鋼結構梁柱節點抗震技術綜述

蘇潔 闞博

摘 要：鋼結構承載能力強、自重較輕、施工快捷，被廣泛應用于大型廠房、場館、超高層建筑等領域。鋼結構房屋的抗震性能是結構設計的重點，其中梁柱節點的抗震性能很大程度上決定整個結構的抗震性。本文結合專利與非專利文獻，以典型的鋼結構梁柱節點技術方案為支撐，梳理鋼結構梁柱節點抗震的技術起源和原理，并探討技術演進路線，以期為鋼結構梁柱節點抗震設計和研發提供借鑒。

關鍵詞：鋼結構；梁柱節點；抗震

中圖分類號：TU393.2 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0108-03

Review of Anti-seismic Technology for Beam-column

Joints of Steel Structures

SU Jie KAN Bo

（Patent Examination Cooperation Sichuan Center of the Patent Office， SIPO，Chengdu Sichuan 610213）

Abstract： With the advantages of strong bearing capacity， light weight and quick construction， the steel structure is widely used in large-scale factory， stadiums， high-rise buildings and other related fields. Seismic performance of steel structures is the key factor in structural design. The beam-column joints play an important role in the seismic resistance of the entire structure. This paper， based on the patent and non patent documents， combed the technical origin and principle of the steel structure beam column joints with the support of the typical steel structure beam column technical scheme， and discussed the technical evolution route， in order to provide reference for the seismic design and research and development of steel structure beam column joints.

Keywords： steel structure；beam-column joint；anti-seismic

1 技術領域概況

1.1 鋼結構節點受力特性及破壞機理

鋼結構節點的常規設計方法中有翼緣板承受全部作用彎矩，梁腹板只承受全部剪力的假定。但實際情況是，在常用的工字形截面梁中，當處于彈性階段時，通常翼緣承受全截面抗彎承載力的80%～85%，腹板承受全截面抗彎承載力的15%～20%。如果腹板連接不考慮這15%～20%的彎矩，則其連接的抗彎承載力就只有框架橫梁抗彎承載力的80%～85%[1]。節點受力忽視了豎向加速度的影響。例如，北嶺地震前設計中一般只考慮地震的水平加速度，而忽視了豎向加速度的影響，但豎向加速度對水平地震載荷有放大作用，使結構處于更不利的情況[2]。

北嶺地震之前，美國的焊接梁柱節點是按美國統一的建筑標準（UBC）設計制造的。震后調查發現，鋼結構的破壞方式主要發生在節點梁翼緣與柱翼緣的連接處，底梁翼緣板明顯多于頂梁翼緣板，裂紋向柱一側擴展[2]。阪神地震中，由于日本的柱多采用箱型柱加橫隔板的模式，其裂紋主要向梁一側擴展，破壞模式包括翼緣斷裂、熱影響區斷裂、橫隔板斷裂，并且連接破壞發生時，梁翼緣已有顯著屈服或/和局部屈曲現象[2]。兩次大地震引發的鋼結構破壞現象表明，采用剛性焊接的鋼框架梁柱節點，其延性較差、殘余應力較大，多發生脆性破壞[3]。由此開啟了業界對鋼框架梁柱節點進行抗震優化設計，開發新型梁柱節點類型，以提高節點的抗震性能。

1.2 鋼結構節點抗震措施

在鋼結構抗震設計中，主要遵循“強柱弱梁”和“強節點弱桿件”的原則。設計梁柱時，柱應該具備相對于梁更大的強度，有更小的塑性形變。這是由于在鋼結構受力過程中，如果梁發生較大的塑性形變，對整個結構而言多出現局部的失穩破壞；但如果柱發生斷裂或嚴重的塑性形變，則有可能導致鋼結構整體的破壞甚至倒塌。因此，采用加強柱弱化梁的方式以實現“大震不倒”的目標。節點是荷載傳遞的關鍵點，又是梁、柱構件的交界部位。鋼結構節點與構件的關系是：節點的破壞影響荷載傳遞，使得結構內力分布發生劇烈變化；節點的破壞或裂紋可能向梁、柱構件傳導，從而引發更為嚴重的破壞。因此，用構件的塑性形變耗能來保全節點的強度，也是鋼結構設計的重要原則。

確保柱及節點強度的措施主要有：將塑性鉸位置外移，如設置節點加強構件、梁截面削弱；在節點設置額外的耗能構件，如設置耗能阻尼器、記憶合金。接下來筆者將以專利文獻為切入口，分析鋼結構梁柱節點抗震技術的發展狀況。

2 鋼結構梁柱節點抗震技術發展狀況

為了梳理鋼結構梁柱節點的技術發展狀況，在中文摘要數據庫（CNABS）和德溫特世界專利數據庫（DWPI）進行了國內外專利文獻的檢索，并結合人工篩選，對專利文獻進行整理分析。

通過對鋼結構梁柱節點抗震技術各時期的專利文獻進行梳理，得到該領域的專利技術演進路線（如圖1所示）。經過分析整理，將鋼結構梁柱節點抗震技術的發展演進劃分為三個階段。

2.1 第一階段（1975—1994年）：技術萌芽期

在該時期，鋼結構設計剛起步，其研究熱點主要是如何實現梁柱節點之間穩固、高效、便捷地連接。梁柱的連接方式以剛性和半剛性連接為主，連接的手段主要有焊接、螺栓或鉚釘、栓接和焊接相結合的方式。專利申請以蘇聯為主，有少量日本和美國的專利申請，如較早時期蘇聯申請的SU3600220A，其梁柱節點由頂板和底板焊接到柱上，塑性形變發生在頂板和底板之間的局部區域，即完全焊接的方式連接。另外，美國專利申請US19920823726A將梁柱節點的螺栓設置在長圓孔中，以獲得預設的旋轉位移來降低節點剛度吸收橫向荷載，并且螺栓在長孔中會產生摩擦耗能。后續的鋼結構梁柱節點的連接方式大多是基于早期基礎方案發展起來的。總體上來說，這些技術萌芽期的基礎性專利，給后續的技術研發提供了基礎方案和基礎理論。

