钢框架节点形式及位置对抗震性能的影响

周玉萍

一、前 言

一直以来，钢结构被认为具较好抗震性能的结构形式之一。但是相续发生在美国的北岭地震和日本的阪神地震，使钢框架的梁柱节点发生了不同程度的破坏，主要集中在梁柱混合连接节点上，因此以梁柱混合连接为主要对象。焊接钢框架节点的破坏，主要发生在梁的下翼缘，而且一般是由焊缝根部萌生的脆性破坏裂纹引起的裂纹扩展的途径是多样的，由焊根进入母材或热影响区，北岭地震和阪神地震给美日两国带来了巨大的损失[1]。在北岭地震和阪神地震之前，图1所示的传统梁柱栓焊节点连接被广泛应用在多高层钢框架结构中，当时普遍认为该节点设计方法能够保证节点发挥材料的延性，促使结构在梁端出现塑性铰，并通过塑性铰的形成和转动耗散地震所输入的能量，使节点免于破坏，并保证结构的整体性能使其免于倒塌，以满足 “强节点弱构件”的设计思想。震后的十多年里，日本、美国等国家对钢框架梁柱节点连接的抗震性能以及延性等开展了大量的试验研究，美国除采取相应措施消除焊接衬板的缺口效应外，主要致力于将塑性铰外移的研究工作。大量研究结果表明：强柱弱梁、强节点弱杆件的试件可以发挥梁的塑性承载力，形成梁产生塑性铰的破坏机构，从而具有较大的变形能力和耗能能力，即具有良好的抗震性能。对钢梁截面进行削弱，形成薄弱截面，使强震时梁的塑性铰自柱面外移，从而可以避免梁柱连接处发生脆性破坏。

塑性铰外移的方法大致上分为两种基本形式，即节点加强型和节点削弱型。两种方式的共同目的都是为了将塑性铰自柱面外移到距柱面一定距离的梁上，从而避免了由于节点变形能力的恶化而导致的脆性破坏。

图1 梁柱栓焊连接节点

二、加强型节点

节点加强型主要是通过盖板和梁翼缘局部加宽等方法将节点域加强，从而使塑性铰产生的区域向节点域以外的梁端移动，使塑性铰出现在梁上，尽可能的远离节点域，从而有效保护节点域，降低节点出现脆性破坏可能性，包括在梁端对翼缘加强或在竖向加腋等方法，具体形式如下：

根据美国FEMA273，强柱弱梁表达式中的梁抗弯承载力，表现在梁原截面抗弯承载力和塑性铰剪力与其到柱面弯矩的乘积二者之和，已列入抗震规范。

1.盖板式节点[2]（见图2）其设计思想是加强节点承载能力。这种节点的延性要好于以往的节点，但有时也出现脆性破坏。对于这种节点，最大的困难就是盖板与梁翼缘的焊接及检测，特别是采用厚盖板时将使坡口焊很大，致使焊缝的收缩、复原等更加困难，同时更容易在梁翼缘和盖板的交界处产生更大的残余应力。此类节点目前应用不多。

图2 盖板式节点

图3 边板式节点

2.边板式节点 （见图3），此种节点通过边板使梁柱相连，避免了梁与柱翼缘的焊缝连接，解决了焊缝处柱翼缘厚度方向的强度问题，又有良好的受力性能，与盖板式节点相比较施工工艺简单，而且焊接水平的要求也稍有放宽，但造价无疑是最高的[3]，这种节点不提倡使用。

3.劲板式节点[2]（见图3a），此节点和盖板式节点有相似。同样存在着三轴应力和造价增加等问题，但是劲板式节点在焊接工艺上要好于盖板式节点。

图3 a 劲板式节点

图3 b 劲板式节点

4.托座式节点[4]（见图4），这种节点形式的设计思路是通过加强节点使得塑性铰出现在梁上，通过加强节点来减少焊缝处的应力。它用两个托座分别将梁的上下翼缘和柱翼缘连接起来，托座与梁翼缘一般通过焊缝连接，托座与柱翼缘则可通过铆接、螺栓连接或焊缝连接。其中当托座与柱翼缘通过螺栓连接时一定要使用大的高强度螺栓，以保证节点为刚性连接。这种节点形式在实验室研究中也表现出很好的延性，但造价相对较高。

