削弱型钢框架梁柱节点研究现状

张艳玉 肖 斌

削弱型钢框架梁柱节点研究现状

张艳玉 肖 斌

指出加强型节点和削弱型节点是目前实现延性钢框架的主要措施,重点介绍了两种削弱型节点：狗骨式节点和腹板开圆孔型节点,分别描述了两种节点的结构形式、受力特点、削弱参数及抗震性能,以期指导实践。

梁柱节点,狗骨式节点,腹板开圆孔型节点

0 引言

1994年美国 Northridge地震和 1995年日本Kobe地震的震害调查表明：在强震作用下,钢框架结构在钢材屈服前,其梁柱连接焊缝处即产生了大量的脆性裂缝,钢材良好的延性并没有发挥出来[1,2]。对于一般等截面框架梁,结构在强震作用下,梁端梁柱连接处会率先屈服,为了保证钢框架结构的延性,该处应该有较强的塑性变形能力。显然,传统的梁柱节点构造并不一定能满足这些要求。在钢框架的抗震设计中,防止脆性断裂是首先必须解决的问题。改进局部构造措施,使之更便于工人施焊;严格控制焊接工艺操作,减少梁柱连接缺陷,是预防钢框架结构脆性破坏的有效途径,然而这并不能降低梁柱连接抗震性能对焊缝质量的敏感性。为了从根本上解决脆性断裂的问题,应该把握住“钢框架的设计应确保塑性铰在且仅在梁上出现”的原则,充分发挥钢框架的延性。

1 钢框架延性节点类型

设计新型延性节点是实现延性框架的主要措施,具体的改进方法主要有加强型节点和削弱型节点两类。

加强型节点的设计思想是通过增加节点连接件(如盖板、腋梁等)使节点的强度比构件更高(见图 1),令构件较节点先进入塑性;削弱型节点的设计思想是通过对距离梁柱连接节点根部一定距离的梁截面进行局部削弱(见图 2),迫使塑性铰出现在梁上,即通过削弱梁来保护节点。

加强型节点增强节点强度的同时也增加了节点区域的焊缝,会使节点区域出现脆性断裂的可能性增加,为了降低这种可能性需要显著提高施焊质量,这对现场施工条件及工人的技术水平提出了更高的要求,对于我国目前的施工水平而言显然具有一定的难度。削弱型节点是从延性角度出发设计的节点形式,试验研究表明这种设计具有优秀的抗震性能,并且不增加施工的难度,更具发展潜力。

2 削弱型梁柱节点研究进展

目前主要研究的削弱型节点可分为两类：狗骨式节点和腹板开圆孔型节点。

2.1 狗骨式节点(翼缘削弱)

狗骨式节点(Dog-bone),又称缩小梁截面节点(Reduced Beam Section,RBS),是近些年研究最多的一种节点形式。这种节点最主要的特点就是在梁的上下翼缘靠近节点处进行了削弱。由于对梁截面进行了削弱,最初人们认为狗骨式节点虽然能提高结构的延性,但是会造成结构强度和刚度的显著降低。实际上,这种由于梁的削弱所造成的结构刚度和强度的降低较小。试验研究表明：当梁翼缘被削弱掉 50%时,结构的刚度降低 6%～7%左右;当梁翼缘被削弱掉 40%时,结构刚度降低 4%～5%左右。

狗骨式节点根据削弱形状的不同可分为直线型、锥型和圆弧型三种(如图 3所示)。研究表明三种不同类型狗骨式节点中,直线型承载力低、应力集中明显,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,圆弧型节点性能好,施工简便,值得进一步推广。

2.2 腹板开圆孔型节点(腹板削弱)

腹板开圆孔型节点是在梁柱连接节点附近的梁腹板上开设一定尺寸的圆孔以对相应梁段进行削弱(如图 4所示)。现代多高层钢结构房屋对室内净空高度有迫切要求,设备管道从梁腹板上穿过是满足这一要求的有益尝试,因此腹板开圆孔型节点较之狗骨式节点更具有研究价值。

