基于“塑性铰”原理浅谈提高如何钢框架节点的延性

基于“塑性铰”原理浅谈提高如何钢框
架节点的延性
摘要：钢结构框架是一种较为常见的结构形式，如何使得节点的抗震标准满足延性，达到“强节点，弱构件”的抗震原则，成为了一个研究的方向。

其中节点的“塑性铰”外移是可以有效达到强节点的效果的一个有效方法。

“强柱弱梁”，“强剪弱弯”的设计原则也是为了保证梁柱节点不被破坏而采取的措施。

除了上述的这些基本构造之外，学者们还研究了其他的构造措施来达到“塑性铰外移”的效果。

本文通过对钢框架节点其他一些构造做法的进行分析，根据对前者的研究成果，对于如何使得“塑性铰”外移进行阐述。

关键词：钢框架节点；塑性铰；节点构造；有限元分析
0 引言
钢结构轻质高强，材料质地分布均匀等优势，在工程实例中被广泛应用，而钢结构框架本身的材料特性使得框架节点具备良好的延性，并且可以通过不同的构造措施使得节点可以达到“塑性铰”外移的效果。

从美国北岭和日本阪神地震的房屋倒塌情况可以显示，大量的地震破坏都发生在梁柱节点上，如何避免梁柱节点发生脆性破坏，使得整个构件乃至结构体系具备良好的抗震性能这个问题有了显著的研究意义。

目前研究的成果显示；一方面可以从钢结构材料本身入手；增强钢材冶炼工艺，去除杂质使得钢材质地强度分布更加均匀，或者在钢材焊接技术上增进，减少焊接缺陷等。

由于现在钢结构的冶炼和焊接技术已经愈发成熟，仅从材料本身出发，对于塑性铰外移所产生的的影响比较有限。

另一方面，学者通过对于节点构造的改变，可以显著改善节点的延性，本文所探讨的就是这一领域的构造相关问题。

1塑性铰
塑性铰就是认为一个结构构件在受力时出现某一点相对面的纤维屈服但未破坏，则认为此点为一塑性铰，这样一个构件就变成了两个构件加一个塑性铰,塑性铰两边的构件都能做微转动。

就减少了一个约束。

塑性铰也具备它的特殊性，普通铰是不承担弯矩的，而塑性铰的形成一方面可以形成梁柱端沿着弯矩方向进行相对滑动。

另一方面塑性铰也可以承担一定程度的弯矩。

而塑性铰的转动性能受到了纵筋配筋率，混凝土强度，钢筋种类等因素影响。

往往梁截面配筋率越大，塑性铰的转动能力就越小。

所以为了结构体系的安全，一般使塑性铰和梁柱节点处保持一定距离，使得整个结构体系的延性增加。

2节点设计
2.1“削弱型”构造形式
削弱型节点主要是通过在靠近节点的梁端部位，就行构造削弱，使得塑性铰发生在削弱部位处，从而达到塑性铰外移的目的。

常见的削弱型构造有狗骨式节点，以及开洞式节点。

图一.常见的狗骨式节点
图二.开孔式节点
2.2“加强型”构造形式
加强型节点主要是通过对于靠近节点的梁端进行局部加强，提高节点区域内
的承载能力，从而使得节点以外的承载力低于节点处的。

如此一来“塑性铰”同
样能在远离节点区域的范围形成，一样能到达塑性铰外移的效果。

图三.常见的加强型节点
3研究进展
清华大学教授石永久等对不同的扩大型节点进行了四种不同的低周反复试验，试验及分析表明，由于焊缝残留的缺陷会诱发裂缝过早的形成，从而使得节点的
延性和耗能水平下降，由此认为焊接的构造大小对节点的破坏有影响，并认为扩
大型节点的构造形式确实在某种程度上保护了节点
杨庆山对腹板开圆孔削弱型节点进行了试验及理论研究，得出：当这种节点
达到某一个特定值时，可以实现塑性铰外移的效果，而影响这一效果的主要设计
参数是圆孔的开孔半径和到梁根部的距离，从而认定这两个关键因素的选取影响
了腹板开孔式节点的受力性能
4有限元建模分析
本文根据对前者分析的结论，分别从“削弱型”和“加强型”两种类别选取
两种比较具备代表性节点构造。

