對鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)思想的分析

代 江

(新疆哈密礦務(wù)局勘察設(shè)計(jì)院，新疆哈密 839003)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、延性好、重量輕等特點(diǎn)，因此抗震性能較好。但如果在加工和連接工藝方面有些問題，加之外部環(huán)境的影響，就可能出現(xiàn)地震作用下的局部破壞，甚至整體倒塌[1]。因此，鋼結(jié)構(gòu)的抗震問題也是需要認(rèn)真研究的。本文針對最常見的鋼框架結(jié)構(gòu)，考慮到節(jié)點(diǎn)的重要性，將對節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)思想進(jìn)行深入分析，有助于加深對節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)思路和具體方法的理解，最后給出了實(shí)例說明。

1 鋼框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)

和混凝土框架結(jié)構(gòu)相同，鋼框架結(jié)構(gòu)一般采用剛性節(jié)點(diǎn)，由焊接或高強(qiáng)度螺栓連接。常用的連接構(gòu)造如圖1所示。

2 節(jié)點(diǎn)的震害

由于節(jié)點(diǎn)傳力集中、構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，容易造成應(yīng)力集中、強(qiáng)度不均衡現(xiàn)象，再加上可能出現(xiàn)的焊縫缺陷、構(gòu)造缺陷，所以節(jié)點(diǎn)破壞是地震中發(fā)生最多的一種破壞[2]。

梁柱節(jié)點(diǎn)域的破壞形式主要有:加勁板的屈曲和開裂、加勁板焊縫出現(xiàn)裂縫、腹板的屈曲和裂縫等。采用焊接形式的梁柱剛性節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)連接裂縫或斷裂破壞的原因主要有[3]:

1)焊縫缺陷;

2)三軸應(yīng)力影響:梁柱連接的焊縫變形由于受到梁和柱約束，施焊后焊縫殘存三軸拉應(yīng)力，使材料變脆;

3)構(gòu)造缺陷:梁翼緣與柱連接處的墊板一般在焊接后就留在結(jié)構(gòu)上，與柱翼緣之間容易成為裂縫發(fā)展的起源。

3 剛性節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容

剛性節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容具體包括以下幾點(diǎn)。

3.1 承載力驗(yàn)算

由于節(jié)點(diǎn)的破壞將帶來相連的若干個構(gòu)件的破壞，所以在抗震設(shè)計(jì)中，要求節(jié)點(diǎn)連接的承載力應(yīng)高于構(gòu)件的屈服承載力，所謂“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”[4]。具體體現(xiàn)在以下兩個公式的要求:

其中，1.2為實(shí)際屈服強(qiáng)度可能高于規(guī)定值的修正系數(shù);1.3為在1.2基礎(chǔ)上，再考慮跨中荷載影響;Mp為被連接構(gòu)件(梁或柱)全塑性彎矩;l為梁的凈跨度;Mu，Vu分別為連接的抗彎、抗剪最大承載力。

Mu，Mp按鋼材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下限計(jì)算:

其中，Wp'為連接的塑性抵抗矩;Wp為被連接構(gòu)件的塑性抵抗矩(這兩個相當(dāng)于對形心軸的面積矩);fu為連接的抗拉強(qiáng)度下限;fy為鋼材的屈服強(qiáng)度。

抵抗矩Wp按材料力學(xué)的方法計(jì)算，例如對矩形截面:

其中，Mu，Vu的計(jì)算方法如下:

1)當(dāng)工字形梁翼緣用對接焊縫、腹板用角焊縫連接時:

其中，Af為梁一個翼緣的截面積;he為角焊縫的有效厚度;lw為角焊縫的有效長度;fu為焊縫抗拉強(qiáng)度下限。

2)當(dāng)梁翼緣用對接焊縫、腹板用高強(qiáng)螺栓連接時:

當(dāng)節(jié)點(diǎn)處的被連接構(gòu)件尚有軸力作用時，要用Mpc代替Mp，計(jì)算如下:

1)繞強(qiáng)軸的工字形截面和箱形截面:

2)繞弱軸的工字形截面:

其中，Mpc為被連接構(gòu)件的全塑性彎矩;Ny=Anfy;An為構(gòu)件凈截面面積;Awn為構(gòu)件腹板凈截面面積。

3.2 強(qiáng)柱弱梁條件

由于柱子的破壞效應(yīng)比梁的破壞效應(yīng)嚴(yán)重，有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌，所以對柱子的安全性要求要高于梁。塑性鉸最好是先出現(xiàn)在梁端而不是柱端，這樣可以通過梁的變形來耗能。為了達(dá)到這個目標(biāo)，要求節(jié)點(diǎn)處的各柱端能承受的彎矩總和要大于各梁端能承受的彎矩總和，這一“大于”的程度通過一個大于1的系數(shù)來體現(xiàn)。具體表達(dá)式如下:

其中，Wpc，Wpb分別為節(jié)點(diǎn)處柱和梁的截面塑性模量;N為柱軸向壓力設(shè)計(jì)值;Ac為柱截面面積;η為超強(qiáng)系數(shù):6層以上鋼框架，6 度Ⅳ類場地和7 度時可取1.0，8 度時取1.05，9 度時取1.15。

