美日兩國鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式對比分析

美日兩國鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式對比分析

一、震害情況調(diào)查和分析如果鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或施工不當(dāng)，尤其是鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理。當(dāng)發(fā)生強(qiáng)震時(shí)，它會(huì)造成嚴(yán)重的地震。1994年美國的諾斯里奇地震、1995年日本的阪神地震后,許多國家和地區(qū),主要是美、日兩國的專家學(xué)者對鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能與破壞機(jī)理做了廣泛的調(diào)查和深入的研究,并做了大量的試驗(yàn)分析,提出了多種抗震性能有所改進(jìn)的節(jié)點(diǎn)做法。二、矩形鋼管柱震后改進(jìn)措施由于美國多采用H型鋼柱,日本多采用方、矩形鋼管柱,節(jié)點(diǎn)構(gòu)造也有所不同,故在地震中表現(xiàn)出來的梁柱節(jié)點(diǎn)破壞特點(diǎn)也不完全相同,震后所采取的改進(jìn)措施也各有特點(diǎn)。1.美國的鋼框架連接(1)梁柱節(jié)點(diǎn)焊縫發(fā)展破壞模式1994年以前美國的典型梁柱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)如圖1所示,在諾斯里奇地震中觀察到的梁柱節(jié)點(diǎn)連接破壞大多發(fā)生在梁的下翼緣處,其破壞模式有:1)梁下翼緣與柱翼緣焊接處,焊縫與柱翼緣完全斷開;2)斷裂從襯板和柱交界處開始,然后向柱翼緣母材擴(kuò)展,而后撕下一部分柱翼緣母材;3)焊縫熔合線處梁下翼緣裂通;4)柱翼緣開裂,甚至擴(kuò)展到柱的腹板內(nèi)等。研究分析的結(jié)果表明,發(fā)生上述梁柱節(jié)點(diǎn)連接部位破壞模式的主要原因是:1)焊縫存在的缺陷,如裂縫、欠焊、熔化不足或不良、夾渣及氣孔,由于梁端腹板下翼緣處工藝孔偏小,使下翼緣焊縫在施焊時(shí)實(shí)際上中斷;2)連接部位的鋼材存在三向應(yīng)力,無法形成側(cè)向收縮或剪切滑移,以致在沒有明顯屈服現(xiàn)象下就發(fā)生脆性破壞;3)梁柱節(jié)點(diǎn)的高應(yīng)力區(qū)集中在梁翼緣的坡口焊縫處;4)梁翼緣焊縫的焊接襯板邊緣缺口效應(yīng)——焊接工藝所需的襯板與柱翼緣之間形成的“人工縫”的尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中;5)在梁翼緣對應(yīng)位置的工字形柱加勁肋厚度偏薄等。(2)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)連接方式規(guī)范美國在諾斯里奇地震發(fā)生后,由加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會(huì)(SEAOC)、應(yīng)用技術(shù)研究會(huì)(ATC)和加州大學(xué)地震工程研究中心(CUREe)成立了簡稱為SAC的聯(lián)合機(jī)構(gòu),由聯(lián)邦突發(fā)事件管理局(FEMA)提供資金,主要進(jìn)行抗震性能較好的梁柱連接節(jié)點(diǎn)的研究,SAC的最后研究成果建議已于2000年6月發(fā)布。SAC發(fā)布的FEMA350報(bào)告共提到梁柱節(jié)點(diǎn)連接改進(jìn)的方式有十三種,建議工程師在不同的設(shè)計(jì)條件中自行判斷采用,其形式見圖2,其中圖(a)~(i)九種節(jié)點(diǎn)經(jīng)過了試驗(yàn)研究,圖(j)~(m)四種節(jié)點(diǎn)形式為專利節(jié)點(diǎn)。