探讨钢结构梁柱节点在地震灾害中的作用

史琦

【摘 要】随着科学家们对钢结构建筑在地震灾害中破坏现象的研究发现，一些钢结构建筑的梁柱节点区域往往先于整个构件破坏，故设计者们对钢结构的节点连接设计也越发重视，从而进一步改进了梁柱刚接节点的形式。为了提高构件及整体结构的强度和稳定性，以便减少在地震灾害中的损失。在当今的工程设计中，翼缘加盖板、梁端加腋和宽翼缘犬骨等改进型节点已被普遍采用。

【关键词】抗震设计；梁端翼缘；宽翼缘犬骨式节点；防腐防火

引言：

地震破坏中，梁柱刚性节点破坏主要有以下几种形式：1）连接焊缝全部断裂或部分断裂；

2）柱翼缘在与焊缝连接处发生层间撕裂、水平裂缝；3）梁翼缘在焊缝外侧发生断裂；

4）节点域腹板发生裂缝等。随着钢结构建筑在当今工程中广泛的应用，并通过钢结构建筑在地震灾害中破坏的研究发现，一些钢结构建筑的梁柱节点区域往往先于整个构件破坏。故此，研究者们认为，钢框架中梁柱节点的设计尤为重要。连接节点的设计是否安全，对保证钢结构的整体性和可靠度都有着直接的影响。本文介绍了钢框架结构设计中的一些常用的梁柱节点，以及它们在地震灾害中所发挥的作用。

一、钢结构梁柱节点的分类及特点

目前高层建筑结构抗震效果是受多方面原因影响的，通常包括：在美国荷载抗力系数设计规范（AISC-LRFD）中把结构形式分为完全约束型、部分约束型和鉸接型。在允许应力设计规范（AISC-ASD，1989）中给出了三种类型节点的量化定义：

1.1刚性连接（见图1）：受力时梁柱轴线的夹角保持不变（实际使用时，连接对转动的约束达到理想刚接的90%以上）。刚性连接不仅能传递轴力和梁端剪力，也传递梁端弯矩，而且能使连接的构件具有连续性。

1.2铰接连接（见图2）：在外力作用下，梁柱轴线夹角的改变量达到理想铰接转角的80%以上。铰接连接只传递轴力和梁端剪力，而不传递梁端弯矩。

1.3半刚性连接：连接性能介于以上两者之间，其承载力和变形性能将对框架的承载力和变形产生极为显著的影响。半刚性节点连接的特点：（见图3）

（1）连接能承受一定的弯矩，并产生一定的转角，M-曲线处在理想铰接（水平轴）和完全刚性（垂直轴）之间。

（2）弯矩相同时，连接的柔性越大，值越大，反之亦然。

（3）M-关系在实际加载过程中一般是非线性的。

二、钢结构梁柱节点的应用

抗震强弱的关键就在于地基的作用，在国内的工程设计中，由于规范只对刚接节点和铰接节点做了具体的要求，所以这两种形式的节点应用比较广泛。对于半刚性节点，它虽然具有更好的延性、耗能能力和稳定的滞回性能，且半刚性连接钢框架结构更容易满足在梁端出现塑性铰来耗散地震能量，防止因连接节点破坏而引起的结构坍塌。但对于半刚性节点，由于影响整体性能的因素很多，目前仍处于研究阶段，故本文不做过多阐述。

2.1抗震设计中几种常用节点

随着建筑物的高度及设计难度的不断增加，通过对抗震设计的不断研究，抗震结构常设计成梁柱刚接节点形式，而常规的钢框架梁柱刚接节点形式已经不能满足抗震设计的要求，故在实际工程的抗震设计中对梁柱的刚接节点进行了以下几种形式的改进：

（1）翼缘加盖板（见图4）：在梁端上下翼缘加焊钢板，以达到梁端翼缘局部变厚的效果。

2.2梁柱刚接节点改进方式的分析及在地震灾害中发挥的作用

我们知道，钢梁是由梁翼缘和梁腹板组合而成。那么通过上面几种梁柱改进型节点的介绍，我们可以看到，这些节点均只对梁端翼缘的形式进行了改进（不论是对翼缘加厚还是对翼缘加宽）。但如果对梁的腹板进行改进，或梁翼缘的改进不在梁端处，是否能使构件及整体结构产生有利的影响？

通过以上公式分析可以得知，主要与梁翼缘板面积和梁高有关，与梁腹板厚无关，MP的大小主要受构件截面的尺寸有关，增大梁翼缘板尺寸和梁高虽然可以增大的值，但WP的值也会相应增大，这也是为什么简单的增大梁截面尺寸但计算结果却没有明显改善的主要原因。所以要解决此类节点验算不满足，只能依据公式采取上文中所介绍改进型节点一些构造上的加强措施。而这些改进型节点在地震灾害中，能起到增加构件延性、使构件在地震中出现的塑性铰外移，以达到吸能的能力，从而减小结构在地震灾害中的损失。

2.3钢结构在灾害中所面临的问题

虽然钢结构在材料的强度及延性上都优于混凝土结构，但它仍然有一些缺点是不可避免的。例如钢结构材的防腐及防火的处理，仍面对了很大的挑战。正像美国“9·11”事件中所表现出的那样，虽然物体撞击所产生的破坏对整体结构的影响非常有限，但当它面临火灾的时候却表现的异常脆弱，以致使整栋建筑坍塌，造成了很大的损失。

结论：

综上所述，对于钢框架的梁柱节点设计，在实际工程中仍采用梁柱刚接节点的形式。并且对梁柱刚接节点进行了很大的改进。这些改进的节点形式不仅能满足现有结构规范的要求，而且相比较铰接节点对构件和结构本身都更加有利。虽然半刚性连接节点具有较好的延性和耗能能力，能缓和地震作用下结构内应力集中，而且易于灾后修复，相对于纯铰接和纯刚接节点而言更接近实际，但目前在结构设计中，仍处于研究阶段，且影响的因素过多，设计师在结构设计时也无法更准确的应用。然而半刚接节点优势仍很明显。而对于钢结构的防腐与防火问题，这些都是今后作为设计师要研究的方向。

参考文献：

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【3】JGJ99 - 98 高层民用建筑钢结构技术规程[s]

【4】国家建筑标准设计图集01（04）SG519（多、高层民用建筑钢结构节点构造详图）

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【8】完海鹰，汪凯（合肥工业大学土木建筑工程学院）狗骨式节点和半刚性节点的受力性能综述[J] 结构设计与研究应用2006年