分别是腹板开孔式节点，翼缘盖板加强型节点。

本文通过选用常见的有限元建模对两种节点形式进行建模。

腹板开孔式节点：根据之前学者的研究经验，节点尺寸取值范围如下：梁长
取值1000mm，柱长2000mm，节点模型所有柱截面尺寸300mm*300mm*10mm*12mm，
梁截面尺寸为300mm*200mm*8mm*10mm，模拟试件材料Q345B高频焊接H型钢，屈
服强度平均值为345MPa弹性模量平均值为200GPa，泊松比为0.3，屈服后弹性
模量为2GPa。

开孔半径为R=100mm，开孔位置的圆心距离梁端为=400m。

盖板加强型节点：梁柱模型尺寸同开孔式节点；盖板长度为200mm，厚度为
10mm。

通过循环加载的模式，来体现塑性铰外移的效果。

循环加载采用控制循环加载仍然采用位移控制，层间位移角:θb=θc=△/L。

L为梁长度，△梁端位移。

本文采用循环加载的方式，控制最大位移为100mm。

θu=0.1rad，符合规范要求加载。

制度表如下。

表3-2加载制度
Table.3-2 Loading system
位移幅值(mm)循环次数加载步层间位移角
θ(rad)
10.005+52
20.007+72
30.011+112
40.015+152
50.022+222
60.03+302
70.045+452
80.06+602
90.075+752
100.0825+82.52
模拟结果
根据一系列循环加载的影响下，节点的受力性能如下图所示
弹性阶段延梁端方向应力分布值弹塑性阶段延梁端方向应力分布值
从图示结果可以看出，通过削弱或者加强等对于节点的构造措施，可以使得应力集中点远离节点位置。

从而使得塑性铰发生在远离节点的位置，达到了强节点弱构件，强柱弱梁的设计原则。

5.展望和结语
目前所做出的的研究成果尚未在节点的各项截面参数中取得统一的参数取值范围。

而在有限元的软件模拟下，更多体现的是构件的受力特性，而节点的连接形式则得以进一步的到模拟和仿真分析，这样一来，当连接形式对于受力性能的影响也作为一个影响节点受力性能的参数时，节点的分析就更贴近事实。

本文只是控制了对比了两种构造对于节点性能的受力影响，如果影响节点的参数还有开孔大小，截面参数，加强程度等等，如果将变量扩大到两个或者两个以上，此时参数的多方面影响依然值得继续探究。

有条件可以针对具体的实际工程，建立几个实际的足尺模型，通过具体的现场试验对这种节点进行力学性能测试，再通过有限元软件的对比，使得结论更加贴合实际，更加具备应用意义。

加强的形式较多，本文只针对了在翼缘进行盖板加强的形式进行研究。

可以分析扩
翼缘加强，加肋板加强等多种形式的加强条件下，腹板开孔的情况。

丰富加强与削弱并用节点的研究内容。

结语
通过之前的学者对于节点的一系列研究，可以发现对于节点进行局部的削弱和加强可以让塑性铰外移，从而达到延性增强的目的，对于节点构造的改进，不仅增加了节点的穿管等使用功能，同时可以使得施工焊缝减少，提高施工质量的目的，是一种值得推荐的新型节点。

参考文献
1.石永久，王萌，王元清.钢框架不同构造形式焊接节点抗震性能分析[J].-工程力学，2012,29(7):75~83．
2.郁有升，王燕.钢框架梁翼缘削弱型节点力学性能的试验研究[J].-工程力学，2009,2(26):168~175．
3.杨庆山，李波，杨娜.梁腹板开圆孔钢框架梁柱节点的性能研究[J].-工程力学，2007,9:111~122.
作者：江卓林，（1993-）硕士研究生，主要研究钢结构连接性能领域
江卓林，（1993-）硕士研究生，主要研究钢结构连接性能领域。