刚性连接节点的抗震性能的分析
刘朝科彭军
（西安科技大学建筑与土木工程学院 710054）
[摘要] 通常认为钢框架具有良好的抗震性能，但在最近的几次大地震中许多高层钢结构房屋的梁柱刚性连接节点受到严重破坏。
这说明传统的刚性连接框架在某些方面存在这不足之处。
本文对刚性连接框架的形式以及抗震性能进行了深入的分析和总结，最后对提高刚性连接框架的抗震性能，在设计、构造、及施工三方面提出一些意见和建议。
[关键词] 梁-柱刚性连接节点常用设计法栓焊连接强节点弱构件延性
中图分类号：TU391
ANALYSIS OF THE ASEISMATIC CAPABILITY OF THE BEAM-COLUMN CONNECT IN STEEL FRAME
Liu Chao Ke PengJun
(Xi’an university of science and technology 710054)
Abstract Steel frame has nice aseismatic capability, but column-beam rigidity joints in hundreds of multi-story and high steel buildings had been damaged in the Northridge earthquake and the Hanshen earthquake. The traditional method has some deficiencies. The authors study in form and capability of the Frame. And suggestions on design and fabrication are presented.
Keywords column-beam rigidity joints; bolt-weld connection; general design method; ductility
一直被工程界认为具有良好抗震性能的钢结构建筑在多次大地震中发生各种不同的破坏形式。
特别是1994年美国Northridge地震和1995年日本阪神地震中，数百栋多高层钢结构房屋的梁柱刚性连接节点受到严重破坏，引起世人的极大关注。
这种局部破坏在某些情况下比构件的材料破坏或失稳更具危险，因为结构在遇到荷载改变或强烈余震的作用后有可能发生整体倒塌。
因此梁柱连接的性能对刚性框架的受力性能有极大的影响。
1震害原因
1.1梁-柱刚性连接方式
目前国内已建成的高层钢框架梁柱节点连接的主要采用刚性连接。
常见有三种刚性连接：①全焊连接；②全栓连接；③栓焊连接。
国内外许多科研机构对上述三种不同形式的连接性能进行了试验研究，认为：全焊连接节点在反复荷载作用下，节点承载能力没有降低，荷载-挠度滞回曲线呈稳定的纺锤形，连接具有良好的延性，但对钢构件的制作精度要求较高；全栓连接施工方便却方面费用太高；而栓焊连接表现出良好的抗震性能造价又低的优点。
因此大多数梁柱连接采用栓焊混合连接。
典型的刚性梁柱连接形式见图1。
1.2原因分析
对美国Northridge地震中节点破坏的钢框架进行研究发现在钢框架房屋结构设计时不恰当地采用了所谓“常用设计法”，即在无任何加强连接构造措施的情况下，翼缘连接承受全部作用弯矩，梁腹板只承受全部作用剪力的假定。
在实际的工程中，常用的工字型截面梁中在处于弹性阶段翼缘承受全截面抗弯承载力的80％～85％，腹板承受全截面抗弯承载力的15％～20％。
而采用栓焊连接的梁柱节点，翼缘对接所能承受的弯矩最多只能与翼缘等强。
腹板的抗弯承载力只有框架横梁的80％～85％。
再将高空施焊条件差、焊缝存在某些缺陷以及残余应力等不利因素考虑在内，其抗弯承载力可能只有横梁的70％～75％。
此时，腹板不能有效地传递弯矩，加上一部分剪力有翼缘焊缝传递，这样柱翼缘将发生较大变形，导致梁翼缘焊缝开裂，最后塑性铰没有形成，节点就发生脆性破坏。
这违背了“强节点弱构件”的设计基本原则。
美国Northridge地震中数百栋钢结构房屋梁端开裂就证明了这一点。
2强节点设计原则