以上是對整個節(jié)點(diǎn)區(qū)域的要求。這個區(qū)域是由兩部分組成的:節(jié)點(diǎn)域和構(gòu)件。對這兩部分也分別有要求，下面進(jìn)行介紹。

3.3 節(jié)點(diǎn)域的要求

包括兩部分:

1)承載力驗(yàn)算:

其中，Mpb1，Mpb2均為節(jié)點(diǎn)兩側(cè)梁的全塑性受彎承載力;ψ為折減系數(shù)，6度Ⅳ類場地和7度時可取0.6，8度和9度時取0.7。

2)節(jié)點(diǎn)域還應(yīng)滿足不失去局部穩(wěn)定的板厚要求。

3.4 構(gòu)件的驗(yàn)算要求——主要考察塑性區(qū)的局部穩(wěn)定

我們期望的是塑性鉸只出現(xiàn)在梁端，但在實(shí)際中，由于梁和樓板的協(xié)同工作效應(yīng)等原因，往往使梁得到了很大加強(qiáng)，使得塑性鉸有可能出現(xiàn)在柱端。為了保證塑性鉸能正常發(fā)揮作用，還應(yīng)在梁柱可能出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)段，限制板件寬厚比，以防止局部屈曲，保證耗能作用的發(fā)揮。

受壓板件寬厚比可分為三個等級:

1)全截面進(jìn)入塑性，出現(xiàn)塑性鉸，要求轉(zhuǎn)動能力(相當(dāng)于8度，9度抗震設(shè)防要求);

2)截面進(jìn)入塑性，但不要求轉(zhuǎn)動能力(相當(dāng)于7度抗震設(shè)防要求);

3)邊緣纖維屈服，傳統(tǒng)的彈性設(shè)計(jì)(相當(dāng)于6度或非抗震設(shè)防要求)。

各種構(gòu)件的寬厚比要求，詳見GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

某大廈鋼框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。柱截面:□700×700×50，fy=295 MPa;梁截面:H500×220×12×25，fy=325 MPa;梁柱:fu=490 MPa。梁翼緣完全焊透的坡口對焊，E50，二級=295 MPa，fu=490 MPa;梁腹板用10.9級高強(qiáng)螺栓摩擦型連接，噴砂μ=0.4，M22，預(yù)緊力 P=190 kN。彈性內(nèi)力 M=655 kN·m，V=298 kN。抗震設(shè)防烈度為7度。節(jié)點(diǎn)采用H型梁與箱形柱栓焊混合剛性連接。

1)梁翼緣完全焊透的對接焊縫強(qiáng)度:

2)梁腹板與柱之間的高強(qiáng)螺栓連接計(jì)算:

其中，0.9為考慮焊接熱影響對高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力損失的影響系數(shù)。

腹板連接板厚度:

3)節(jié)點(diǎn)抗震極限承載力驗(yàn)算:

極限彎曲承載力滿足要求。腹板凈截面面積的極限抗剪承載力:

腹板連接板凈截面面積的極限抗剪承載力:

腹板連接高強(qiáng)螺栓的極限抗剪承載力:

Vu=min{Vu1，Vu2，Vu3，Vu4}=913.8 kN ＞1.3(2Mp/ln)=1.3 ×(2 ×1 014/8.3)=317.6 kN，913.8 kN ＞0.58hwtwfy=848 kN，極限抗剪承載力滿足要求。

4)節(jié)點(diǎn)域彈性階段驗(yàn)算:(4/3)fv/γRE=(4/3) ×165/0.85=258.8 N/mm2，滿足要求。

節(jié)點(diǎn)域局部穩(wěn)定驗(yàn)算:

tw=50 ＞(hb+hc)/90=(450+600)/90=11.7，滿足要求。

節(jié)點(diǎn)域屈服承載力驗(yàn)算:

φ(Mpb1+Mpb2)/Vp=0.6 × (1 014+1 014) ×106/(2.43 ×107)=50.5 N/mm2＜(4/3)fv=200 N/mm2，滿足要求。

5 結(jié)語

可見，鋼框架節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)思想可歸納為四點(diǎn):

1)在整體層面上，要求“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”“強(qiáng)柱弱梁”，并落實(shí)在具體的設(shè)計(jì)公式上;

2)分節(jié)點(diǎn)域、構(gòu)件兩部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算;

3)考慮鋼材的塑性工作性能，對應(yīng)的是地震下耗能作用的發(fā)揮;

4)和其他鋼構(gòu)件一樣，關(guān)注板件受壓下的局部穩(wěn)定問題。通過這四點(diǎn)可以更清楚地理解鋼框架節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)思想，對相關(guān)的科研也有一定的促進(jìn)作用。

[1] 聶正春，李明全.鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震措施簡述[J].四川建筑，2010(4):183-185.

[2] 張曉霞.鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)方法探討[J].山西建筑，2011，37(5):43-44.

[3] 饒中峰.淺談鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)方法[J].四川建材，2010(5):31-32.

[4] 吳兆旗，何田田，姜紹飛，等.鋼結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)抗震性能研究進(jìn)展[J].福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，39(5):658-665.