美日地震后兩國(guó)對(duì)鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施(編輯修改稿)
2024-07-14 22:40 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 實(shí)際工程中，往往焊接后將焊接襯板留在原處，這種做法已經(jīng)表明，對(duì)連接的破壞具有重要影響。在加州大學(xué)進(jìn)行的試驗(yàn)表明，襯板與柱翼緣之間形成一條未熔化的垂直界面，相當(dāng)于一條人工縫，在梁翼緣的拉力作用下會(huì)使該裂縫擴(kuò)大，引起脆性破壞。 其它人員的研究也得出相同結(jié)果。 1995年加州大學(xué)Popov等所作的試驗(yàn)，再現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的脆性破壞，破裂的速度很高， 事前并無(wú)延性表現(xiàn)，因此破壞是災(zāi)難性的。研究指出,受拉時(shí)切口部位應(yīng)力最大，破壞是三軸應(yīng)力引起的，表現(xiàn)為脆性破壞，外觀無(wú)屈服。他們還通過(guò)有限元模擬計(jì)算，得出最大應(yīng)力集中系數(shù)出現(xiàn)在梁緣焊接襯板連接處中部，破壞時(shí)裂縫將從應(yīng)力集中系數(shù)最大的地方開(kāi)始,此一結(jié)論已為試驗(yàn)所證實(shí)。研究表明：大多數(shù)節(jié)點(diǎn)破壞都起源于下部襯板處。引弧板同樣也會(huì)引發(fā)裂縫。 梁翼緣坡口焊縫出現(xiàn)的超應(yīng)力[3] 北嶺地震后對(duì)震前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的分析表明，當(dāng)梁發(fā)展到塑性彎矩時(shí),梁下翼緣坡口焊縫處會(huì)出現(xiàn)超高應(yīng)力。超應(yīng)力的出現(xiàn)因素有：當(dāng)螺栓連接的腹板不足以參加彎矩傳遞時(shí)， 柱翼緣受彎導(dǎo)致梁翼緣中段存在著較大的集中應(yīng)力；在供焊條通過(guò)的焊接工藝孔處，存著附加集中應(yīng)力；據(jù)觀察，有一大部分剪力實(shí)際是由翼緣焊縫傳遞，而不是象通常設(shè)計(jì)假設(shè)的那樣由腹板的連接傳遞。梁翼緣坡口焊縫的應(yīng)力很高，很可能對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞起了不利影響。Popov[4]采用8節(jié)點(diǎn)塊體單元有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布的最高應(yīng)力點(diǎn)， 是在梁的翼緣焊縫處和節(jié)點(diǎn)板域，節(jié)點(diǎn)板域的屈服從中心開(kāi)始，然后向四周擴(kuò)散。 嶺前進(jìn)行的大量試驗(yàn)表明,當(dāng)焊縫不出現(xiàn)裂紋時(shí)，節(jié)點(diǎn)受力情況也常常不能滿足坡口焊縫 近處梁翼緣母材不出現(xiàn)超應(yīng)力的要求。日本利用震前帶有工藝孔的節(jié)點(diǎn)，在試驗(yàn)荷載下由 應(yīng)變儀測(cè)得的工藝孔端點(diǎn)翼緣內(nèi)外的應(yīng)變分布，應(yīng)變集中傾向出現(xiàn)在翼緣外側(cè)端部，內(nèi)側(cè)則在工藝孔端部，,不僅大于工藝孔 造成的不連續(xù)性，還在于工藝孔部分梁腹板負(fù)擔(dān)的一部分剪力由翼緣去承擔(dān)了，使翼緣和 柱隔板上產(chǎn)生了二階彎曲應(yīng)力。這些試驗(yàn)與分析均指出，今后對(duì)節(jié)點(diǎn)性? 艿母慕?，矄决?nbsp。改善焊縫，而且還應(yīng)降低梁翼緣坡口焊縫處的應(yīng)力水平。 3．5 其它因素[3] 有很多其它因素也被認(rèn)為對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞產(chǎn)生潛在影響，包括：梁的屈服應(yīng)力比規(guī)定的最小值高出很多；柱翼緣板在厚度方向的抗拉強(qiáng)度和延性不確定；柱節(jié)點(diǎn)域過(guò)大的剪切屈服和變形產(chǎn)生不利影響；組合樓板產(chǎn)生負(fù)面影響。