以上節(jié)點(diǎn)中,僅圖2(a),(m)所示的WUF-B和RW節(jié)點(diǎn)形式與圖1所示的諾斯里奇地震以前的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)做法類同,即為翼緣焊接、腹板栓接的栓焊混合連接,但柱內(nèi)在梁上、下翼緣處加勁隔板的形狀與焊接方式均有所改善,梁上下翼緣和該處的墊板處理及腹板上的工藝孔也均有所改進(jìn),詳見圖3。其他節(jié)點(diǎn)連接有些是全焊節(jié)點(diǎn)(圖(b)~(e),(j),(k)),有些是籍助T形連接件(圖(i))、梁端板(圖(f),(g))、平板連接件(圖(h))、L形連接件(圖2(l))的全栓接節(jié)點(diǎn)。全栓接節(jié)點(diǎn)連接方式在上、下翼緣處梁腹板均不設(shè)工藝孔,避免了因幾何形狀的不規(guī)則帶來的應(yīng)力集中。圖2的節(jié)點(diǎn)連接方式中有的在梁柱節(jié)點(diǎn)連接處加強(qiáng)了翼緣(圖(d));有的離梁柱節(jié)點(diǎn)一定距離后削弱梁的翼緣,即通常所說的狗骨式(dog-bone)(圖(e));有的在梁柱連接節(jié)點(diǎn)處增設(shè)一對高度為梁截面全高的加強(qiáng)側(cè)板,使梁與柱的連接成為夾心餅干式,側(cè)板將梁柱分開,梁翼緣與柱不接觸,從而改變了傳統(tǒng)的梁與柱翼緣焊接的方式,消除了所有其他焊接節(jié)點(diǎn)中的三軸應(yīng)力集中(圖(j));有的采用在離梁柱節(jié)點(diǎn)一定距離后減弱腹板(圖(m))。圖2中以上幾種節(jié)點(diǎn)均可將梁柱連接在構(gòu)造上使塑性變形區(qū)段從柱面外移,并可有意識地控制塑性鉸的位置,改善了節(jié)點(diǎn)連接的抗震性能。圖2(k)所示的梁柱連接節(jié)點(diǎn)是SSDA開發(fā)的開槽腹板的專利節(jié)點(diǎn)。它是在節(jié)點(diǎn)區(qū)將梁腹板和梁翼緣分開,槽縫的作用是將抗震梁的彎矩和剪力分段,使梁的腹板承受全部剪力和部分彎矩,而梁翼緣僅承受彎矩,另外節(jié)點(diǎn)允許梁的翼緣和腹板獨(dú)立變形,力的分布與樓層的位移角無關(guān),從而提高了抗疲勞性能。與未開槽的焊接翼緣不同,開槽腹板連接不受彎扭屈曲;同時(shí),腹板開縫后將翼緣與腹板隔開,減小了節(jié)點(diǎn)處的地震應(yīng)力和應(yīng)變梯度;此連接使垂直焊縫與水平焊縫拉開較長的距離,較大地減小了焊接的殘余應(yīng)力。由于該節(jié)點(diǎn)用W36H(相當(dāng)于914mm高)型鋼梁做的試驗(yàn)失敗,因此該節(jié)點(diǎn)形式只能用于W30(相當(dāng)于762mm高)及以下的梁。在美國已經(jīng)有140項(xiàng)鋼結(jié)構(gòu)工程采用了該節(jié)點(diǎn)形式,總建筑面積超過150萬m2。圖2(j)側(cè)板式節(jié)點(diǎn)由加州大學(xué)和圣地亞哥大學(xué)進(jìn)行足尺循環(huán)荷載試驗(yàn),通過了試驗(yàn)驗(yàn)證,并由洛杉磯工程研究機(jī)構(gòu)與建筑和安全研究所、洛杉磯縣公共建筑研究所等美國國內(nèi)公認(rèn)的部門仔細(xì)審查后通過。該節(jié)點(diǎn)兩塊平行的側(cè)板提高了節(jié)點(diǎn)區(qū)剛度,通過三塊板域(兩塊側(cè)板加柱腹板)消除了對很難掌握的節(jié)點(diǎn)板域變形控制的依賴。當(dāng)需要協(xié)調(diào)尺寸時(shí),可采用上下蓋板解決梁柱翼緣寬度差。這種節(jié)點(diǎn)的構(gòu)件尺寸不受限制,柱可以是H型鋼、箱形或十字形。