北岭和阪神地震导致钢结构节点破环原因和分析

北岭和阪神地震导致焊接刚性节点破坏原因和改进

方法

学院: 天津大学建工学院

姓名: 薛飞

北岭和阪神地震导致焊接刚性节点破坏原因和改进

方法

摘要：通过对1994年发生的美国北岭地震和1995年发生的日本阪神地震这两次钢结构建筑普遍出现的梁柱端节点破坏原因的深入分析，从而获得高层钢结构建筑抗震改良的节点设计方法。

关键词：梁柱端节点，焊缝缺陷，人工缝，超高应力，塑性铰

1.综述

1994年1月14日美国发生北岭地震，1995年1月17日日本发生阪神地震，这两次地震非常具有代表性，因为当时普遍认为钢结构建筑具有良好的抗震性能，在历次地震中经受了考验，较少发生整体破坏和倒塌现象。但是这两次地震时钢结构建筑的焊接梁柱刚性节点却遭受了严重的破坏。

2.北岭和阪神地震前典型的梁柱节点形式

梁柱节点形式根据其连接刚度的大小可分为三类：铰接连接，半刚性连接和刚性连接。高层和比较重要的钢结构建筑的连接,一般采用刚性连接。梁柱刚性连接的做法为梁翼缘与柱翼缘现场熔透焊，梁腹板与柱翼缘采用高强螺栓现场进行连接或用角焊缝焊接，这种刚性连接可以传递弯矩、剪力和轴力。梁的截面形状一般为H形，柱的截面形状有H形或箱形两种。美国一般采用H形柱，日本普遍采用箱形柱。主梁与柱刚接连接时，应在柱腹板上与梁翼缘对应处加设水平加劲板，箱形内应设加劲隔板。水平加劲板应按与梁翼缘面积等强设计，水平加劲板的中心线应与梁翼缘中心线互相对准，连接焊缝也要按照等强传力的要求进行设计，如图。

图2.1 梁柱刚性连接的两种常见形式

2.1北岭和阪神地震中钢结构梁柱焊接节点震害

2.1.1北岭地震中钢结构梁柱焊接节点震害

北岭地震之前广泛采用的焊接梁柱节点是按美国统一的建筑标准设计制造的。由于建筑外包物掩盖了节点的破坏,因此地震最初未见有关钢结构损害的报道。后来通过对多座钢框架建筑的仔细观察后发现梁柱节点存在不同程度的破坏现象夕，于是引起了工程界的广泛关注。通过对个楼板框架进行现场检验，发现大部分破坏出现在节点梁翼缘与柱翼缘的连接处，而又以底梁翼缘的破坏明显多于梁翼缘。

典型的破坏只发生在节点的底梁翼缘与柱翼缘连接处,而顶梁翼缘与柱翼缘连接却完整无损。承受剪切螺栓栓接的剪切板,有些情况下会从螺栓孔间撕裂或剪切板与柱连接的焊缝从柱面上撕裂下来。然而,剪切板的这种破坏仅仅发生在底梁翼缘处。底梁翼缘的断裂特征随结构形式的不同而不同,图2.3显示在钢结构建筑上观察到的8种裂纹（从A到H）形式。其中,这8种裂纹中有7类是从梁翼缘与柱翼缘正交点处起裂的。起裂的地方也正是梁柱与垫板交界的区域。

A、B和C类裂纹都起裂于垫板区的焊缝根部,只是沿着焊缝和柱翼缘之间区域扩展的深度不同，A类裂纹扩展的最浅，C类

裂纹扩展的最深,B类裂纹扩展的深度居于A类和C类之间。D类裂纹起裂开始时象前三类，然后向柱翼缘扩展，最后从翼缘焊的焊趾上部扩展出来。这四类裂纹证明了垫板与柱之间存在微小裂纹。E、F和G类裂纹起裂于垫板区的焊缝根部并向柱翼缘扩展，部分或全部穿透柱翼缘，甚至可以继续扩展到柱腹板，有时也会从柱子的两侧起裂，从而导致柱水平方向完全裂开。裂缝典型的导出点位于连接柱翼缘与加劲板内表面的缝的焊趾处，也有特殊情况从加劲板下扩展出来。H类起裂于焊缝焊趾处或焊接工艺孔与底梁翼缘相交处。该类裂纹可以贯穿母材或者贯穿焊缝，或两者皆有。

