探钢结构节点抗震措施

【关键词】钢结构；节点；抗震措施 

　　钢结构建筑质量的好坏受节点设计的影响较大。如果构件没有遭到破坏但是节点却已经失效，则完全达不到所需要的结构抗震设计。上世纪先后发生的美国洛杉矶大地震和日本阪神大地震，出现的建筑梁柱节点断裂，经调查根本原因是因为节点设计和施工存在着问题。本文从节点破坏的机理入手，简要阐述了节点抗震的原则及对抗震节点设计的改进等。 

　　1 节点脆性破坏机理 

　　节点脆性破坏主要是因为焊缝质量以及较高的三向应力所造成的。较为典型的节点脆性破坏模式是：脆性裂纹自柱翼缘与梁下翼缘的相交焊缝的地方，经过不同的途径进行扩展，造成多种类型的断裂模式。在总共的裂纹8种形式中，有7种裂纹起源于梁下翼缘和柱翼缘交叉区域，由此说明节点梁底部翼缘焊接区是脆性破坏发生主区域。具体的原因有：结构在焊接过程中容易受各种因素的影响，其中有焊缝金属冲击韧性低和焊缝缺陷，都是应力集中产生的原因。受地震力作用，梁柱节点处应力值较大且状态复杂，焊接部位钢材往往处于三向应力状态，造成节点焊缝截面成为框架薄弱环节。而钢材韧性仅在较细杆件处于单轴应力状态下才可以较好发挥，当其处于三向应力状态下，较难发挥材料优势性能，在没有明显屈服现象下出现脆性破坏。其次，坡口焊缝处衬板和引弧板造成“人工”裂缝存在，也容易造成裂缝尖端应力集度系数超过临界值，进而出现不稳定断裂。再次，梁柱连接处钢材因受约束不能转动，特别是当柱翼缘板材较厚时，此约束使梁柱节点处钢材不能屈服，加剧了该处焊缝局部高应力，增大了在焊缝缺陷中引发裂缝机率。此外，还有组合楼板产生负面影响、柱节点板域过大的剪切屈服变形等多种因素 

　　2 钢结构梁柱节点设计原则 

　　节点须可以完全传递被连接板件的剪力和弯矩，发挥好钢材塑性性能，以此来保证在发生地震时，钢框架梁柱节点少发生甚至不发生脆性破坏。由此而提出节点设计的方法，具体的有：把塑性铰位置外移；对梁翼缘焊缝衬板缺口作处理；改进扇形切角构造；选用有较高冲击韧性焊缝；把梁腹板与柱子焊接。在进行抗震的设计时，直接进行满焊连接有可能达不到要求，需经抗震措施加强。现在，主要用将塑性铰自梁端外移来避免强震下梁柱连接处焊缝破坏的做法，方法有：加强梁端截面；局部削弱梁截面；狗骨式与梁端加强式相结合等。这些方法都很好的增加了梁端的局部截面，降低了该处局部应力，保证结构发生延性破坏。但是，这些方法在进行节点局部的加强时需要十分注意，以免出现弱柱，违背强柱弱梁的设计原则。此外，还需要注意：梁与柱刚性连接时，按抗震设防要求，柱在梁翼缘上下各500mm节点范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的组合焊缝需用全焊透剖口焊缝；如果梁翼缘塑性截面模量小于全截面塑性截面模量的70%时，梁腹板与柱连接螺栓不能低于两列。如果仅仅需要一列，仍然要布置两列，并且螺栓的总数不得低于计算值的1.5倍；螺栓孔等对梁全截面削弱率控制在25%以内。利用好这些构造措施，就能很好的保证在大震发生时，梁上出现塑性铰，由此减轻震害，达到大震不倒的抗震设计要求。 

　　3 钢结构节点抗震措施 

　　节点左右端和上下柱端的全塑性承载力应符合下列公式要求。如果柱在楼层受剪承载力比上层高25%或者柱轴向力设计值与柱全截面面积和钢材抗拉强度设计值乘积的比值不超过0.4，或者轴心受压构件在2倍地震力下稳定性能保证，则可不按该公式计算。 