雙軸采用該節(jié)點(diǎn)用材較多,若設(shè)計(jì)成雙向剛接,則施工也較復(fù)雜,采用H型鋼時(shí),另一個(gè)方向宜設(shè)計(jì)為鉸接。2.日本的鋼框架連接(1)梁柱節(jié)點(diǎn)的震害由于日本主要采用方、矩形柱,而大多是冷壓成型方鋼管(BCP)、冷軋成型方鋼管(BCR)和熱軋成形的方鋼管,梁柱連接節(jié)點(diǎn)通常采用內(nèi)隔板外伸與梁翼緣連接的方式(圖4)。阪神地震中梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞模式有:1)方鋼管柱與橫隔板焊縫處的斷裂;2)梁下翼緣與橫隔板焊接處熱影響區(qū)的斷裂;3)在工藝孔范圍內(nèi)梁下翼緣的斷裂;4)在工藝孔范圍內(nèi)橫隔板的斷裂。震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),由于工藝孔的存在,引起了梁柱節(jié)點(diǎn)在該區(qū)域的集中變形,而產(chǎn)生了以工藝孔端點(diǎn)為起點(diǎn)的梁翼緣的脆性斷裂、貫通橫隔板的脆性斷裂以及熔深焊接部位的斷裂等種種破壞,上述震害在震后的試驗(yàn)中也得到了證實(shí)。在震后的試驗(yàn)中測到梁柱節(jié)點(diǎn)處梁翼緣斷面的梁構(gòu)件軸向變形分布為:當(dāng)有工藝孔時(shí),梁翼緣外面的最大變形發(fā)生在斷面端部,內(nèi)面的最大變形發(fā)生在工藝孔端點(diǎn)處;當(dāng)不設(shè)工藝孔時(shí),梁翼緣內(nèi)面或外面的變形集中均在端部,最大變形產(chǎn)生在梁翼緣端部外面。根據(jù)試驗(yàn)中測到的梁翼緣內(nèi)外基本變形分布,采用彈塑性有限元法求得梁翼緣彎曲變形和面內(nèi)變形的關(guān)系,其結(jié)果是:當(dāng)有工藝孔時(shí),彎曲變形與面內(nèi)變形同向,而且在腹板附近均產(chǎn)生較大的變形;當(dāng)不設(shè)工藝孔時(shí),在梁翼緣寬度內(nèi)彎曲變形與面內(nèi)變形反向,其絕對值比面內(nèi)的變形小很多,但變形分布均是中間小,端部大。由此可以看出,工藝孔的存在使下述三個(gè)地方出現(xiàn)了變形集中:1)工藝孔底端梁翼緣處;2)直通橫隔板和梁翼緣焊接部位的外端;3)直通橫隔板外面和鋼管柱焊接部位末端的梁腹板范圍位置處。其影響因素主要有:1)工藝孔幾何形狀的不連續(xù)性;2)梁翼緣端部工藝孔部分,本來由梁腹板負(fù)擔(dān)的一部分剪力由與之相應(yīng)的梁翼緣負(fù)擔(dān)了,因此在梁腹板附近的翼緣和隔板處產(chǎn)生了二次彎曲應(yīng)力;3)由于產(chǎn)生了二次彎曲應(yīng)力,腹板范圍上工藝孔位置處的梁翼緣內(nèi)面變形增加,外面的變形減小,從而增加了柱面及隔板外面腹板范圍位置上的變形。(2)帶懸臂梁段的梁柱節(jié)點(diǎn)鑒于上述情況,1996年2月日本建筑學(xué)會(huì)修改的建筑工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范《JASS6(鋼結(jié)構(gòu)工程)》及《鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)指針》的工廠制作篇中,推薦了在工廠焊接時(shí)不設(shè)工藝孔或采用緩和工藝孔端點(diǎn)應(yīng)力集中的組裝焊接的改進(jìn)型工藝孔,如圖5所示。圖6是日本信州大學(xué)工學(xué)部開發(fā)工程科研室進(jìn)行的幾個(gè)不設(shè)工藝孔做法的實(shí)物試驗(yàn),綜合考慮了設(shè)計(jì)、施工、成本等各種因素后,給出的最為有用的不設(shè)工藝孔做法的梁端構(gòu)造大樣,主要變化是將墊板在梁腹板處斷開,且斷面在梁翼緣與腹板連接處貼合。