這些影響因素可能還需要一定時(shí)間進(jìn)行爭(zhēng)論, 才能弄清楚。 4． 改進(jìn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的途徑 4．1 將塑性鉸的位置外移[2][3][4] 在北嶺地震之前，美國(guó)UBC和NEHRP兩本法規(guī)對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的規(guī)定，都是根據(jù)在柱 面產(chǎn)生塑性鉸的假定提出的。由于在北嶺地震中發(fā)現(xiàn)梁在柱面并沒(méi)有產(chǎn)生塑性變性，卻出現(xiàn)了裂縫。切口處的破壞是由三軸應(yīng)力引起的，從而導(dǎo)致了脆性破壞。過(guò)去采用的焊接鋼 框架節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造，不能提供可靠的非彈性變形。試驗(yàn)表明，其節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力不超過(guò) O．005rad，大大小于SAC建議的最小塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力0．03rad。另一方面，從受力情況看， 塑性鉸出現(xiàn)在柱面附近的梁上，還可能在柱翼緣的材料中引起很大的厚度方向應(yīng)變，并對(duì) 焊縫金屬及其周圍的熱影響區(qū)提出較高的塑性變形要求，這些情況也可能導(dǎo)致脆性破壞。 因此，為了取得可靠的性能，最好還是將梁柱連接在構(gòu)造上使塑性鉸外移。將塑性 位置從柱面外移有兩種方法，一種是將節(jié)點(diǎn)部位局部加強(qiáng)，一種是在離開(kāi)柱面一定距離處將梁截面局部削弱。鋼梁中的塑性鉸典型長(zhǎng)度約為梁高的一半，當(dāng)對(duì)節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)時(shí)，可取塑性鉸位置為距加強(qiáng)部分的邊緣處梁高的1／3。節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)固然也可使塑性鉸外移， 但應(yīng)十分注意不要因此出現(xiàn)弱柱，有背強(qiáng)柱弱梁的原則。 也有一部分專業(yè)技術(shù)人員認(rèn)為，在構(gòu)造上采取某些措施仍可使塑性鉸出現(xiàn)在柱面附近， 這些措施包括限制構(gòu)件的截面，控制梁柱鋼材的有關(guān)強(qiáng)度，使母材和焊縫金屬有足夠的沖擊韌性，在節(jié)點(diǎn)構(gòu)件上消除缺口效應(yīng)等。但是由于沒(méi)有足夠的研究來(lái)肯定這些建議，使得這種建議在美國(guó)遲遲未能落實(shí)。而將塑性鉸自柱面外移的建議，試驗(yàn)已表明是可行的和行之有效的。目前，美國(guó)對(duì)節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)及梁截面減弱，都已提出了若干構(gòu)造方案。實(shí)際上，將梁截面減弱使塑性鉸外移的方法，早在北嶺地震以前即有學(xué)者提 出過(guò)，北嶺地震后又作了研究，在技術(shù)上己較成熟[4] ，從近期在美國(guó)鹽湖城建造的25層辦公 樓中采用的犬骨式(dogbone)連接，就可以看到它的構(gòu)造細(xì)節(jié)。目前，美國(guó)雖未提出 今后在抗震框架中推薦采用何種節(jié)點(diǎn)形式，但從實(shí)際情況看，上述犬骨式連接已成為主導(dǎo)形式[3] 。因它制作方便、省工，由美國(guó)公司設(shè)計(jì)的我國(guó)天津國(guó)貿(mào)大廈鋼框架中也已采用了 這種節(jié)點(diǎn)形式。 日本阪神地震后，沒(méi)有象美國(guó)采用將
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