剛性鋼框架異型節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀

何 川 葉銀平 郭文達(dá)

(廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530004)

0 引言

隨著人類文明的進(jìn)步，新的材料、技術(shù)、工藝不斷涌現(xiàn)，這為現(xiàn)代建筑的發(fā)展開辟了廣闊的道路。在1994年美國(guó)Northridge地震和1995年日本Kobe地震中，大量剛性鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了破壞現(xiàn)象，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)此問題進(jìn)行了較多的研究工作［1，2］，這其中都是針對(duì)常規(guī)框架節(jié)點(diǎn)或半剛性節(jié)點(diǎn)的。

近年來隨著工業(yè)建筑生產(chǎn)工藝布置需要，在大多數(shù)工程中出現(xiàn)了因柱左右兩側(cè)梁截面的差異形成的異型節(jié)點(diǎn)域。如大型火電鋼框排架主廠房，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此問題的研究尚屬起步階段，2010年薛建陽和彭修寧等［3-5］為研究大型火電廠中鋼框架梁柱異型節(jié)點(diǎn)的受力性能，按強(qiáng)構(gòu)件弱節(jié)點(diǎn)的要求設(shè)計(jì)了6個(gè)不同軸壓比和梁高比的十字形框架節(jié)點(diǎn)試件并對(duì)其進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)。

本文根據(jù)目前的研究成果從受力性能、破壞狀況及影響因素、抗剪承載力和節(jié)點(diǎn)域的設(shè)計(jì)方法介紹了鋼框架梁柱異型節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀，同時(shí)指出當(dāng)前研究中的不足之處，以供參考。

1 異型節(jié)點(diǎn)的受力性能

根據(jù)已有的試驗(yàn)資料表明［3-5］，鋼框架梁柱異型節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下有較好的剛度、延性和抗剪承載力，但節(jié)點(diǎn)的剪切變形比一般常規(guī)節(jié)點(diǎn)要大。異型節(jié)點(diǎn)域被與梁翼緣對(duì)應(yīng)的隔板分為兩個(gè)核心區(qū)，即上核心區(qū)(1區(qū))和下核心區(qū)(2區(qū))，異型節(jié)點(diǎn)域節(jié)點(diǎn)的受力分析如圖1所示［4］。

圖1 異型節(jié)點(diǎn)受力圖

1)抗剪承載力:上核心區(qū)承受的剪力比下核心區(qū)承受的剪力要大很多，故上核心區(qū)將先于下核心區(qū)屈服，且發(fā)現(xiàn)當(dāng)軸壓比在0.2～0.4變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)抗剪承載力變化不明顯;同時(shí)梁截面高度比對(duì)異型節(jié)點(diǎn)的極限承載力有一定的影響，但影響不大;其大小主要與鋼材和節(jié)點(diǎn)域的強(qiáng)度有關(guān)。

2)延性和耗能性能:異型節(jié)點(diǎn)的荷載(F)—位移(Δ)滯回曲線表明，節(jié)點(diǎn)的塑性變形能力都很強(qiáng)、滯回曲線飽滿、剛度退化小、承載力高;無論是延性還是耗能能力，鋼結(jié)構(gòu)異型節(jié)點(diǎn)和其他常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)一樣，具有很好的抗震性能。上核心區(qū)和下核心區(qū)不是作為一個(gè)整體工作，它們是通過各自的變形分別消耗能量。核心區(qū)的延性主要由核心區(qū)的剪切變形提供，上核心區(qū)和下核心區(qū)的剪切角都可以超過0.03 rad，都具有較強(qiáng)的耗能能力。

3)核心區(qū)的剪切變形及剛度退化:異型節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪力(V)—剪應(yīng)變(r)滯回曲線表明，當(dāng)處于彈性階段時(shí)，節(jié)點(diǎn)域的剪切變形很小，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)域進(jìn)入塑性階段后，節(jié)點(diǎn)域的剪切變形將迅速增大，最大時(shí)達(dá)到0.04 rad。通過比較發(fā)現(xiàn)，上核心區(qū)的剪切變形在整個(gè)加載過程中都要比下核心區(qū)的剪切變形大，且在塑性階段更加的明顯，此時(shí)上核心區(qū)的剪切角比下核心區(qū)大約高0.005，同時(shí)與常規(guī)節(jié)點(diǎn)相比，鋼框架異型節(jié)點(diǎn)的剪切變形要大很多。

2 異型節(jié)點(diǎn)的破壞狀況

2.1 節(jié)點(diǎn)域的受力特點(diǎn)

文獻(xiàn)［3］～［5］研究結(jié)果表明上核心區(qū)和下核心區(qū)將共同承受荷載，在加載過程中，核心區(qū)斜方向受力最大，上核心區(qū)腹板中心將發(fā)生屈服，此時(shí)下核心區(qū)還沒有屈服，兩者不是作為一個(gè)整體工作，下核心區(qū)將對(duì)上核心區(qū)起到一定的約束作用;隨著荷載的增大，屈服區(qū)將向節(jié)點(diǎn)域四周緩慢發(fā)展，當(dāng)上核心區(qū)全部屈服后，下核心區(qū)才開始屈服，最終達(dá)到節(jié)點(diǎn)域的全部屈服。

2.2 異型節(jié)點(diǎn)與常規(guī)節(jié)點(diǎn)破壞模式的對(duì)比分析

鋼框架梁柱常規(guī)節(jié)點(diǎn)的破壞基本都是從大梁下翼緣連接焊縫開始，其主要破壞模式為大梁翼緣與柱翼緣交界面連接處出現(xiàn)部分或全部開裂，核心區(qū)發(fā)生剪切屈曲。由此可見，雖然異型節(jié)點(diǎn)和常規(guī)節(jié)點(diǎn)破壞開始的部位是相同的，但是兩者破壞的發(fā)展趨勢(shì)和程度都不相同。