　　式中，WPc，WPb分别表示的是柱和梁塑性截面模量；N代表着柱轴向压力设计值；AC表示着柱截面面积；fyc，fyb则分别代表着柱和梁和钢材屈服强度；η则表示强柱系数，超过6层钢框架，6度Ⅳ类场地和7度时，可取1.0，如果是8度的话可以使1.05，而对于9度则能为1.15。 

　　3.1 梁端加强型节点法 

　　此种方法通过适当的增加梁端截面焊缝面积或加大梁端有效面积，从而让梁端极限承载力高于梁截面。当发生地震时，加强后的梁端还没有进入到全截面塑性剪力状态时，在梁端附近因为梁的截面较小，往往会先行形成一个塑性铰而出现塑性破坏，进而发挥节点保护、防止发生脆性破坏的功能。其具体的是加盖板法，增加梁柱焊缝面积以增强连接。地震时，变形发生在翼缘宽度变窄部位，避免了变形集中在梁端。同时，变形发生部位可用侧板长宽尺寸变化自由控制。与其他的工法相比，梁端塑性变形能力提高1倍以上，进而大幅度提高了钢结构的抗震能力。但是，此种方法因为加强了端面积，如果严格按照抗震设计的要求进行节点的设计的话，则会增加柱的腹板高度或增大节点域腹板厚，其对于整个框架结构抗震来说，不利于发挥节点域耗能作用。 

　　3.2 狗骨型节点法 

　　此种方法是通过梁的塑性储备来吸收、耗散地震输入能量，以此来改进节点。此种方法通过削弱梁截面从而人为限定塑性铰形成的位置和长度，充分保护梁柱焊缝，让削弱处梁截面承载力小于节点处承载力。在发生地震时，塑性铰发生在梁削弱处从而出现塑性破坏。同时，让较长的一段梁可同时进入塑性。当梁翼缘被削掉50%时，结构刚度仅下降6%-7%；在削弱40%时，仅仅下降了4%-5%。按削弱形状的不同，狗骨式节点可以分为锥型、直线型和圆弧型。 

　　狗骨型节点的方法在美国和台湾等地区高层钢结构建筑中有着广泛的应用，我国天津的国贸中心也使用了此种方法作设计，此方法也是较为看好的新型框架节点。在地震发生时，该节点有着较好的延性，其在规范中得到了推荐使用。但此方法还是稍有不足，梁的破坏一般是在梁截面应力最大即截面面积最小的狗骨处发生，而中间梁段全截面的承载力并没有被充分利用。对整个梁来说，其承载力主要是由狗骨处小截面决定，造成梁中间大截面部分材料出现了浪费，经济效益并不十分理想。其次，梁截面被削弱从而降低了梁的承载力和刚度，影响整个框架结构可靠性。另外，为防止在削弱处因加工不精、存在缺陷等造成应力集中的问题，施工中对加工工艺精度要求高，工序复杂、费用高。 

　　3.3 梁腹板开槽型节点法 

　　腹板上开槽对腹板削弱和梁弹性阶段荷载-位移曲线影响并不是很明显，由此原理而出现此种节点方法，其设计特点可以在地震作用下让梁柱节点塑性铰有效地外移，进而发挥保护焊接节点、防止发生脆性破坏的目的。更好地减小梁与柱翼缘焊接焊缝处集中应力，利于发挥节点抗震性能，让节点破坏模式从原有焊缝塑性屈曲破坏转为梁翼缘板局部屈曲破坏。但是，此种方法和狗骨式节点式方法类似，操作工艺较为复杂，对精度要求较高，在槽型孔的底部容易出现应力集中点。同时，削弱后的腹板在进行安装时容易受到外力的冲击变形。 

　　4 结论 

　　当发生强烈地震时，钢结构框架的破坏除了梁柱节点出现的破坏之外，还有诸如支撑体系的破坏等其他因素，但是，其中影响最大的还是框架梁柱节点出现的破坏。为此，我们钢结构设计师及工程操作人员仍要加强对钢结构框架梁柱节点的深层次研究，争取能够更好地完善对节点抗震的研究。 

　　参考文献： 

　　[1]潘凤.对钢结构节点设计抗震验算问题的探讨[J].山西建筑，2010（7） 

　　[2]黄第云，王立君，张俊宝.钢结构加腋型梁柱节点抗震性能的探讨[J].建筑结构，2012（6）.