北嶺地震和販神地震后美日鋼框架節(jié)點設計的改進_土建水利法論文

1、北嶺地震和販神地震后美日鋼框架節(jié)點設計的改進_土建水利法論文    摘要：本文介紹1994年美國北嶺地震和1995年日本限神地震引起的鋼框架梁柱節(jié)點破壞情況， 壞原因探討，設計改進措施，兩國構造的異同和我國的相關對策等。 關鍵詞： 鋼框架 震害 節(jié)點設計 襯板 1前言 1994年1月17日發(fā)生在美國加州圣費南多谷地的北嶺地震（Northridge Earthquake）和 正好一年后1995年1月17日發(fā)生在日本兵庫縣南部地區(qū)的阪神地震(Hyogoken-

2、Nanbu Earthquake)是兩次陸域型強震，都導致了焊接鋼框架梁-柱附性連接節(jié)點的廣泛破壞。震后兩國進行了大量的調查和研究，揭示了破壞的原因，在此基礎上提出了改進鋼框架節(jié)點設計的技術措施。兩國在此期間都發(fā)表了不少論文，所作的討論開拓了人們的眼界，提供了對鋼框架的節(jié)點設計的更多了解，對今后鋼框架節(jié)點設計有深遠的影響。我們受中國建筑科 學研究院抗震所委托，對有關資料進行了搜集、整理和歸納，現將其主要內容在此作一介紹。 2美日兩國鋼框架節(jié)點的破壞情況 兩國鋼框架破壞情況的報導，主要集中在梁柱混合連接節(jié)點上，因此本文也以梁柱混 合連接為主要對象

3、?；旌线B接是一種現場連接，其中梁翼緣與柱用全熔透坡口對接焊縫連接，梁腹板通過連接板與柱用高強度螺栓連接。美國慣常采用焊接工字形柱，日本則廣泛采用箱形柱，僅在一個方向組成剛架時采用工字形柱。在梁翼緣連接處，工字形柱腹板上要設置加勁肋(美國稱為連續(xù)板)，在箱形柱中則要設置隔板。 美、日兩國梁杠混合連接節(jié)點的典型構造。在節(jié)點設計上，兩國都采用彎矩由翼緣連接承受和剪力由腹板連接承受的設計方法，美國還規(guī)定，當梁翼緣承受的彎矩小于截面總彎矩的70或梁腹板承受的彎矩大于截面總彎矩的30時，要將梁腹板與連接板的角部用角焊縫焊接。日本則規(guī)定腹板螺栓連接應按保有耐力即框架達到塑性階段時的承載力設計，螺栓

4、應設置2-3列，也是為了考慮腹板可能承受的的彎矩。梁翼緣處的柱加勁肋，美國過去根據傳力的需要由計算確定，其截面較小。日本根據構造要求采用，其截面較大。2.1 美國北嶺地震后對剛框架節(jié)點破壞的調查 從70年代以來，美國采用高強螺栓聯(lián)接鋼框架已很普遍，北嶺地震后出現破壞的有100多幢3 (有的報導說90多幢7 、150多幢1 或200多幢5 )。為了弄清破壞的原因，北嶺地震后不久，在美國聯(lián)邦應急管理局(FEMA)資肋下，有加州結構工程協(xié)會(SEAOC)、應用技術研究會(ATC)和加州一些大學的地震工程研究單位(CU)等組成了被稱為SAC和

5、聯(lián)合動機構，對此開展了深入調查和研究，以便弄清破壞原因和提出改進措施。 美國的鋼框架梁-柱連接，在50年代多采用鉚釘連接，60年代逐步改用高強度螺栓連接。為了評估栓焊混合連接的有效性，曾進行過一系列試驗，這種由翼緣焊縫抗彎和腹板螺栓連接抗剪的節(jié)點，美國以前規(guī)定其塑性轉角應達到 O015rad(165)，但大量試驗表明，塑性轉角的試驗結果很離散，且出現了早期破壞，總的說來性能很不穩(wěn)定。北嶺地震前，德州大學教授Engelhardt就曾對這種連接在大震時的性能產生疑問，指出在大震時要密切注意，對它的的設計方法和連接構造要進行改進7 。 北嶺地震證實了這一疑慮，

