鋼框架擴翼型節點的研究與應用

張濤　范余輝　曹雨　朱芝馨

摘 要：鑒于北嶺大地震與神戶地震中傳統鋼框架節點出現了大量的脆性破壞，為了實現鋼框架節點的抗震延性，達到塑性鉸外移、提高節點延性、避免在強震作用下梁柱接頭發生脆性破壞的設計目的，梁翼緣進行局部削弱或在連接區域局部加大的設計方法。本文著重介紹了新型鋼框架節點的種類并通過分析目前國內外研究進展，指出目前鋼框架新型梁柱節點研究的不足與方向。

關鍵詞：延性節點；塑性鉸；擴翼式節點

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.019

0 前言

鋼結構與混凝土結構相比具有自重輕，強度高、跨度大、材質均勻、安全可靠度高、抗震性能好、密閉性能優異、制造加工快捷、拆裝方便等優點。自19世紀鋼結構開始應用于建筑，時至今日鋼結構在建筑領域尤其在大跨高層建筑得到了極其廣泛的應用。

鋼框架結構是由節點將梁與柱連接起來，因此節點的性能對鋼結構整體的強度，高度，穩定性及其制造安裝有著直接顯著的影響。鋼框架梁柱剛性節點很長一段時間以來被認為具有較好的抗震性，在地震劇烈作用下，由于鋼材良好的塑性性能，節點處的梁內將產生塑性鉸，塑性鉸的形成和轉動可以有效地消散由于地震產生的能量，確保節點不被破壞，即“強柱弱梁，強節點弱桿件”的設計思想。

但是在1994年美國北嶺大地震及1995年日本兵庫縣南部大地震中，大規模的脆性破壞現象卻出現在了傳統鋼框架剛性節點上，大大出乎設計人員的意料。我國地處喜馬拉雅火山地震帶與環太平洋地震帶之間地震頻發，開發具有良好抗震性能的新型梁柱連接節點有著重大的意義。

1 鋼結構新型延性節點類型與動力特性

1.1 傳統梁柱節點破壞原因

梁柱連接節點處常因為構造要求導致截面形狀比較復雜，因此在節點截面處出現嚴重的應力集中，以及焊縫存在缺陷這導致節點處的承載力低于梁截面處承載力，在梁尚未來的及形成塑性鉸之前，焊縫將先開裂然后發生脆性破壞。歐美及日本的學者經過研究分析在地震中梁柱連接節點破壞的主要原因有：

（1）焊縫本身具有缺陷，如夾渣、氣孔、裂縫、欠焊等；

（2）梁柱節點的高應力區集中在梁翼緣的坡口焊縫處，無法形成側向收縮或剪切滑移，當梁還沒有產生顯著的屈服現象時，節點就會發生脆性破壞；

（3）連接部位的鋼材存在三向應力同樣無法形成側向收縮和剪切位移，乃至在沒有屈服下發生脆性毀壞；

（4）在梁翼緣對應位置的工字型加勁肋偏薄等[5-6]。

1.2 新型鋼結構梁柱節點設計理念

歐美國家和日本在震后以大量試驗為基礎，通過有限元模擬的輔助得出的結果表明：防止鋼框架梁柱節點發生脆性破壞的有效方法是使梁的塑性鉸外移即避免梁的塑性鉸出現在節點焊接區域。為了實現該目標的連接方式主要有節點增強型連接和節點減弱型連接，因為塑性鉸通常在外荷載產生彎矩M與梁的抗彎承載力Mcr比值（M/Mcr）最大處。通過提高梁柱節點處的強度或者削弱距離梁柱節點一段距離處梁截面而達到塑性鉸外移的目的。

1.3 削弱式節點

削弱式節點包括梁腹板削弱式和狗骨式。

（1）鋼框架梁腹板削弱式是通過在距離節點一段長度處的梁腹板上開孔，降低開孔處梁截面的剛度與彎矩容許值，通過控制孔的大小和開孔的位置使得塑性鉸位置遠離節點的焊接區域。在實驗中，此種試件的梁端部上下翼緣處焊縫沒有出現裂紋并可以達到4%rad以上的塑性轉角。這種連接方式特別適合于已經建設好鋼框架建筑物，施工相對方便但對梁截面抗剪能力有所削弱；

（2）狗骨式連接，也是通過削弱梁截面達到目的但與腹板削弱式不同的是狗骨式削弱的是梁的翼緣部分，根據切割方式的不同，可分為直線削弱式，逐漸削弱式和圓弧削弱式。通過對梁翼緣部分合理的削弱將塑性鉸轉移至削弱處較長的一段范圍內充分利用鋼材的延性，但這種削弱方式同樣會降低鋼材的剛度與承載力且施工復雜。主要有三種形式：直線削弱式，雖然施工方便簡捷，但兩條直線的匯交處，會發生應力集中現象，因此，這種直線削弱式應避免采用；錐形削弱式應力集中現象較直線削弱式有所緩解但是加工困難；圓弧削弱式是目前運用較為廣泛的一種，在美國加州大學伯克利分校Blondet， M.等人圓弧口削弱形式RBS節點試驗中，其極限塑性轉角在0.03rad以上。

1.4 擴翼式節點

通過對梁端節點處進行加強提高節點處梁截面的剛度與承載力，從而迫使塑性鉸外移而遠離節點從而達到目的。擴翼式節點主要類型有板式擴翼型節點，梁端翼緣擴大型節點，加腋式擴翼型節點，肋板式擴翼型節點。

