钢框架梁柱节点连接方式的介绍与分析

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有些是全焊节点( 图( b) ~ ( e) , ( j) , ( k) ) , 有 些是籍助 T 形连接件( 图( i) ) 、 梁端板( 图( f) , ( g) ) 、 平 板连接件( 图 ( h) ) 、 L 形连接件 ( 图 2 ( l) ) 的 全栓 接节 点。全栓 接节 点连接方式在上、 下翼缘处梁腹板均不 设工艺孔, 避免 了因几何形状的不规则带来的应力集中。 图 2 的节点连接方式中有的在梁柱 节点连接处加 强了翼缘( 图( d) ) ; 有的离梁柱节点一定 距离后削弱梁 的翼缘, 即通常所说的狗骨式( dog - bone) ( 图 ( e) ) ; 有的 在梁柱连接节点处增设一对高度为梁截面全高的加强 侧板, 使梁与柱的连接成为夹心饼干式, 侧板将梁柱分 开, 梁翼缘与柱不接触, 从而改变了传统 的梁与柱翼缘 焊接的方式, 消 除了所 有其 他焊接 节点 中的三 轴应力 集中( 图( j) )
缘焊 接 处, 焊 缝 与 柱 翼 缘 完
美国梁柱的标准节点
全断 开; 2 ) 断裂 从 衬 板 和 柱 交界处开始, 然后向柱翼缘母材扩展, 而 后撕下一部分 柱翼缘母材; 3) 焊缝熔合线处梁下翼缘裂 通; 4) 柱翼缘 开裂, 甚至扩展到柱的腹板内等。 研究分析的 结果表 明, 发 生上述 梁柱 节点连 接部
[ 2]
位破坏模 式的 主要 原因 是: 1) 焊 缝存 在 的缺 陷, 如裂 缝、 欠焊、 熔化不足或不良、 夹渣及气孔, 由 于梁端腹板 下翼缘处工艺孔 偏小, 使下翼 缘焊 缝在施 焊时 实际上 中断; 2) 连接部位的钢材存在三向应力, 无 法形成侧向 收缩或剪切滑移, 以致 在没有 明显 屈服现 象下 就发生 脆性破坏; 3) 梁 柱节点 的高应 力区 集中在 梁翼 缘的坡 口焊缝 处; 4) 梁 翼 缘 焊 缝 的焊 接 衬 板 边 缘 缺 口效 应 焊接工艺所 需的衬 板与柱 翼缘 之间形 成的 人工 缝 的尖端处产生应力集中[ 2] ; 5) 在梁翼缘 对应位置的 工字形柱加劲肋厚度偏薄等。 ( 2) 节点连接方式的改进 美国在诺斯里 奇地 震发生 后, 由加 州结 构工 程师 协会( SEAOC) 、 应用 技术 研究会 ( AT C) 和 加州 大学地 震 工程研 究中 心( CU REe) 成立 了简称 为 SAC 的联合 机构, 由联邦突发事件管 理局( FEMA) 提供资 金, 主要 进行抗震性能较 好的梁 柱连 接节点 的研 究, SAC 的最 后研究成果建议已于 2000 年 6 月发布[ 3, 4 ] 。SAC 发布 的 FEMA 350 报告共提到梁柱 节点连接 改进的 方式有 十三种, 建议工 程师在 不同的 设计 条件中 自行 判断采 用, 其形式见 图 2, 其中 图( a) ~ ( i) 九 种节点 经过 了试
一、 引言 钢结构若设 计或施 工不 当, 特别 是钢 框架梁 柱节 点的连接构造处理不合理, 在发生强烈 地震时, 也将产 生较严重的震 害。1994 年 美国的诺 斯里 奇地震、 1995 年日本的阪神地震 后, 许多 国家 和地区, 主要 是美、 日 两国的专家学者对钢框架梁柱节点的抗震性能与破坏 机理做了广泛 的调查 和深 入的研 究, 并 做了大 量的试 验分析, 提出了多种抗震性能有所改进的节点做法。 二、 美、 日两国钢框架梁柱改进型节点的连接方式 由于美 国多 采用 H 型 钢柱, 日本 多采 用方、 矩形 钢管柱, 节点构造也有所不同, 故在地震 中表现出来的 梁柱节点破坏 特点也 不完 全相同, 震后 所采取 的改进 措施也各有特点。 1 美国的钢框架梁柱节点连接 ( 1) 震害分析 1994 年以前美国的 典型 梁柱 标 准 节 点 如 图 1 所 示, 在诺斯 里奇地 震中 观察到 的 梁柱节 点连接 破坏 大多发 生 在梁 的 下 翼 缘 处, 其 破 坏 模 式有
图3
梁上下翼缘处柱水平加劲肋和梁端工艺孔改进做法
设工艺孔或采用缓和工艺孔端点应力集中 的组装焊接 的改进型工艺孔, 如图 5 所示。
