合連接的研究，早在1978年以后的石油危機中，就曾利用建筑處于低潮機會結合自屏蔽電弧焊的出現和應用，系統地開展過。進入90年代后，隨著高層、超高層和大跨度鋼結構建筑的增多，梁柱截面增大，若采用過去的梁懸臂段形式，由于運輸尺寸上的限制，懸臂長度大致不能超過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，對保證梁端塑性變形很不利。這樣，在大型鋼結構工程中，現在較多采用梁與柱的混合連接。圖1是采用箱形柱時的混合連接示意圖梁翼緣與箱形柱隔板直接焊接。日本在美國北嶺地震前不久，曾對此種連接進行了試驗研究，結果表明，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，沒有看到象在美國試驗中和地震中出現的沿焊縫金屬及其邊緣破壞的情況，通過試驗和版神地震觀察到的梁端工藝孔處的裂縫發展情況。

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點試驗。美、日兩國鋼框架在地震中的梁柱節點破壞形式是有區別的，北嶺地震中的裂縫多向柱段范圍擴展，而阪神地震中的裂縫則多向梁段范圍發展。對兩國節點破壞情況的這種差異與其與構造差異的關系，還有待進一步探討。

二、節點破壞原因與分析

北嶺地震后，美日兩國學者就節點破壞原因，通過現場調查、室內試驗和現場檢驗，進行了結構響應分析、有限元分析、斷裂力學分析等，還作了很多補充試驗，結合震前研究，對節點破壞原因提出了一些看法。首先認為節點破壞與加勁板、補強板腹板附加焊縫等的變動，并沒有什么直接關系，也并不是僅由設計或施工不良所能說明的，而是應從節點本身存在根本性缺陷方面去找原因。有以下幾方面因素，被認為是決定和影響節點性能而導致了破壞。

（一）焊縫金屬沖擊韌性低

美國北嶺地震前，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度480MPA，恰帕沖擊韌性無規定，試驗室試件和從實際破壞的結構中取出的連接試件在室溫下的試驗表明，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生脆性破壞，成為引發節點破壞的重要因素。在北嶺地震后不久所作的大型驗證性試驗，對焊縫進行十分仔細的操作，做到了確保焊接質量，排除了焊接操作產生的影響。焊縫采用E70T-4型低韌性焊條，盡管焊接操作的質量很高，連接還是出現了早期破壞，從而證明了焊接縫金屬沖擊韌性低，是焊接破壞的因素之一。

（二）焊縫存在的缺陷

對破壞的連接所作調查表明，焊接質量往往很差，很多缺陷可以看出明顯違背了規范規定的焊接質量要求，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。該部位進行超聲波檢查也比較困難，因為梁腹板妨礙探頭的設置。因此，主要的連接焊縫中由于施焊困難和探傷困難出現了質量極差的部位。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

實際工程中，往往焊接后將焊接襯板留在原處，這種做法已經表明，對連接的破壞具有重要影響。在加州大學進行的試驗表明，襯板與柱翼緣之間形成一條未熔化的垂直界面，相當于一條人工縫，在梁翼緣的拉力作用下會使該裂縫擴大，引起脆性破壞。其它人員的研究也得出相同結果。

1995年加州大學Popov等所作的試驗，再現了節點的脆性破壞，破裂的速度很高，事前并無延性表現，因此破壞是災難性的。研究指出，受拉時切口部位應力最大，破壞是三軸應力引起的，表現為脆性破壞，外觀無屈服。他們還通過有限元模擬計算，得出最大應力集中系數出現在梁緣焊接襯板連接處中部，破壞時裂縫將從應力集中系數最大的地方開始，此一結論已為試驗所證實。研究表明：大多數節點破壞都起源于下部襯板處。引弧板同樣也會引發裂縫。