6、為此SAC通過柏克萊加州大學地震工程研究中心(EERC) 等4個試驗場地，進行了以了解震前節(jié)點的變形響應和修復性能為目的的足尺試驗和改進后的節(jié)點試驗。對北嶺地震前通常做法的節(jié)點及破壞后重新修復節(jié)點的試驗表明全部試 驗都觀察到了與現場裂縫類似的早期裂縫，試驗的特性曲線亦與以前的試驗結果相同，梁的塑性轉動能力平均為0.05弧度，是SAC經過研究后確定的目標值003弧度的16，說明北嶺地震前鋼框架節(jié)點連接性能很差，這與地震中的連接破壞是吻合的。而且破壞前 沒有看到或很少看到有延性表現，與設想能發(fā)展很大延性e6鋼框架設計意圖是違背的。 焊接鋼框架節(jié)點的破壞，主要

7、發(fā)生在梁的下翼緣，而且一般是由焊縫根部萌生的脆性破壞裂紋引起的。裂紋擴展的途徑是多樣的，由焊根進入母材或熱影響區(qū)。一旦翼緣壞了， 由螺栓或焊縫連接的剪力連接板往往被拉開，沿連接線由下向上擴展。最具潛在危險的是由焊縫根部通過柱翼緣和腹板擴展的斷裂裂縫。 從破壞的程度看，可見裂縫約占20-30，大量的是用超聲波探傷等方法才能發(fā)現的不可見裂紋。裂紋在上翼緣和下翼緣之間出現的比例為1：5-1：20，在焊縫和母材上出現 的比例約為1：10到1：100。一般認為，混凝土樓板的組合作用減小了上翼緣的破壞，也有人認為上翼緣焊縫根部不象下翼緣那樣位于梁的最外側，因此焊根中引起的應力

8、較低，減少了上翼緣破壞的概率1 。 美國斯坦福大學Krawinkler教授對北嶺地震中幾種主要連接破壞形式作了歸納， 由下翼緣焊縫根部開始出現的這樣或那樣的破壞，最多的是沿焊縫金屬的邊緣破壞，另有沿柱翼緣表面附近裂開的剝離破壞，也有沿腹板板切角端部開始的梁翼緣斷裂破壞，或從柱翼緣穿透柱腹板的斷裂破壞 。 北嶺地震雖然沒有使鋼框架房屋倒塌，也沒有因鋼框架節(jié)點破壞引起人身傷亡，但使業(yè)主和保險公司支付了大量的修復費用。僅就檢查費用而言，不需挪動石棉時為每個節(jié)點 800-1000美元，需挪動石棉時為每個節(jié)點1000-2000美元，對于有石膏抹

9、灰和吊頂的高級住宅，每個節(jié)點達2000-5000美元，修復費用更高211。更重要的當然是對過去長期沿 用的節(jié)點在抗震中的安全問題提出了疑問，必須認真研究和解決。22 日本販神地震后對鋼框架節(jié)點破壞的調查 阪神地震后，日本建設省建筑研究所成立了地震對策本部，組織了各方面人士多次參加的建筑應急危險度和震害的調查，民間有關團體也開展了各類領域的震害調查，但因鋼結構相對于其它結構的震害較少，除新發(fā)現了鋼柱脆斷或柱腳拔起外，鋼框架節(jié)點的破壞主要表現在扇形切角(scallop)工藝孔部位，但因結構體被內外裝修所隱蔽，一般業(yè)主、設計或施工人員對此震害調查不太積極，對鋼框架系統(tǒng)震