图2.2 美国普遍采用的型柱型梁节点破坏

图2.3 北岭地震中八种裂纹形式

2.1.2阪神地震中钢结构梁柱焊接节点震害

1995年1月17日本发生阪神大地震，导致了很多钢结构都遭到破坏。随后的研究报告表明，钢结构建筑在这次地震中的破坏特点有：（1）建筑年代久远的钢结构建筑的破坏；（2）钢结构建筑梁柱节点的破坏；（3）柱的脆性破坏；（4）结构支撑的破坏；（5）柱脚的破坏。这些结构构件遭到破坏的原因之一是受到了高速应变变形的影响。通过地震后的检查发现，许多断裂是从翼缘坡口焊缝的各种焊接缺陷和几何不连续处引起的延性裂纹的尖端开始的。由于日、美两国采用的钢框架梁柱节点的构造形式不同，地震后所观察到的梁柱节点断裂现象也不尽相同阪神地震裂纹主要向粱一侧扩展，而北岭地震裂纹主要向柱一侧扩展。图2.4为阪神地震中梁柱焊接节点的破坏模式。图中，模式1为梁翼缘的断裂，2模式和3为焊接热影响区的断裂，模式为柱横隔板的断裂。震害调查发现上述四类连接破坏发生时，梁翼缘已有明显的屈服或和局部屈曲现象发生。

图2.4 阪神地震节点的失效模式

2.2钢结构梁柱焊接节点脆性断裂的原因分析

地震后，美、日两国学者就节点破坏原因，进行了现场调查、试验和现场检验，并进行了结构动力反应分析、有限元分析、断裂力学分析等，还做了大量补充实验，结合震前研究，对节点破坏原因提出了一些看法。认为节点破坏与加劲板、补强板、腹板附加焊缝等设置，没有什么直接联系，也并不仅仅是由设计或施工不良所能说明问题，而是应从节点本身在根本性缺陷方面进一步找原因。

2.2.1焊缝金属冲击韧性低

美国北岭地震之前，多采用E70T-4或E70T-7自保护药芯焊丝对焊缝施焊，这种焊丝所能提供的最小抗拉强度为480MPa，夏比冲击韧度无规定。通过试验室试件和从实际破坏的结构中取出的试件在室温下的试验表明，其恰帕V 型冲击韧度比

较低，往往只有10-15J。这样低的冲击韧度使得焊缝很容易产生脆性开裂，是引发节点破坏的因素。北岭地震后不久做了很多大型验证性试验，焊缝采用韧性很好的焊条施焊，尽管焊接质量很好，但是焊缝还是出现了早期破坏，因此不对节点进行改进，此时节点是达不到补强目的的。

2.2.2焊缝存在的缺陷

钢材虽是一种性质较均匀的材料,但其内部总是存在着各种不同类型和不同程度的缺陷,焊缝中经常会或多或少存在一些缺陷,如裂纹、夹渣、未焊透和气孔等,这些缺陷可以成为断裂的起源。通过对破坏的节点所作的调查表明，很多情况下是焊接质量差引起的。这可以从许多缺陷中看出来，许多焊缝明显违背了规范规定的焊接质量要求，不但焊接质量有问题，焊缝检查也有问题

在裂缝萌生的梁下翼缘焊缝中梁腹板的工艺孔附近，焊缝是不连续的，缺陷非常明显。在该部位进行超声波检查也比较困难，因为梁腹板妨碍探头的移动。因此，梁下翼缘焊缝由于施焊和探伤的困难决定了下翼缘焊缝中部质量极差部位，梁上冀缘焊缝的施焊和探伤却不存在这样的问题。由此可以认为这是梁上翼缘焊缝破坏较少的原因之一。

2.2.3坡口焊缝处的衬板和引弧板造成了人工缝

在进行梁柱节点的连接时,为了便于施焊,常在梁腹板上开工艺孔,梁翼缘的焊缝采用带垫板的坡口焊。实际操作过程中,焊接完成后往往将焊接垫板留在原处,这种做法己经表明对连接的破坏具有重影响。在加州大学所做的试验表明,柱翼缘与垫板之间形成一条未熔化的垂直界面,相当于一条“人工缝”,如图2.5所示,该裂缝在梁翼缘的拉力作用下会扩大,进而引起脆性破坏。

1995年加州大学的Popov等人所做的试验再现了节点的脆性破坏,破坏时断裂的速度很高,断裂前无延性表现,因此破坏是灾难性的。他们的研究指出,受拉时切口部位应力最大,破坏是三轴应力引起的,表现为脆性破坏,外观没有屈服。他们还通过有限元方法模拟计算,得出最大应力集中系数出现在梁翼缘焊接垫板连接处的中部,破坏时裂纹从应力集中系数最大的地方开始,这一结论己被试验所证实。