2.2 第二階段（1994—2008年）：技術發展期

以1994年作為第一階段的技術萌芽期與第二階段的技術發展期的劃分界限，主要是由于1994年的北嶺大地震及1995年的阪神大地震，兩次大地震使鋼結構房屋被廣泛破壞，由此激發了對鋼結構梁柱節點抗震技術的革新。對兩次大震的調查顯示，鋼結構的典型破壞方式有：①柱子的橫截面處發生斷裂，但還未嚴重到使結構發生倒塌；②裂紋在梁柱節點處開始生長，在地震作用下向梁截面或者是柱截面延伸[4]。這與傳統的鋼框架梁柱剛性焊接節點延性較差、殘余應力較大和容易發生脆性破壞密切相關。上述事件引起了人們對焊接剛性節點延性性能的懷疑并激發了對節點的改進研究，如美國SAC項目針對焊接剛性節點的改進措施：①改進焊接工藝；②補強措施；③削弱措施。已有試驗研究表明：改進焊接工藝的成效較差，且質量不易控制；采取補強措施或削弱措施可以實現塑性鉸外移至梁端截面，從而保證結構抗震延性需求[5]。

由此進入了塑性鉸外移梁柱節點的設計階段。例如，較早的專利申請US19950419671，通過對梁腹板及柱腹板進行切縫實現塑性鉸的外移；又如，日本專利申請JP特愿平11-52445，設計出狗骨式節點梁翼緣，通過對梁翼緣板的切割來削弱梁中部強度。此外，也有涉及節點加強的技術方案，例如，日本專利申請JP特愿平9-232360，通過螺栓和菱形的隔板來連接與柱垂直的梁，減少對接焊縫，避免可能產生的脆性破壞。綜合來看，塑性鉸外移的設計方式主要分為梁端加強式和梁截面局部削弱兩種思路。其中，梁端加強式可以通過蓋板式、加肋型節點、加腋型節點和加強側板幾種方式實現；梁截面局部削弱則可以通過狗骨式截面、梁截面熱處理、腹板切縫型、腹板開孔型節點和翼緣板局部置換的技術手段實現。

此外，還出現了節點耗能的設計理念，即在節點處設置特定的耗能元件，通過耗能元件合理高效地吸收振動能量，從而避免節點處梁柱構件被破壞。具有代表性的專利有日本專利申請JP特愿平6-297658，采用屈服強度低于相鄰梁柱的軟鋼材料制成的耗能片，將其安裝在梁柱節點位置處。這一時期，節點耗能的設計思路仍處于起步階段，后續才有了較大發展。

2.3 第三階段（2008—2017年）：技術成熟期

2008年，中國發生了汶川大地震，引發了中國建筑行業對鋼結構梁柱節點的研究熱潮。在前期30多年的技術積累上，經過這一階段的研發和改進，進入技術成熟期。由于塑性鉸外移的設計方式在第二階段已經趨于完善，因此，這一時期具有代表性和技術突破性的專利申請較少。該時期注重對節點耗能的研究，并關注節點的震后修復，同時注重多種節點抗震措施或設計理念的組合。具有代表性的節點耗能申請有日本專利申請JP2014119299A，在梁的腹板上設置阻尼單元；韓國專利申請KR20120101693A，梁的上下腹板與柱采用不同連接方式，上翼緣板通過螺栓連接，下翼緣板通過鋼制阻尼器連接。由于地震烈度大，破壞性強，并且余震頻率高，鋼結構房屋的震后修復也成為這一時期的研究重點，如何減小結構的殘余形變，如何修復受損節點以確保結構的后續抗震能力，成為研究重點。同濟大學提出了通過記憶合金螺栓或螺桿，兼顧震中的變形耗能，以及震后的塑性形變回復功能，從而實現節點的抗震和震后修復功能，涉及的專利申請有CN201310105996、CN201510565914。對于節點構件的替換，華南理工大學提出了震后可替換的上端懸掛式鋼框架耗能梁柱節點（申請號CN201610942632），哈爾濱工業大學提出了一種可更換組合鋼板耗能鋼結構梁柱節點（申請號CN201610422456）。

3 結語

隨著鋼結構房屋的不斷發展，如何提高鋼結構的抗震性能成為一個越發緊迫的技術問題。現有技術中已經提出了塑性鉸外移和節點耗能兩種重要的理念，并在上述兩種思路下發展的過程中提出了較為成熟的技術方案。近年來，研究熱點逐步向節點回復和震后修復轉移，但涉及相關技術主題的專利申請和研究成果相對較少。這是鋼結構節點抗震的發展方向，其發展與新材料如記憶合計技術的進步密切關聯。

參考文獻：

[1]劉其祥，蔡益燕，朱知信，顧泰昌.多高層房屋鋼結構梁柱剛性連接節點的抗震設計[J].建筑結構，2001（8）：9-12.

[2]姚國春，霍立興，張玉鳳，等.焊接鋼結構梁柱節點地震下的斷裂行為研究[J].鋼結構，2000（4）：25-27.

[3]王玉田.梁端翼緣擴大型連接鋼框架抗震性能研究[D].西安：西安建筑科技大學，2012.

[4]侯振山.狗骨式與普通式節點的斷裂性能分析比較[D].蘭州：蘭州理工大學，2012.

[5]何小輝.鋼框架新型耗能梁柱節點滯回性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.