10、害的調查遇到一定困難。僅管如此， 日本學者還是就腹板切角工藝孔方面的問題進行了探索，如日本建筑學會結構連接委員會和鋼材俱樂部等單位，專就工藝孔破壞狀態(tài)等問題作了系統(tǒng)深入的研究。 日本對于混合連接的研究，早在1978年以后的石油危機中，就曾利用建筑處于低潮機會結合自屏蔽電弧焊的出現和應用，系統(tǒng)地開展過。進入90年代后，隨著高層、超 高層和大跨度鋼結構建筑的增多，梁柱截面增大，若采用過去的梁懸臂段形式，由于運輸 尺寸上的限制，懸臂長度大致不能超過1m；另一方面，由于梁翼緣板厚增大，拼接螺栓增多，結果梁端至最近螺栓的距離只有500mm左右，截面受到很大削弱，對

11、保證梁端塑性 變形很不利。這樣，在大型鋼結構工程中，現在較多采用梁與柱的混合連接。圖1是采用箱形柱時的混合連接示意圖梁翼緣與箱形柱隔板直接焊接7 。 日本在美國北嶺地震前不久，曾對此種連接進行了試驗研究，結果表明，梁端翼緣焊 縫處的破壞幾乎都是在梁下翼緣從扇形切角工藝孔端開始的，沒有看到象在美國試驗中和地震中出現的沿焊縫金屬及其邊緣破壞的情況，通過試驗和版神地震觀察到的梁端工藝孔 處的裂縫發(fā)展情況。 日本鋼材俱樂部研究了扇形切角工藝孔帶襯板及底部有焊縫的兩種節(jié)點試驗。 美、日兩國鋼框架在地震中的梁柱節(jié)點破壞形式是有區(qū)別的，北

12、嶺地震中的裂縫多向柱段范圍擴展，而阪神地震中的裂縫則多向梁段范圍發(fā)展。對兩國節(jié)點破壞情況的這種差異與其與構造差異的關系，還有待進一步探討。3節(jié)點破壞原因與分析北嶺地震后，美日兩國學者就節(jié)點破壞原因，通過現場調查、室內試驗和現場檢驗，進行了結構響應分析、有限元分析、斷裂力學分析等，還作了很多補充試驗，結合震前研究， 對節(jié)點破壞原因提出了一些看法。首先認為節(jié)點破壞與加勁板、補強板腹板附加焊縫等的變動，并沒有什么直接關系，也并不是僅由設計或施工不良所能說明的，而是應從節(jié)點本身存在根本性缺陷方面去找原因。有以下幾方面因素，被認為是決定和和影響節(jié)點性能而導致了破壞。 31 

13、焊縫金屬沖擊韌性低3 美國北嶺地震前，焊縫多采用E70T-4或E70T-7自屏蔽藥芯焊條施焊，這種焊條提供的最小抗拉強度480MPa，恰帕沖擊韌性無規(guī)定，試驗室試件和從實際破壞的結構中取出的 連接試件在室溫下的試驗表明，其沖擊韌性往往只有10-15J，這樣低的沖擊韌性使得連接很易產生脆性破壞，成為引發(fā)節(jié)點破壞的重要因素。在北嶺地震后不久所作的大型驗證性試驗，對焊縫進行十分仔細的操作，做到了確保焊接質量，排除了焊接操作產生的影響。焊縫采用E70T-4型低韌性焊條，盡管焊接操作的質量很高，連接還是出現了早期破壞， 從而證明了焊接縫金屬沖擊韌性低,是焊接破壞的因素之一。 32 焊縫存在的缺陷3 對破壞的連接所作調查表明，焊接質量往往很差，很多缺陷可以看出明顯違背了規(guī)范規(guī)定的焊接質量要求，不但焊接操作有問題，焊縫檢查也有問題。很多缺陷說明，裂縫萌生在下翼緣焊縫中腹板的焊條通過孔附近，該處的下翼緣焊縫是中斷的，使缺陷更為明顯。該部位進行