除帶弧形的墊板外,在日本《鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)指針》(1996)中,根據(jù)梁構(gòu)件的型式(焊接H型鋼或軋制H型鋼)與不同的施工方法(焊接H型鋼梁先焊接好或與節(jié)點(diǎn)同時(shí)裝配),給出了多種不設(shè)工藝孔時(shí)采用的墊板(圖7)。圖8是不采用貫通的橫隔板,而采用豎向加勁肋帶懸臂梁段的梁柱節(jié)點(diǎn)的一種連接方式,該節(jié)點(diǎn)做法是將梁端翼緣朝柱子方向擴(kuò)大,在其側(cè)面用角焊縫兩面焊接三角形的豎向加勁肋板,加勁肋板端部與柱角部采用全熔透焊縫焊接,梁腹板端部與柱子間用兩面角焊縫焊接,梁端翼緣與柱面留有縫隙,不直接連接。梁端翼緣的應(yīng)力通過豎向加勁板順利地直接傳遞給箱形柱節(jié)點(diǎn)部位的柱子側(cè)面,其應(yīng)力傳遞概念見圖9。該節(jié)點(diǎn)有以下優(yōu)點(diǎn):1)梁翼緣和柱子不直接連接,因此,梁端部不要設(shè)工藝孔,使此部分制作容易,也可避免或減少因工藝孔引起幾何不規(guī)則而產(chǎn)生的應(yīng)力集中;2)柱子上安裝不同的梁高處理比較簡單;3)比直通橫隔板式節(jié)點(diǎn)能大幅度減少加工量和焊接量;4)由于梁柱節(jié)點(diǎn)處不要求切斷柱子,故柱子構(gòu)件精度易于保證;5)梁端的豎向加勁肋板對梁存在橫向加勁肋作用的效果;6)不會(huì)出現(xiàn)在直通橫隔板式梁柱節(jié)點(diǎn)連接中的斷裂形式。圖10是日本松本千秋教授提出的另一種采用豎向加勁肋的梁柱連接節(jié)點(diǎn),其做法、特點(diǎn)及傳力方式基本與圖8相同,只是該節(jié)點(diǎn)的豎向加勁肋是通過角焊縫與柱腹板焊接。圖8與圖10采用豎向加勁肋帶懸臂梁段的梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式,可以將出現(xiàn)塑性鉸的位置由梁端往梁跨內(nèi)側(cè)移動(dòng)一些,其效果與美國的“狗骨式(dog-bone)”梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式類似,對抗震較為有利。這二種節(jié)點(diǎn)的抗震性能在日本已經(jīng)過足尺試驗(yàn)的驗(yàn)證,并已在工程中應(yīng)用。圖11是適用于矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的對穿式高強(qiáng)度螺栓端板梁柱連接節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)在柱內(nèi)對應(yīng)梁上、下翼緣處不需設(shè)置加勁板,而是在梁端先用全熔透焊縫焊接一定厚度的端板,然后用高強(qiáng)度螺栓將其栓接在矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)柱上。此節(jié)點(diǎn)不僅在日本,而且在臺(tái)灣省地震工程研究中心及國內(nèi)多所院校均做過足尺的抗震性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示其有很好的非彈性變形性能,且塑性鉸均出現(xiàn)在端板以外的梁中。圖12是日本清水建設(shè)開發(fā)的側(cè)板加強(qiáng)梁端翼緣,即在梁端翼緣二側(cè)分別焊接寬30~100mm,長300~900mm的側(cè)鋼板。該節(jié)點(diǎn)實(shí)際上是加強(qiáng)了梁柱的連接,使梁端坡口焊縫的應(yīng)力減小,從而避免出現(xiàn)焊縫斷裂引起的脆性破壞,并可用控制所加側(cè)板的長度尺寸來調(diào)節(jié)梁的塑性變形區(qū),但不能違背強(qiáng)柱弱梁原則。