钢框架梁柱弱轴节点连接研究

【关键词】梁柱弱轴连接；狗骨式节点；塑性铰  

　　目前国内外对梁柱连接的研究主要集中在梁柱强轴连接上即梁垂直于H型钢柱翼缘的连接。对梁柱弱轴连接即梁垂直于H型钢柱腹板的连接仅有少量研究。钢结构框架体系一般纵横两个方向均为框架，梁柱弱轴连接实质上和强轴连接一样普遍。弱轴连接的分析和设计比强轴连接更困难，不仅因为连接理论上的最大强度和在梁上或柱上形成塑性铰一致，而且对弱轴连接还存在限制最大强度的其它因素。如果被焊到柱腹板上梁的翼缘比柱的宽度窄许多，在柱子或梁上形成塑性铰以前，一个屈服线型的机构在柱腹板上形成。在根据塑性理论确定的塑性极限荷载达到之前，还可能发生柱翼缘和腹板的局部屈曲或连接材料的破坏。另外，柱翼缘对空间的限制使安装困难，连接构造设计复杂，所以对钢结构框架梁柱弱轴连接的性能研究尤为重要。 

　　梁柱连接节点的设计应满足“强柱弱梁、强节点弱构件”的设计思想。就是在强震作用下，节点的承载力高于构件截面的承载力，从而通过梁端塑性铰的形成来耗散地震能，保证结构完整不致发生倒塌，以实现抗震设计的目标。对于传统的梁柱栓焊刚性连接，由于连接端板材的不连续及柱对梁端的约束作用，梁端很难形成塑性铰，改变某些参数虽然能在一定程度上提高其延性，但仍达不到对连接塑性变形能力的要求。因此，在明晰梁柱刚性连接受力特点和破坏机理的基础上，开发新型的梁柱连接，才能从根本上解决传统梁柱刚性连接的脆性破坏问题。为了实现“强节点弱构件”的设计思想，研究者一般采用下述三条途径以改善传统梁柱刚性节点的抗震性能：（1）加强型节点（如图1所示）。即通过增加节点连接件来提高节点的强度。但必须保证不能出现弱柱，有违“强柱弱梁”抗震设计原则。如盖板式、梁腋式、梁肋式等。（2）削弱型节点（如图2所示）。其设计思想是通过对距离梁柱连接处一定距离的梁截面进行局部削弱，迫使地震荷载作用下塑性铰的形成位置偏离脆性较高的节点焊缝区而出现在具有较大延性的梁上，即通过削弱梁来保护节点，颇有点中国传统思想－舍车保帅的思想。符合“强柱弱梁”，“强节点弱构件”的大前提。如翼缘狗骨式连接、腹板开槽削弱连接、腹板开洞连接。（3）预应力节点（如图3所示）。预应力节点是美国Lehigh大学和加州大学最近研制的一种新型钢结构节点[1]。它借鉴了预制钢筋混凝土框架中的无粘结后张拉节点的有关研究成果，在钢框架梁柱连接节点中增设钢拉杆，并采用后张拉法施加预应力。 

　　加强型节点在增强节点的同时也增加节点区域的焊缝，而焊缝过多会使节点区域出现脆性断裂的可能性增加，为了降低这种可能性需要显著提高施焊质量，即对现场施工条件及工人的技术水平提出了更高的要求，因此不容易推广。预应力节点对施工要求较高，国内相关方面的介绍很少。梁柱弱轴翼缘削弱的狗骨式连接即图2（a）所示的节点具有较好的应用价值。 

　　翼缘狗骨式削弱节点根据削弱形状的不同，分为直线型、锥型和圆弧型三种。其中圆弧型狗骨式节点因削弱部位横截面过渡比较均匀，可以减小应力集中的程度，构造也较简单，广泛地被工程界所接受。 

　　通过震害及试验研究表明，传统的刚性节点设计并未很好的发挥梁本身的抗弯承载力，使其在合适的位置形成并发展成为塑性铰。因此，在震后进行的研究中，减少梁翼缘处对接焊缝的应力，人为地使塑性铰在梁上某一部位形成，成为改进刚性节点设计的重要思路。狗骨式节点是针对此种情况提出的一种新型节点，目前在国内外工程中已有应用。这种节点的主要特点是在靠近连接处的梁上下翼缘进行削弱，它的设计思想是：削弱部分的梁起到一个保险丝的作用，迫使大震作用下塑性铰偏离脆弱的节点焊缝，出现在具有很大延性的梁上，即通过削弱梁来保护节点。同时它针对普通节点塑性小的缺陷，对梁进行了合理的削弱，使得较长的一段梁几乎同步进入塑性，即真正做到了延性设计，充分发挥了钢材的塑性。这种节点最初给人的感觉是削弱了梁，虽提高了延性，但会降低结构强度和刚度。实际上，这种由于梁的削弱所造成的结构刚度和强度的降低较小。试验研究表明：当梁翼缘被削弱掉50%时，结构的刚度降低6%~7%；当梁翼缘被削弱掉40%时，结构刚度降低4%~5%左右[2-3]。 

　　狗骨式节点的设计原则就是保证大震作用下塑性铰出现在梁翼缘削弱的部位，同时梁翼缘的削弱对梁的刚度和强度的影响都很小。要实现这一目的，关键是确定圆弧型狗骨式节点削弱部位的尺寸。当梁翼缘削弱部位尺寸和梁长满足一定关系时，对距离柱一定范围内的梁翼缘进行削弱后，应变最大值将出现在具有很大塑性变形能力的梁翼缘削弱部位，偏离了易发生脆性破坏的梁柱焊缝连接处。因此，削弱的截面起到一个保险丝的作用，限制了传到梁柱连接处的弯矩和剪力，也就是说，梁的屈服区控制了传到对接焊缝或节点其它部位的最大内力。 

　　影响狗骨式刚性连接节点受力性能的因素是焊缝类型、尺寸和布置以及梁翼缘削弱位置和削弱程度。焊缝首先必须保证受载过程中梁削弱处形成塑性铰之前不发生脆性断裂，同时梁翼缘削弱部位横截面过渡应均匀避免应力集中导致连接的过早破坏。若梁腹板是采用摩擦型高强螺栓连接，则螺栓直径、排列方式、螺栓的预拉力也是影响连接的因素。螺栓与焊缝在加载过程中应变形协调。美国《房屋钢结构抗震设计条例》给出了圆弧型狗骨式节点梁翼缘削弱位置和削弱程度的参考建议。目前钢框架梁柱弱轴节点连接分析仍然处于研究摸索阶段，希望读者提出诸多改进措施和抗震设计对策，为设计及施工提供建议。 

　　参考文献： 

　　[1]禹慧,陈俊岭.钢框架预应力节点的介绍与分析[J].结构工程师, 2005,21(4):61-65 

　　[2]易方民.高层建筑偏心支撑框架结构抗震性能和设计参数研究[D]. 中国建筑科学研究院博士学位论文, 2000 

　　[3]高小旺,张维,易方民等.高层建筑钢结构梁柱节点试验研究报告[R].中国建筑科学研究院试验报告,2000.