削弱型鋼框架梁柱節點研究現狀

張艷玉 肖 斌

削弱型鋼框架梁柱節點研究現狀

張艷玉 肖 斌

指出加強型節點和削弱型節點是目前實現延性鋼框架的主要措施,重點介紹了兩種削弱型節點：狗骨式節點和腹板開圓孔型節點,分別描述了兩種節點的結構形式、受力特點、削弱參數及抗震性能,以期指導實踐。

梁柱節點,狗骨式節點,腹板開圓孔型節點

0 引言

1994年美國 Northridge地震和 1995年日本Kobe地震的震害調查表明：在強震作用下,鋼框架結構在鋼材屈服前,其梁柱連接焊縫處即產生了大量的脆性裂縫,鋼材良好的延性并沒有發揮出來[1,2]。對于一般等截面框架梁,結構在強震作用下,梁端梁柱連接處會率先屈服,為了保證鋼框架結構的延性,該處應該有較強的塑性變形能力。顯然,傳統的梁柱節點構造并不一定能滿足這些要求。在鋼框架的抗震設計中,防止脆性斷裂是首先必須解決的問題。改進局部構造措施,使之更便于工人施焊;嚴格控制焊接工藝操作,減少梁柱連接缺陷,是預防鋼框架結構脆性破壞的有效途徑,然而這并不能降低梁柱連接抗震性能對焊縫質量的敏感性。為了從根本上解決脆性斷裂的問題,應該把握住“鋼框架的設計應確保塑性鉸在且僅在梁上出現”的原則,充分發揮鋼框架的延性。

1 鋼框架延性節點類型

設計新型延性節點是實現延性框架的主要措施,具體的改進方法主要有加強型節點和削弱型節點兩類。

加強型節點的設計思想是通過增加節點連接件(如蓋板、腋梁等)使節點的強度比構件更高(見圖 1),令構件較節點先進入塑性;削弱型節點的設計思想是通過對距離梁柱連接節點根部一定距離的梁截面進行局部削弱(見圖 2),迫使塑性鉸出現在梁上,即通過削弱梁來保護節點。

加強型節點增強節點強度的同時也增加了節點區域的焊縫,會使節點區域出現脆性斷裂的可能性增加,為了降低這種可能性需要顯著提高施焊質量,這對現場施工條件及工人的技術水平提出了更高的要求,對于我國目前的施工水平而言顯然具有一定的難度。削弱型節點是從延性角度出發設計的節點形式,試驗研究表明這種設計具有優秀的抗震性能,并且不增加施工的難度,更具發展潛力。

2 削弱型梁柱節點研究進展

目前主要研究的削弱型節點可分為兩類：狗骨式節點和腹板開圓孔型節點。

2.1 狗骨式節點(翼緣削弱)

狗骨式節點(Dog-bone),又稱縮小梁截面節點(Reduced Beam Section,RBS),是近些年研究最多的一種節點形式。這種節點最主要的特點就是在梁的上下翼緣靠近節點處進行了削弱。由于對梁截面進行了削弱,最初人們認為狗骨式節點雖然能提高結構的延性,但是會造成結構強度和剛度的顯著降低。實際上,這種由于梁的削弱所造成的結構剛度和強度的降低較小。試驗研究表明：當梁翼緣被削弱掉 50%時,結構的剛度降低 6%～7%左右;當梁翼緣被削弱掉 40%時,結構剛度降低 4%～5%左右。

狗骨式節點根據削弱形狀的不同可分為直線型、錐型和圓弧型三種(如圖 3所示)。研究表明三種不同類型狗骨式節點中,直線型承載力低、應力集中明顯,工程中不宜采用;錐型節點承載力最高,應力集中較輕,但延性稍差;圓弧型承載力居中,應力集中較輕,延性較好。綜合考慮,圓弧型節點性能好,施工簡便,值得進一步推廣。

2.2 腹板開圓孔型節點(腹板削弱)

腹板開圓孔型節點是在梁柱連接節點附近的梁腹板上開設一定尺寸的圓孔以對相應梁段進行削弱(如圖 4所示)。現代多高層鋼結構房屋對室內凈空高度有迫切要求,設備管道從梁腹板上穿過是滿足這一要求的有益嘗試,因此腹板開圓孔型節點較之狗骨式節點更具有研究價值。