從以上情況可以看出,震后美國改進(jìn)型節(jié)點(diǎn)的基本對策是將塑性鉸從梁柱連接節(jié)點(diǎn)處的柱面往外移;而日本主要是對構(gòu)造,特別是扇形切角的工藝孔作了不少改進(jìn),另外有些科研機(jī)構(gòu)為避開地震時(shí)發(fā)生梁翼緣與柱翼緣焊接部位的開裂,開發(fā)了新型節(jié)點(diǎn),這些新型節(jié)點(diǎn)中也有塑性鉸外移的反映。三、該項(xiàng)目的提案1.節(jié)點(diǎn)連接的特點(diǎn)梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式的選擇應(yīng)遵循以下原則:1)傳力簡潔、可靠、明確,使節(jié)點(diǎn)的實(shí)際受力情況與計(jì)算分析時(shí)的假定一致;2)構(gòu)造盡量簡單,易于制作,方便運(yùn)輸,安裝時(shí)易于固定和調(diào)整,連接部分的連接工作量應(yīng)力求最少,盡量避免由于幾何形狀的改變引起的應(yīng)力集中;3)節(jié)點(diǎn)連接具有良好的延性,避免采用使母材出現(xiàn)三向約束不能屈服和易產(chǎn)生層狀撕裂的連接形式,保證構(gòu)件在產(chǎn)生充分的塑性變形時(shí)節(jié)點(diǎn)不致破壞;4)節(jié)省材料,有較好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo);5)抗震設(shè)防區(qū)滿足“強(qiáng)連接弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)原則,連接節(jié)點(diǎn)有一定的非彈性變形能力,且塑性鉸出現(xiàn)在梁內(nèi),而非節(jié)點(diǎn)連接處。2.梁柱節(jié)點(diǎn)的選用從抗震設(shè)防角度而言,圖2(a)與圖4的節(jié)點(diǎn)因其施工簡便,構(gòu)造相對簡單,在非抗震設(shè)防區(qū)是不錯(cuò)的選擇;當(dāng)工程處于低烈度抗震設(shè)防區(qū)時(shí),可以考慮選擇圖2(b),(c),(f),(i),(k),(l),(m)和圖5,6的節(jié)點(diǎn)做法;圖2(b),(e),(g),(h),(j)和圖8,10~12所示的節(jié)點(diǎn)可用于高烈度的抗震設(shè)防區(qū)。當(dāng)然,以上各節(jié)點(diǎn)做法若采取一定的措施后,能滿足國家的相關(guān)規(guī)范,其適用范圍也就不局限于上述建議了。從其他方面而言,圖2(f),(g),(h),(j),(l)和圖11表示的梁柱節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)場全部采用高強(qiáng)度螺栓連接,沒有焊接,若梁翼緣不太厚時(shí),比較適用于在寒冷季節(jié)安裝的工程。當(dāng)柱子截面不大(高、寬不大于400mm),或采用冷壓、冷軋、熱軋成型的方、矩形鋼管或方、矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)柱(CFT)時(shí),采用豎向加勁肋的梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式(圖8,10)應(yīng)是較佳的選擇。這種節(jié)點(diǎn)不僅能將塑性鉸外移,具有良好的抗震性能,對CFT柱來說,因柱內(nèi)無橫隔板,澆灌混凝土也十分方便,且易于搗實(shí)。豎向加勁肋的大小應(yīng)根據(jù)柱截面與梁截面尺寸的大小計(jì)算確定,一般其厚度不宜小于12mm,長度不宜小于300mm,高度可取120~200mm。由于豎向加勁肋的存在,給柱邊的樓板施工帶來了不便,可采取在梁或柱側(cè)邊加焊小角鋼等方法解決。對于CFT柱,圖11所示的節(jié)點(diǎn)也是一