要实现强节点弱杆件的目标，就必须在梁—柱连接节点设计中，不仅要对罕遇地震时节点的极限承载力进行计算，而且更应该对在常遇地震时弹性设计阶段的节点承载力进行计算。
此外，在设计中还必须遵守以下两个基本原则：
1、在弹性阶段，梁柱连接处的抗弯能力必须大于框架梁的抗弯能力，并使二者之比≥k（k 为连接承载力抗震调整系数与框架梁承载力抗震调整系数之比）。
防止受大震作用时因梁柱连接处可能存在的某些缺陷导致框架横梁在尚未出现塑性铰之前，节点连接就过早地发生脆性破坏。
2、在满足基本原则1后，在弹塑性阶段，塑性
铰必然将离开柱面向外移，为此在弹性设计阶段就应预测并人为控制塑性铰的位置，使该位置梁截面最外纤维的最大弯曲应力高于梁相连接处焊缝的最大弯曲应力，以便在大震时促使框架梁在可能出现塑性铰的部位。
其翼缘在高应力下首先屈服，产生塑性变形，形成塑性铰，以达到耗散地震能量的目的。
为了实现以上两个基本原则，就必须排除在常规的等截面梁上未经任何加强或削弱就直接与柱连接的作法(不论是全焊接连接还是栓焊混合连接)。
在构造上必须打破常规，采取一些改进措施来满足上述要求。
3改进梁柱连接的措施
对Northridge地震中破坏的钢框架研究发现，这些钢框架的梁柱节点没有满足强度和延性的要求，所以这些破坏的节点没能发挥设计者预期的延性水平。
虽然在地震中没有人员的伤亡，但业主要花费大量的维修费用。
因此提高梁柱节点的强度和延性对整个工程的安全性和经济型都有重大的意义。
1）为了做到“大震不倒”，在多高层刚性钢框架抗震设计时应注意做到“强柱弱梁，强连接弱杆件”。
《高层建筑钢结构技术规程》规定梁柱连接的最大受弯承载力不小于连接梁截而全塑性弯矩的1.2倍。
即
Mu≥1.2Mp （1）
这里Mu，是节点连接的最大受弯承载力，Mp为梁的全塑性弯矩。
2）选择合适的节点域厚度。
节点域太薄，则梁端难以形成塑性铰；节点域太厚则使用钢量增加，而且不能利用节点域的屈曲和屈服来吸收地震能量。
“JGJ99- 98”规定7度以上抗震设防的结构梁柱连接应满足（2）
式中，α为系数，按7度设防的结构取0.6，按8、9度设防的结构取0.7，Mpb1和Mpb2分别为节点域两侧钢梁端部截面的全塑性弯矩；fv为节点域抗剪强度设计值；Vp是节点域体积。
当节点域不满足要求时，可采用加贴加劲板或增加劲肋的办法补强。
3)连接构造应使结构能够形成可靠的耗能体系。
由于Northridge地震中焊接刚性发生了脆性破坏，人们提出了许多改进连接延性的方法。
其中一种是在靠近连接处适当削弱梁翼缘，使能形成塑性铰，即所谓的“狗骨式”(dog bone)设计，见图2。
这种形式的连接具有非常好的塑性变形能力。
塑性转角可以达到0. 03 rad以上。
另外还可以采用加腋的方法对梁柱连接进行补强，见图3。
4)焊缝及焊接热影响区的缺陷是导致梁柱连接脆性破坏的重要因素。
因此设计时应选用韧性比较好的焊条，施工时应保证焊缝质量，尤其是下翼焊缘的质量，注意施焊顺序，控制焊接时的最高温度。
对于难以施焊处应采用熔化咀电渣焊。
5)重视连接的细部构造。
如对于腹板连接较弱的螺栓连接用适当的角焊缝补强可以改善连接的滞回性能；梁腹板切角的形状和大小既要便于施工。
又不能对结构削弱太多；高层
钢框架的柱翼缘较厚，应采用防止层间撕裂的构造。
4结论
1）在设计方面，常用设计法即翼缘连接承受全部弯矩，梁腹板承受全部剪力的假定，是导致结构发生脆性破坏的主要原因。
2）在构造方面，常规的等截面梁上未经任何加强或削弱就直接与柱连接的作法是钢框架在地震作用时梁柱连接处过早地发生脆性破坏的主要因素。
为使结构能够形成可靠的耗能体系，提高延性，可采用两种方法。
一种是削弱型即在靠近连接处适当削弱梁翼缘，使能形成塑性铰；另一种是加强型即对梁柱连接进行补强措施。
3）节点域太薄，则梁端难以形成塑性铰；节点域太厚则使用钢量增加，而且不能利用节点域的屈曲和屈服来吸收地震能量。
因此选择合适的节点域厚度对刚性连接框架的抗震性能影响显著。
4）在施工方面，由于焊缝的质量是影响刚性连接框架的延性的因素之一，因此在进行钢结构施工时严格控制施焊顺序以及控制焊接时的最高温度等施工细节是十分必要的。
参考文献
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