阪神地震中梁柱节点的破坏模式有[ 1, 2] : 1) 方钢管 柱与横隔板焊缝 处的 断裂; 2 ) 梁下 翼缘 与横隔 板焊接 处热影响区的断 裂; 3) 在工 艺孔范 围内 梁下翼 缘的断 裂; 4) 在工艺孔范围内横隔板的断裂。 震害调查发现, 由于工艺孔的存在, 引起了梁柱节 点在该区域的 集中变 形, 而 产生了 以工 艺孔端 点为起 点的梁翼缘的 脆性断 裂、 贯 通横隔 板的 脆性断 裂以及 熔深焊接部位 的断裂 等种 种破坏, 上述 震害在 震后的 试验中也得到了证实[ 1] 。在震后的试验 中测到梁柱节 点处梁翼缘断 面的梁 构件 轴向变 形分布 为: 当 有工艺 孔时, 梁翼缘外面的最大变形发生在断 面端部, 内面的 最大变形发生在工艺孔端点处; 当不设 工艺孔时, 梁翼 缘内面或外面 的变形 集中 均在端 部, 最 大变形 产生在 梁翼缘端部外面[ 1] 。根据试验中测到的 梁翼缘内外基 本变形分布, 采 用弹塑 性有 限元法 求得 梁翼缘 弯曲变 形和面内变形的关 系, 其结 果是: 当有工 艺孔 时, 弯曲 变形与面内变 形同向, 而且 在腹板 附近 均产生 较大的 变形; 当不设工艺孔时, 在梁翼缘宽度内 弯曲变形与面 内变形反向, 其绝对值比面内的变形小 很多, 但变形分 布均是中间小, 端部大。由此可以看出, 工艺孔的存在 使下述三个地方 出现 了变形 集中: 1 ) 工 艺孔底 端梁翼 缘处; 2) 直通横隔板和梁翼缘焊接部位的外端; 3) 直通
第 34 卷 第 6 期
建
筑
结
构
2004 年 6 月
钢框架梁柱节点连接方式的介绍与分析
杨强跃
( 浙江杭萧钢构股份有限公司 310003)
郑
悦
310015)
( 浙江大学城市学院土木系
[ 提要] 通过介绍与分析美、 日两国在诺斯里奇和阪神地震后研究的钢框架梁柱节点连接方式与施工方法 , 总结出两国梁柱节点的改进措施虽不同, 但其目的都是为了避免地震时梁翼缘与柱翼缘焊接部位的开裂 , 并 提出了选择梁柱节点连接方式的设计建议, 供参考。 [ 关键词] 钢框架 梁柱节点 抗震性能 设计建议 T he retrofit research work on the design and construction of the steel frame beam -to -column connection, which w ere pract iced respectively in U. S. and Japan after the Northridge earthquake and the Hyogoken -Nanbu earthquake, is in troduced and analyzed. Although the improvem ent measures of two countries are different, t heir goals are to aviod the w elding spot crack on t he joint betw een the beam flanges and the column flanges under the seismic load. Som e reason able advices are presented for design reference. Keywords: steel frame; beam - colum n joints; seism ic resistance; design suggestion
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图 2 FEM A 350 报告中建议的十三种梁柱连接节点
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方钢管( BCP) 、 冷轧成型方钢管( BCR) 和热轧成形的方 钢管, 梁柱连接 节点通 常采 用内隔 板外 伸与梁 翼缘连 接的方式( 图 4) 。
横隔板外面和钢管柱焊接部位末端的梁腹 板范围位置 处。其影响因素 主要 有: 1) 工 艺孔 几何形 状的不 连续 性; 2) 梁翼缘端部工艺孔部分, 本来由梁腹 板负担的一 部分剪力由与之 相应 的梁翼 缘负 担了, 因 此在 梁腹板 附近的翼缘和隔 板处产 生了二 次弯 曲应力; 3) 由于产 生了二次弯曲应 力, 腹 板范围 上工 艺孔位 置处 的梁翼 缘内面变形增加, 外面的变形减小, 从而增 加了柱面及 隔板外面腹板范围位置上的变形[ 1] 。 ( 2) 节点连接方式的改进 鉴于上述情况, 1996 年 2 月 日本建筑 学会 修改的 建筑工程标准规范 JASS6( 钢结构工程) 及 钢结构工 程技术指针 的工厂制作篇中, 推荐了在工 厂焊接时不