破壞模式差異分析:1)節(jié)點(diǎn)形式:由于柱兩側(cè)的梁的截面高度和剛度都不同，這就造成了異型節(jié)點(diǎn)與常規(guī)節(jié)點(diǎn)受力和傳力形式的不同，且大梁的剛度遠(yuǎn)大于小梁，在受力分配時(shí)大梁所承受的力要遠(yuǎn)大于小梁。2)其他因素的影響:如焊縫質(zhì)量和應(yīng)力集中影響的程度不同。

3 鋼框架梁柱異型節(jié)點(diǎn)研究中存在的問題

1)異型節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究目前還很少，較片面，缺乏完整性。目前僅對(duì)箱形柱和梁變截面所形成的十字形異型節(jié)點(diǎn)做了相關(guān)的研究，而對(duì)其他截面類型和節(jié)點(diǎn)形式的研究還沒有，如邊節(jié)點(diǎn)、變截面柱和變截面梁形成的異型節(jié)點(diǎn)等。

2)異型節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力傳遞機(jī)理不明確:鋼框架梁柱異型節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究都集中在節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)和承載力上，對(duì)異型節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和應(yīng)力傳遞機(jī)制的研究還不夠深入;節(jié)點(diǎn)承受柱端傳來的軸力、梁端彎矩和剪力，處于復(fù)合受力狀態(tài)，內(nèi)力傳遞機(jī)理較復(fù)雜，受很多因素如框架梁和框架柱類型、鋼材的種類、節(jié)點(diǎn)連接的構(gòu)造形式等的影響。由于當(dāng)前研究的異型節(jié)點(diǎn)為特殊的“強(qiáng)梁弱柱”型節(jié)點(diǎn)，在研究過程中只分析了軸壓比、梁高比對(duì)此類節(jié)點(diǎn)承載力的影響，對(duì)其他參數(shù)的影響和“強(qiáng)柱弱梁”型異型節(jié)點(diǎn)還沒有進(jìn)行研究，且試驗(yàn)試件梁、柱內(nèi)大都采用Q235鋼，不能適應(yīng)梁柱采用多種鋼材型號(hào)的需要。

3)異型節(jié)點(diǎn)的空間性能和靜力及動(dòng)力性能研究較少:從現(xiàn)有的試驗(yàn)資料來看，因試驗(yàn)條件限制，目前鋼結(jié)構(gòu)梁柱異型節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)僅為平面加載的擬靜力試驗(yàn)。而擬靜力試驗(yàn)無法真實(shí)的反映異型節(jié)點(diǎn)在地震作用下的受力特點(diǎn)及性能，一方面是由于平面加載無法對(duì)異型節(jié)點(diǎn)承載力在實(shí)際工程中受直交梁的約束作用進(jìn)行試驗(yàn)分析和驗(yàn)證，另一方面因?yàn)槟壳爱愋凸?jié)點(diǎn)的抗震試驗(yàn)只考慮單向地震作用，而實(shí)際的地震作用方向是多維的，故當(dāng)前研究結(jié)論有待改進(jìn);同時(shí)有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)梁柱異型節(jié)點(diǎn)的靜力力學(xué)性能的試驗(yàn)研究還沒有。

4)異型節(jié)點(diǎn)承載力的計(jì)算公式還有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善，提出既合理又簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)域承載力計(jì)算公式和構(gòu)造措施對(duì)異型節(jié)點(diǎn)在框架結(jié)構(gòu)中的運(yùn)用具有重要的意義。研究表明異型節(jié)點(diǎn)的剪切變形很大，但上核心區(qū)和下核心區(qū)不是作為一個(gè)整體來工作，如何將異型節(jié)點(diǎn)剪切變形的影響考慮到鋼框架抗震性能中也需要做進(jìn)一步的研究，與此同時(shí)提出含異型節(jié)點(diǎn)的鋼框架結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計(jì)地震水平下的地震響應(yīng)分析方法和設(shè)計(jì)方法也是需要解決的問題。

4 結(jié)語

鋼框架梁柱異型節(jié)點(diǎn)的破壞主要由焊縫撕裂引起，因此焊縫質(zhì)量顯得尤為重要，同時(shí)合理的構(gòu)造措施也是改善異型節(jié)點(diǎn)受力和耗能的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容。另外，積極開展相關(guān)的數(shù)值模擬和理論分析是十分必要的，試驗(yàn)中構(gòu)件數(shù)量、研究的因子都有限，此時(shí)數(shù)值模擬分析可作為補(bǔ)充手段。

［1］余海群，錢稼茹，顏 峰，等.足尺鋼梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2006，27(6)：18-27.

［2］王 燕，彭福明，趙桂明.鋼框架梁柱半剛性節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下的試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2001，31(12)：55-57.

［3］薛建陽，胡宗波，彭修寧，等.鋼結(jié)構(gòu)箱型柱與梁異型節(jié)點(diǎn)抗剪承載力分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2011，44(8)：9-15.

［4］彭修寧，薛建陽，劉祖強(qiáng)，等.剛性鋼框架異型節(jié)點(diǎn)性能及設(shè)計(jì)方法［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2010，32(3)：22-26.

［5］薛建陽，劉祖強(qiáng)，彭修寧，等.大型火電主廠房鋼結(jié)構(gòu)異型節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32(7)：133-140.