（1）板式擴翼型節點主要有兩種形式：蓋板式連接與翼緣板式連接。蓋板式擴翼型節點將蓋板與梁翼緣和柱翼緣同時焊接起來將塑性鉸移至蓋板端部，有效利用材料的塑性性能。但是當蓋板過長時焊縫應力過大加之焊接時不可避免的缺陷仍然可能發生脆性破壞，且鋼材消耗量大。翼緣板式連接的梁翼緣不與柱翼緣直接連接而是通過加強板進行連接，有效減少了焊縫面積避免了蓋板式連接焊縫面積過大的缺點，同時也利于對焊縫的檢查與修復。板式擴翼型節點構造簡單，受力可靠但是施工復雜，用鋼量大的缺點限制了它的應用；

（2）梁端擴大型節點主要形式為擴翼式與翼緣側板加強式。這種連接方式是通過擴大梁柱節點處的翼緣從而提高節點處梁截面的剛度及承載力，通過調節加強側板的長度來控制塑性鉸的位置。擴翼型節點在加工時首先制作一個短牛腿，牛腿與柱連接末端尺寸加大，然后將梁與牛腿焊接再運至工地安裝，減少了板式擴翼型節點焊縫過大的缺陷，更有利于節點的塑性發展，其構造具體要求可以參考美國緊急狀態屬給出的要求：擴翼長度宜為0.5至0.75倍梁高，擴翼角度不應大于28度，擴翼區端部到焊縫通過孔端部距離宜取0.25倍梁高；

（3）肋板加強型節點是在鋼梁靠近節點處焊接兩塊垂直于梁翼緣的肋板，并與柱翼緣焊接，通過肋板將梁端的力部分傳遞給柱承受。主要有單肋板與雙肋板兩種構造形式，單肋板僅在梁上下翼緣布置一塊肋板，雙肋板則在量上下翼緣各布置兩塊。這種節點可以有效地避免應力集中，提高梁柱節點處的剛度與承載力。但由于肋板的存在會降低房屋的凈高需要謹慎使用。

2 國內擴翼型加強節點的研究現狀

（1）清華大學的錢稼茹，余海群對6種不同類型的節點形式（標

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準全焊連接，普通栓焊連接，擴翼式蓋板加強型，梁端加腋型，腹板削弱型和梁貫通型）進行了足尺寸的抗震性能研究，將各試件的試驗結果進行分析比較并提出了傳統節點的改良建議。試驗結果顯示，多個試件在梁端焊縫處發生了脆性裂縫， 塑性鉸并沒有明顯向梁內側移動，因此沒有達到驗證這種節點能否將塑性鉸轉移到擴大翼緣端部的目的。

（2）青島理工大學的王燕、高鵬等對5個 0.5倍縮尺的鋼框架梁柱 T 形連接節點試件（包括兩個蓋板擴翼型節點試件）進行了試驗。試驗的試件設計參考美國規范 FEMA350 的設計方法及構造要求，同時滿足我國現行規范。試驗中梁上部蓋板與柱翼緣連接焊縫處產生較大裂縫，但是梁翼緣與柱翼緣的焊縫牢固并沒有開裂，在距離蓋板端部約1/4梁高處產生了塑性鉸。試驗結果表明，節點總轉角、塑性轉角、延性系數都可以滿足總轉角不低于 5%rad塑性轉角不低于 3%rad、及延性系數大于 3.0 的抗震性能最低標準，說明蓋板擴翼型節點比普通節點承載力具有更好的抗震耗能能力并且承載力更高。

（3）黃炳生，舒贛平，呂志濤提出的梁端楔形翼緣連接節點， 將梁端部翼緣楔形增寬，這樣梁的塑性鉸就會遠離柱邊， 然后對兩跨兩層梁端為楔形翼緣連接鋼框架連接節點進行了低頻率往復加載試驗， 實驗結果表明，試件為延性破壞，梁上翼緣變化處出現塑性鉸，說明梁端楔形翼緣連接鋼框架抗震性能優良。

3 目前研究的不足

目前國外對于擴翼式加強型梁柱連接節點的研究以蓋板加強型和翼緣側板加強型梁柱連接節點為主，美國在擴翼式連接節點的研究比較成熟，我國對擴翼式加強節點的研究尚不充分，工程設計中對于不同工況影響以及專利的限制，照搬其他國家的設計方法是行不通的。

雖然這幾年我國對于鋼結構的研究蓬勃發展但是對于鋼框架梁柱擴大式連接節點的研究很少。已有研究人員對梁柱連接節點做了試驗，但是節點試驗不能反映其在實際鋼框架的工作情況。國內所有關于擴翼式梁柱連接節點試驗均未給柱施加軸力，這跟實際受力狀態不同的。在高軸壓比的情況下，考慮到力的偏心等因素，柱會提前進入塑性從而降低柱的承載力。而且對采用擴翼式節點鋼框架在地震中的表現所進行的研究試驗基本為零。

4 小結

自擴翼式加強節點出現以來，以其良好的塑性性能受到人們的廣泛關注。從以上敘述我們可以知道，采用擴翼式加強節點轉移塑性鉸可以提高鋼框架的抗震性能。我國是一個地震多發的國家，具有良好抗震性能的擴翼型梁柱節點有著良好的應用前景，當然擴翼型節點仍然在豐富和發展之中，針對它的試驗仍然應該繼續。隨著我國經濟實力與科學技術的發展，擴翼型加強節點將受到越來越廣泛的應用。

參考文獻

[1]趙廣軍.鋼框架結構延性節點塑性鉸外移的機理研究[D].大連理工大學，2014.

[2]劉洪波，謝禮立，邵永松.框架結構的震害及其原因[J]. 世界地震工程，2006，22（04）：44-51.

[3]毛南翼，張錫云.日本阪神地震中的鋼結構震害.鋼結構.1995，10（28）：112-127.

[4]陳廷國，趙廣軍.鋼框架延性節點塑性鉸外移的機理研究[J].鋼結構，2014（12）：25-31+57.