图4 托座式节点

三、削弱型节点

节点削弱型是通过裁剪梁翼缘板或者梁腹板使节点域以外的梁的翼缘或腹板得到削弱，从而使节点在受力时削弱的梁首先屈服，进入塑性状态产生塑性铰来保护节点域。一般包括钢梁腹板削弱和钢梁翼缘削弱式。美国FEMA(FederalE-mergencyManagemeniAgency)的研究报告表明：钢梁腹板削弱适合于即存结构的修复，但这种方式对梁端抗剪不利，我国未见采用。

（1）翼缘削弱式节点 （图5），此类节点又因其形状而被称为狗骨式节点。狗骨式节点根据削弱形状又可分为三种:直线型、锥型和圆弧型，分别如图所示。理论分析、数值计算和实验研究均表明:三种不同类型节点中，直线型承载力较低，应力集中明显，延性性能较差，工程中不宜采用;锥型节点承载力最高，应力集中较轻，但延性稍差；圆弧型承载力居中，应力集中较轻，延性较好。综合考虑，锥型和圆弧型节点性能好，施工简便，值得进一步推广[5]。因此，锥型和圆弧型狗骨式节点更加受到研究者和试验的关注。美国FEMA等研究机构在同一时期则进行了大量狗骨式节点试验，此种形式在美国和台湾应用较多，但在日本和我国主要采用加强型连接，狗骨式很少采用。

图5 狗骨型节点

（2）腹板开洞型节点 （图6），国内外对这种节点的研究还比较少，美国的FEMA报告中提到过梁腹板开设圆孔的削弱型节点[6]，但并未给出其性能指标。韩国学者JongWonPark，InkyuHwang利用悬臂梁试件对梁腹板开有洞口节点做了一系列试验研，试验[7]表明，除个别试件外其它的试件都达到了指定转角水平。北京交通大学杨庆山教授以及他的研究生对此节点的开洞半径和梁腹板上的圆孔与柱翼缘的距离对节点域的承载能力的影响作了详细的论述。这种节点主要是在不影响腹板对梁翼缘的约束和满足竖向剪力的条件下，控制开洞位置和开洞大小，使得梁的腹板得到削弱，在节点域外侧梁腹板削弱处产生塑性铰，从而起到确保节点连接的安全。经过研究表明这种节点有良好的延性，能有效的避免节点域的塑性破坏。但是这种节点的抗剪能力下降，不宜用于承载力较高的框架结构。腹板削弱可以降低梁局部的抗弯能力。但就降低梁局部抗弯能力而言，削弱腹板不如削弱翼缘有效，同时节点抗剪能力下降却比较大，一般不作为考虑塑性铰外移的构造形式。

图6 腹板开洞型节点

蜂窝梁主要用于特定情况下提高梁刚度和减少钢材用量之用，鉴于其组成焊缝和突角对发展塑性不利，作为塑性铰外移的一种构造形式，未见推荐，建议此节不列。

四、总 结

随着钢结构的发展，越来越多的钢框架节点形式被提出，钢框架节点在设计中是至关重要的，节点连接好坏直接影响到钢框架的整体结构，以上各种节点形式的提出主要想通过加强节点或削弱梁的翼缘、腹板从而使结构破坏时的塑性铰外移，保护节点，实现 “强节点，弱构件”的设计思想。虽然它们的计算理论相对比较完备，但是仍然存在着很多需要解决的问题，如削弱型节点性能的研究。随着经济的发展，钢结构特别是轻钢结构近几年来在我国有了很大的发展，相信会有更多更好的节点出现。

[1]吴楠.北岭地震和阪神地震后美日坚钢框架节点设计的改进,2009.

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[3]谢小栋.框架消弱节点的性能研究.北京：北京交通大学，2004.

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[5]茹继平，杨娜，杨庆山.翼缘削弱型钢框架梁柱节点的性能研究综述.工程力学,21(1)，2004.

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[7]JongPark,InkyuHwang,Experimental investigation of reduced Beam Section ConnectionsbyUseofWebQpenings Investigation of web openings， Engineering Journal， Second Quarter，2003.

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