鋼結構梁柱節(jié)點抗震性能研究

鋼結構梁柱連接節(jié)點是保證梁和柱連接的關鍵部件，也是結構的關鍵部位，關系到結構的安全，其性能直接影響結構的剛度、穩(wěn)定性和承載能力。對近年來節(jié)點抗震構造措施的進行研究，分析研究鋼柱和鋼梁節(jié)點抗震改進措施，對鋼結構抗震性能具有重要的理論和工程意義。

隨著國家建設發(fā)展速度的快速發(fā)展，鋼結構體系在建筑工程中的應用越來越廣泛。鋼結構建筑平面布置靈活、抗震性能好、計算理論相對成熟。鋼結構建筑是由鋼梁、鋼柱構件通過節(jié)點連接構成，連接節(jié)點是保證梁與柱協(xié)同工作、形成結構整體的關鍵部件，它的性能直接影響結構體系的剛度、穩(wěn)定性和承載能力。在震害中，鋼結構建筑部分破壞表現(xiàn)為：梁柱節(jié)點部位發(fā)生了斷裂、脆性斷裂，梁柱節(jié)點焊縫連接發(fā)生破壞等。因此鋼結構梁柱連接節(jié)點抗震性能存在著不足。

常見梁-柱節(jié)點抗震設計及構造措施

通過提高梁柱聯(lián)接節(jié)點處焊縫材料強度、韌性、施工質量和焊接工藝、改進焊接工藝孔的形狀和尺寸，設計耗能元件的連接節(jié)點，加強或削弱梁柱連接節(jié)點，改善梁柱節(jié)點抗震性能。其中削弱梁柱節(jié)點較為常用。

目前高層鋼框架梁柱節(jié)點連接的主要采用剛性連接。常見有三種剛性連接：①全部焊連接；②全部栓連接；③栓焊連接。其中螺栓與焊接連接最為常用。典型的栓焊剛性梁柱連接形式見圖1-圖4。國內外試驗研究結果表明，全栓連接施工方便卻方面費用太高；而栓焊連接表現(xiàn)出良好的抗震性能造價又低的優(yōu)點。因此大多數(shù)梁柱連接采用栓焊混合連接。

圖1圖2

圖3圖4

梁-柱剛性連接抗震受力特點

栓焊混合連接方式（梁翼緣與柱子翼緣全熔透焊接、梁腹板與柱翼緣螺栓連接），栓焊混合連接施工方便，經(jīng)濟性好，剛度和強度穩(wěn)定。工字形或H型鋼梁與柱子連接時，若采用焊接，受施焊條件，焊縫缺陷以及焊接的殘余應力等因素的影響，則其連接的抗彎承載力會降低。在實際震害中，有很多在節(jié)點區(qū)域出現(xiàn)了脆性破壞或者鋼梁出現(xiàn)了塑形變形，表現(xiàn)為梁下翼緣與柱子之間的全熔透焊縫出現(xiàn)裂紋，全融透焊縫與母材之間形成貫通裂縫，梁焊接在一起的柱翼緣被撕裂，裂縫貫穿柱子翼緣，裂紋貫穿整個板域。改進型節(jié)點具體措施及受力特征如下：

（1）狗骨型節(jié)點

在梁上翼緣焊縫的附近，沿梁的軸向對其上下翼緣板分別進行了對稱的圓弧狀切割，梁上被削弱的翼緣區(qū)在這種節(jié)點上起到“ 保險絲”作用，迫使大震作用下的塑性鉸離開性能相對差的翼緣焊縫而出現(xiàn)在塑性較好的梁上，在往復載荷載實驗作用下，狗骨型節(jié)點的應力應變滯回曲線呈穩(wěn)定而豐滿的紡錘形，表現(xiàn)出良好的延性。狗骨型節(jié)點會使強度削弱4%-7%。如《多高層民用建筑鋼結構節(jié)點構造詳圖》（01SG519）標準圖集中推薦采用擴翼狗骨型（工地焊縫）、擴翼狗骨型（工廠焊縫）和蓋板加強狗骨型的三種箱柱-H鋼梁節(jié)點，標準節(jié)點實現(xiàn)了塑性鉸外移的目的，抗震性能較好。

（2）梁腹板開槽型節(jié)點

此節(jié)點保護了梁翼緣焊縫，梁柱塑性鉸的位置位于距剪切連接板端部約一半梁高的位置，減小了節(jié)點焊縫處的應力集中，改善了節(jié)點焊縫的受力狀況，節(jié)點破壞表現(xiàn)為梁翼緣板的局部屈曲破壞。

（3）梁腹板打孔型節(jié)點

梁腹板開孔構造可以使得開孔截面局部轉動變形增大，破壞一般會使梁腹板發(fā)生局部屈曲，降低了脆性破壞的可能性。

（4）邊板節(jié)點

節(jié)點處的邊板全部采用工廠焊接，避免了梁端工地焊縫。

存在問題及不足

1.截面削弱降低了梁的承載力與剛度，影響整體鋼結構的承載力。

2.不經(jīng)濟、材料浪費，鋼結構構件加工精度要求較高。

3.部分節(jié)點沒有達到預期的延性，需花費大量的維修費用。

4.鋼框架栓焊混合剛性連接的受力性能、破壞機理的研究不足。

5.梁端加強型節(jié)點加強了梁端，同時必須加大柱子截面尺寸，造成造價的增加。

6.標準圖集《多、高層民用建筑鋼結構節(jié)點構造詳圖（含2004年局部修改版》（01SG519）中推薦了幾種抗震性能節(jié)點型式，但節(jié)點抗震性能需要試驗及理論檢驗其抗震可靠性。

結語

在多層和高層鋼結構抗震設計中，梁柱剛性連接節(jié)點設計是一個非常重要的組成部分，因其設計得是否恰當將直接影響到結構承載力的安全性和可靠性。震害后鋼結構節(jié)點更換維修更需深入的分析和總結，提出改進鋼結構節(jié)點的抗震性能建議和措施。

（作者單位：河北工業(yè)職業(yè)技術學院）