图1 诺斯里奇地震前
: 1) 梁下翼缘与柱翼
验研究, 图( j) ~ ( m) 四种节点形式为专利节点[ 3, 4] 。 以上节 点 中, 仅 图 2 ( a) , ( m) 所 示 的 WU F -B 和 RW 节点形式与图 1 所示的 诺斯里奇 地震以前 的标准 节点做法类同, 即为翼缘焊接、 腹板栓接的 栓焊混合连 接, 但柱内在梁上、 下翼缘处加劲隔板的形 状与焊接方 式均有所改善, 梁上下 翼缘和 该处 的垫板 处理 及腹板 上的工艺孔 也均 有所 改进, 详见 图 3。其 他 节点 连接
[ 3, 4] 2 [ 4]
; 有的 采用 在离 梁柱 节点 一定距 离后
减弱腹板( 图( m) ) 。图 2 中 以上几种 节点均 可将梁柱 连接在构造上 使塑性 变形 区段从 柱面外 移, 并 可有意 识地控制塑性铰的位置, 改善了节点连接的抗震性能。 图 2( k) 所示的梁柱连接节点是 SSDA 开发的开槽 腹板的专利节点。它是在节点区将梁腹 板和梁翼缘分 开, 槽缝的作用是将抗震梁的弯矩和剪 力分段, 使梁的 腹板承受全部剪力和部分弯矩, 而梁翼 缘仅承受弯矩, 另外节点允许 梁的翼 缘和 腹板独 立变形, 力的 分布与 楼层的位移 角无 关, 从而 提高了 抗疲 劳性能。与 未开
图5
改进型工艺孔与不设工艺孔的梁端做法
图 6 是日本信州大学工学部开发工程 科研室进行 的几个不设工艺孔做法的实物试验, 综合 考虑了设计、 施工、 成本等各种因素后, 给出的最为有用 的不设工艺 孔做法的梁端构 造大 样, 主要 变化 是将垫 板在 梁腹板 处断开, 且断面在梁翼缘与腹板连接处贴合[ 1 ] 。 除 带弧 形 的垫 板外, 在 日本 钢 结构 工 程技 术指 针 ( 1996) 中, 根据梁 构件的型 式( 焊接 H 型钢 或轧制 H 型钢) 与不 同的 施工 方法 ( 焊接 H 型钢 梁 先焊 接好 或与节点同时装配) , 给出了多种不设工艺 孔时采用的 垫板( 图 7) 。 图 8 是不采用 贯通的 横隔 板, 而采 用竖 向加 劲肋 带悬臂梁段的梁 柱节 点的一 种连 接方式, 该节 点做法 是将梁端翼缘朝 柱子 方向扩 大, 在 其侧面 用角 焊缝两 面焊接三角形的 竖向 加劲肋 板, 加 劲肋板 端部 与柱角 部采用全熔透焊 缝焊 接, 梁腹 板端 部与柱 子间 用两面 角焊缝焊接, 梁 端翼缘 与柱 面留有 缝隙, 不直接 连接。 梁端翼缘的应力通过竖向加劲板顺利地直 接传递给箱
[ 3, 4]
槽的焊接 翼缘 不同, 开 槽腹 板 连 接不 受 弯扭 屈 曲; 同 时, 腹板开缝后将翼缘与腹板隔开, 减小了 节点处的地 震应力和应变梯 度; 此 连接使 垂直 焊缝与 水平 焊缝拉 开较长的距 离, 较大 地减小 了焊 接的残 余应 力。由于 该节点用 W36H( 相 当于 914mm 高) 型钢 梁 做的 试验 失 败, 因此 该节点 形式 只能用 于 W30( 相当于 762mm 高) 及以下的梁[ 3, 4] 。在美国已经有 140 项钢结构工程 采用了该节点形式, 总建筑面积超过 150 万 m 。 图 2( j) 侧板式节点由加州大学和圣地 亚哥大学进 行足尺循环荷载试验, 通过了试验验证, 并 由洛杉矶工 程研究机构与建 筑和 安全研 究所、 洛杉矶 县公 共建筑 研究所等美国国内公认的部门仔细审查 后通过。该节 点两块平行的侧 板提 高了节 点区 刚度, 通 过三 块板域 ( 两块侧板加柱腹板) 消除了对很难掌握的 节点板域变 形控制的依 赖。当需要 协调 尺寸时, 可采用 上下 盖板 解决梁柱 翼 缘宽 度差。 这 种节 点 的构 件 尺寸 不 受限 制, 柱可以是 H 型钢、 箱 形或十字 形。双轴采 用 该 节点用材较多, 若设计 成双 向刚接, 则施 工也较 复杂, 采用 H 型钢时, 另一个方向宜设计为铰接。 2 日本的钢框架梁柱节点连接 ( 1) 震害分析 由于日本主要采用方、 矩形柱, 而大多 是冷压成型