美国的 FEMA-350[6]和 FEMA-355D[7]报告中曾提到过梁腹板开设圆孔的削弱型节点,但并未给出其性能指标。

我国香港理工大学的K.F.Chung教授[8]曾对腹板开圆孔的钢梁进行了一定的研究,但他的研究主要针对于由于功能要求而需开设圆孔的钢梁。他认为腹板开圆孔钢梁的主要破坏形式是腹板开孔截面处上下两个 T形截面上出现四个塑性铰而形成“空腹梁机构”(Vierendeel Mechanism),如图 5所示。

北京交通大学杨庆山教授对梁腹板开圆孔型钢框架节点进行了专门研究,指出由于梁翼缘板参加抗剪,使得削弱截面的抗剪能力并未随腹板削弱面积等比例的降低;腹板所开的圆孔半径 R与圆孔中心距柱表面的水平距离b是梁腹板开圆孔型节点主要的设计参数,这两个参数的取值应由梁根部与削弱最大截面的抗弯能力比和梁翼缘对腹板的约束要求两个因素来控制。梁腹板开孔后,如果剩余宽度过小,那么梁腹板难以对梁翼缘板提供有效的约束而会发生局部屈曲,因此可以通过宽厚比限值确定腹板开孔的最大半径。进一步的数值分析表明R和b的确都存在限值,当开孔半径 R小于它的限值时,塑性铰出现在梁根部,当 R大于限值时,塑性铰发生跳跃移至开孔处;开孔圆心距柱翼缘距离b小于它的限值时,塑性铰位置随着开孔位置的外移而外移,基本上呈线性关系,当b大于限值时,梁根部的塑性应变发展超过开孔截面处塑性应变的发展,构件塑性铰位置回到梁的根部。随后进行的 12个试件的拟静力试验验证了这一结论。

文献[4][9]采用数值分析和试验研究的方法从构件层次说明了腹板开圆孔的削弱方式能够提高梁柱节点的抗震性能。

3 结语

传统的钢框架结构由于梁柱节点焊缝在强震作用下会发生脆性断裂,并不能将钢材良好的延性性能发挥,为了提高钢框架的抗震性能,提出了狗骨式和腹板开圆孔型两种削弱式节点,以实现延性钢框架。狗骨式节点(翼缘削弱)研究较多,对其性能以及设计方法已有相关规定,而腹板开圆孔型节点研究较少,但由于它能够满足一些建筑功能要求,较之狗骨式节点更具发展价值。

[1]D.K.Miller.Lessons learned from the Northridge earthquake[J].Engineering Structures,1998(20)：249-260.

[2]E.P.Popov.Design of steel MRF connections before and after 1994 Northridge earthquake[J].Engineering Structures,1998(20)：1030-1038.

[3]石永久.高层钢框架新型梁柱节点抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2002,23(3)：2-7.

[4]杨尉彪.高层建筑钢结构梁柱节点试验研究[J].建筑结构,2001,31(8)：3-8.

[5]杨庆山.梁腹板开圆孔的钢框架抗震节点[J].工程力学,2004(32)：15-23.

[6]FEMA-350.Recommended Seismic Design Criteria for New Steel Moment-Frame Buildings[R].2005.

[7]FEMA-355D.Post-Northridge Welded Flange Connections[R].2006.

[8]K.F.Chung.Investigation on Vierendeel mechanism in Steel beams with circular web openings[J].Journal of Constructional steel Research,2001(57)：467-490.

[9]曹 力.美国钢框架结构抗震设计方法介绍[J].建筑结构,2001,31(8)：13-15.

Research situation of reduced beam-to-colum n connection of steelm om ent-resisting fram e

ZHANG Yan-yu XIAO Bin

In this paper,it pointed out that enhanced connection and reduced connection are themainmeasures toachieve ductile steelmomentresisting frame atpresent.Two kinds of reduced connection,dog-bone connection and connection with opening on beam web are analyzed.Structural forms,mechanical characteristics,reduced parameters and seismic performance of them are described,so as to guide practices.

beam-to-column connection,dog-bone connection,connection with opening on beam web

TU391

A

1009-6825(2011)03-0035-02

2010-09-26

张艳玉(1974-),女,工程师,乐亭县住房和城乡规划建设局,河北 唐山 063600

肖 斌(1974-),男,工程师,唐山湾三岛旅游区旅游开发建设有限公司,河北 唐山 063600