美國的 FEMA-350[6]和 FEMA-355D[7]報告中曾提到過梁腹板開設圓孔的削弱型節點,但并未給出其性能指標。

我國香港理工大學的K.F.Chung教授[8]曾對腹板開圓孔的鋼梁進行了一定的研究,但他的研究主要針對于由于功能要求而需開設圓孔的鋼梁。他認為腹板開圓孔鋼梁的主要破壞形式是腹板開孔截面處上下兩個 T形截面上出現四個塑性鉸而形成“空腹梁機構”(Vierendeel Mechanism),如圖 5所示。

北京交通大學楊慶山教授對梁腹板開圓孔型鋼框架節點進行了專門研究,指出由于梁翼緣板參加抗剪,使得削弱截面的抗剪能力并未隨腹板削弱面積等比例的降低;腹板所開的圓孔半徑 R與圓孔中心距柱表面的水平距離b是梁腹板開圓孔型節點主要的設計參數,這兩個參數的取值應由梁根部與削弱最大截面的抗彎能力比和梁翼緣對腹板的約束要求兩個因素來控制。梁腹板開孔后,如果剩余寬度過小,那么梁腹板難以對梁翼緣板提供有效的約束而會發生局部屈曲,因此可以通過寬厚比限值確定腹板開孔的最大半徑。進一步的數值分析表明R和b的確都存在限值,當開孔半徑 R小于它的限值時,塑性鉸出現在梁根部,當 R大于限值時,塑性鉸發生跳躍移至開孔處;開孔圓心距柱翼緣距離b小于它的限值時,塑性鉸位置隨著開孔位置的外移而外移,基本上呈線性關系,當b大于限值時,梁根部的塑性應變發展超過開孔截面處塑性應變的發展,構件塑性鉸位置回到梁的根部。隨后進行的 12個試件的擬靜力試驗驗證了這一結論。

文獻[4][9]采用數值分析和試驗研究的方法從構件層次說明了腹板開圓孔的削弱方式能夠提高梁柱節點的抗震性能。

3 結語

傳統的鋼框架結構由于梁柱節點焊縫在強震作用下會發生脆性斷裂,并不能將鋼材良好的延性性能發揮,為了提高鋼框架的抗震性能,提出了狗骨式和腹板開圓孔型兩種削弱式節點,以實現延性鋼框架。狗骨式節點(翼緣削弱)研究較多,對其性能以及設計方法已有相關規定,而腹板開圓孔型節點研究較少,但由于它能夠滿足一些建筑功能要求,較之狗骨式節點更具發展價值。

[1]D.K.Miller.Lessons learned from the Northridge earthquake[J].Engineering Structures,1998(20)：249-260.

[2]E.P.Popov.Design of steel MRF connections before and after 1994 Northridge earthquake[J].Engineering Structures,1998(20)：1030-1038.

[3]石永久.高層鋼框架新型梁柱節點抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報,2002,23(3)：2-7.

[4]楊尉彪.高層建筑鋼結構梁柱節點試驗研究[J].建筑結構,2001,31(8)：3-8.

[5]楊慶山.梁腹板開圓孔的鋼框架抗震節點[J].工程力學,2004(32)：15-23.

[6]FEMA-350.Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings[R].2005.

[7]FEMA-355D.Post-Northridge Welded Flange Connections[R].2006.

[8]K.F.Chung.Investigation on Vierendeel mechanism in Steel beams with circular web openings[J].Journal of Constructional steel Research,2001(57)：467-490.

[9]曹 力.美國鋼框架結構抗震設計方法介紹[J].建筑結構,2001,31(8)：13-15.

Research situation of reduced beam-to-colum n connection of steelm om ent-resisting fram e

ZHANG Yan-yu XIAO Bin

In this paper,it pointed out that enhanced connection and reduced connection are themainmeasures toachieve ductile steelmomentresisting frame atpresent.Two kinds of reduced connection,dog-bone connection and connection with opening on beam web are analyzed.Structural forms,mechanical characteristics,reduced parameters and seismic performance of them are described,so as to guide practices.

beam-to-column connection,dog-bone connection,connection with opening on beam web

TU391

A

1009-6825(2011)03-0035-02

2010-09-26

張艷玉(1974-),女,工程師,樂亭縣住房和城鄉規劃建設局,河北 唐山 063600

肖 斌(1974-),男,工程師,唐山灣三島旅游區旅游開發建設有限公司,河北 唐山 063600