（四）梁翼緣坡口焊縫出現的超應力

北嶺地震后對震前節點進行的分析表明，當梁發展到塑性彎矩時，梁下翼緣坡口焊縫處會出現超高應力。超應力的出現因素有：當螺栓連接的腹板不足以參加彎矩傳遞時，柱翼緣受彎導致梁翼緣中段存在著較大的集中應力；在供焊條通過的焊接工藝孔處，存著附加集中應力；據觀察，有一大部分剪力實際是由翼緣焊縫傳遞，而不是像通常設計假設的那樣由腹板的連接傳遞。梁翼緣坡口焊縫的應力很高，很可能對節點破壞起了不利影響。Popov[4]采用8節點塊體單元有限元模擬分析發現，節點應力分布的最高應力點，是在梁的翼緣焊縫處和節點板域，節點板域的屈服從中心開始，然后向四周擴散。嶺前進行的大量試驗表明，當焊縫不出現裂紋時，節點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超應力的要求。日本利用震前帶有工藝孔的節點，在試驗荷載下由應變儀測得的工藝孔端點翼緣內外的應變分布，應變集中傾向出現在翼緣外側端部，內側則在工藝孔端部，最大應變發生在工藝孔端點位置上。應變集中的原因，不僅大于工藝孔造成的不連續性，還在于工藝孔部分梁腹板負擔的一部分剪力由翼緣去承擔了，使翼緣和柱隔板上產生了二階彎曲應力。這些試驗與分析均指出，今后對節點性？改善焊縫，而且還應降低梁翼緣坡口焊縫處的應力水平。

（五）其它因素

有很多其它因素也被認為對節點破壞產生潛在影響，包括：梁的屈服應力比規定的最小值高出很多；柱翼緣板在厚度方向的抗拉強度和延性不確定；柱節點域過大的剪切屈服和變形產生不利影響；組合樓板產生負面影響。這些影響因素可能還需要一定時間進行爭論，才能弄清楚。

三、我國采取的對策

我國早期的高層建筑鋼結構基本上都是國外設計的，我國的設計施工規程是在學習國外先進技術的基礎上制訂的。由于日本設計的我國高層鋼結構建筑較多，我國的設計、制作和安裝人員對日本的鋼結構構造方法比較熟悉，設計規定特別是節點設計，大部分是參照日本規定適當考慮我國特點制訂的，部分規定吸收了美國的經驗。美國北嶺地震和日本阪神地震后所發表的報道，對我們有很大啟示，在我國抗震規范中對高層鋼結構的節點設計擬提出如下建議：

1．將梁截面局部削弱，可以確保塑性鉸外移，這種構造具有優越的抗震性能。根據美國報道，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，結合我國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，必要時可參考采用。

2．參考日本新規定，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，規定圓弧起點與襯板外側焊縫間保持10-15mm的間隔，以減小焊接熱影響區的相互影響。至于日本采用的不開切角以及直通式不設切角的構造，因為我們沒有經驗，不敢貿然采用，有持今后對其性能進行驗證后再作取舍。

3．在消除襯板的缺口效應方面，考慮割除襯板弄得不好會傷及母材，且費用較高，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，應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計時，在某些情況下是不安全的，因為當腹板的截面模量較大時，腹板要承受一部分彎矩?？拐鹨幏缎抻啿莅赋幎ǜ拱迓菟ㄟB接應能承受梁端屈服時的剪力外，還規定當梁翼緣截面模量小于梁截面模量70％時，腹板螺栓不得少于2列，每列的螺栓數不得少于采用一列時的數量。

5．我國在梁翼緣對應位置設置的柱加勁肋，從一開始就注意到了日本的經驗，規定了與梁翼緣等厚，北嶺地震表明這樣規定是適合的。

6．翼緣焊縫的沖擊韌性要滿足-30℃時27J的要求，這種試驗我國過去沒有做過，對于我國鋼結構制作單位是否可以做到，需待調查后再確定是否列入。這時要附帶說明，美國SAC的有關規定是適用于美國3、4類地區，大體相當于7度強、8、9度地區，我國6度地區可適當放寬。

參考文獻：

[1]田中淳夫，梁端混合連接，建筑技術（日），1994.9.

[2]本建筑學會，鐵骨構造技術指針(JASS 6)，1996.

[3]日本建筑學會，鐵骨工事技術指針--工場制作編，5.16新技術新工法介紹，1996.

[4]吳志超，框架梁剛性連接焊接節點，鋼結構，1997.3.

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

[6]蔡益燕，美國鋼框架節點抗震設計研究動向，高層建筑抗震技術交流會論文集，1997.11.9-11.12.P187-196，廣東珠海，中國抗震防災研究會高層建筑抗震專業委員會.