加强钢结构梁柱节点抗震性能方法的评述

高东东 杨凯 周国栋

摘要：提高梁柱焊接节点的抗震性能是钢结构抗震设计的重要内容之一。为防止梁柱焊接节点在地震中出现来自焊缝的脆性破坏,设计上应注意降低节点焊缝处的应力集中,改善焊缝的受力状态,设法利用钢材的塑性储备来耗散地震能量,并根据抗震设防要求和地震作用特点选用韧性达标的焊接材料。

关键词：钢结构梁柱节点抗震性能

中图分类号： TU319文献标识码： A

一、引言

为防止梁柱焊接节点在地震中出现来自焊缝的脆性破坏,设计上应注意降低节点焊缝处的应力集中,改善焊缝的受力状态,设法利用钢材的塑性储备来耗散地震能量,并根据抗震设防要求和地震作用特点选用韧性达标的焊接材料。

依据“小震不坏,大震不倒”的钢结构抗震设防要求,在梁柱焊接节点的设计上应体现“强柱弱梁”的设计原则,即让结构中的塑性铰出现在梁上。 “强柱弱梁”的设计原则让梁屈服在先,目的即在于利用梁的塑性变形来耗散地震能量,以保证柱和结构的安全。为了避免塑性铰出现在韧度较差的焊接接头处，最好将梁的塑性铰位置从焊接节点区域移开，以此让结构发生延性破坏，避免脆性破坏。塑性铰外移的方法有两种：一是在离开梁根部一定距离处将梁截面局部削弱，即“削弱型”，例如：“狗骨头”型节点【1-2】、腹板开洞型节点【3】、开长槽型节点以及焊接孔扩大型节点；另一种是将节点部位局部加强，即“加强型”，例如：翼缘加厚型节点、翼缘加宽型节点、耳板加强型节点、加劲肋加强型节点以及腋梁加强型节点。

二、“削弱型”节点

狗骨式削弱型梁柱节点是最常见的一种，它是通过对梁翼缘截面局部尺寸进行合理的削弱，将塑性铰从容易产生集中应力而发生脆性破坏的焊缝处转移到钢梁上，并最终在狗骨式翼缘削弱截面形成塑性铰，从而避免梁柱节点发生脆性破坏，使材料充分耗能，达到节点优化、提高结构抗震性能的目的。

研究表明：

1)狗骨式翼缘削弱型梁柱节点比普通形式节点的变形能力更强，由于狗骨式梁柱节点独特的弧形削弱结构，使其在受到往复荷载作用下，梁柱狗骨式节点表现出更好的滞回性。狗骨式节点能有效的使梁端塑性铰外移，增强了钢框架结构的延性。

2）焊接過程产生的残余应力降低了结构承载力。对于双腹板顶底角钢、螺栓、焊缝混合连接的狗骨式梁柱节点而言，焊缝对提高结构刚度起到很大的作用，其结构的承载力比无焊缝连接情况的要高；混合连接狗骨式连接节点的受力性能要比单一连接构件优越。

3）另外，为了充分发挥狗骨式梁柱节点在疲劳荷载作用下的力学性能，应确保梁柱连接处焊缝的质量和焊接强度。

另一种常见的“削弱型”节点——“腹板开孔”型节点，通过在梁腹板开洞, 使节点区以外的梁截面先于节点形成塑性铰，可以将塑性铰从节点部位移动到梁上。

研究表明：腹板未开孔时, 梁在节点部位有明显的应力集中现象, 该部位应力最大, 由于节点是焊缝位置, 在动力作用下容易发生脆性断裂。腹板开孔后, 在孔附近由于应力集中的原因,塑性铰位置从节点转移到了孔附近的梁上, 这样就可以避免节点处的脆性断裂。腹板开孔后的梁的滞回曲线明显比腹板未开孔的梁的滞回曲线更加饱满, 所以吸收能量的能力更强, 从而更适合节点结构的抗震。

三、“加强型”节点

常用的“加强型“”节点——梁端翼缘扩翼型节点按细部构造可以分为梁端翼缘侧板加强型节点和梁端翼缘直接扩翼型节点，其工作原理是通过加大梁翼缘端部截面，增大梁柱连接处的抗弯能力，使梁柱端部焊缝和焊缝区域断面应力小于非焊接区，促使塑性铰的位置离开柱面梁端一定距离，达到塑性铰外移设计目标。

通过对此类节点的研究得出的结论：

１）梁端翼缘扩大型节点在加载过程中均出现了明显的塑性变形，均能有效地将塑性铰转移到梁翼缘扩大端截面以外的位置，避免了在梁端翼缘焊缝附近发生脆性破坏。

2）节点构造形式对抗震性能影响显著，与梁端翼缘侧板加强型节点相比较，梁端翼缘直接扩翼型节点的塑性变形和耗能能力更强，建议在实际工程中采用梁端翼缘直接扩翼型节点，可以有效保证梁柱节点连接的塑性变形和耗能能力。