剛性鋼框架節(jié)點的抗震加固措施
2015-06-01
概述
剛性鋼框架，又稱抗彎框架（Moment-Resisting Frames，MRFs），具有很好的抗震性能，在地震區(qū)被廣泛采用。梁柱連接在抗彎框架中扮演著舉足輕重的角色。長期以來，人們認為梁柱剛性連接（圖1）具有很好的韌性，在地震作用下可以充分發(fā)展塑性變形，吸收地震能。但在1994年的Northridge地震中，地震中所有的抗彎鋼框架房屋雖然都未倒塌，卻有二百多個建筑物的梁柱連接發(fā)生了脆性破壞，破壞位置都在梁下翼緣與柱的連接焊縫處，而且斷裂時梁沒有明顯的塑性變形或未發(fā)展塑性。1995年的阪神地震中也發(fā)生了類似的破壞。如此兩次事件之后，剛性梁柱連接的脆性破壞引起了研究者的重視，美日兩國成立了專門的機構(gòu)，研究剛性鋼框架梁柱連接的受力性能、破壞機理和對舊建筑物的加固方法。
學者們通過對傳統(tǒng)節(jié)點的大量研究[1~3]，提出將塑性鉸外移的設(shè)計概念，通過將塑性鉸自柱面外移，改善連接焊縫處的復雜受力狀態(tài)，避免脆性破壞.塑性鉸外移的方法有兩種：一是對梁翼緣和腹板進行局部削弱，如狗骨式節(jié)點，切縫式節(jié)點，梁腹板開洞節(jié)點等；二是適當加大節(jié)點處的強度，如加腋節(jié)點和擴翼型節(jié)點等。研究表明，這些改進都不同程度的改善了節(jié)點的抗震性能。
2.1 狗骨式節(jié)點
由于Northridge地震中焊接剛性發(fā)生了脆性破壞，人們提出了許多改進連接韌性的方法，其中一種是在靠近連接處適當削弱梁翼緣，使能形成塑性鉸，即所謂的“狗骨式”(dog-bone)設(shè)計。根據(jù)[4]的研究，這種形式的連接具有非常好的塑性變形能力，塑性鉸首先在狗骨節(jié)點處形成，說明框架梁翼緣的削弱實現(xiàn)了地震作用下塑性鉸的外移。狗骨梁翼緣首先進入屈服狀態(tài)，在翼緣削弱處周圍形成塑性發(fā)展區(qū)，并不斷向腹板內(nèi)延伸。塑性轉(zhuǎn)角可以達到0.03rad以上。但狗骨型節(jié)點由于截面的削弱，使得節(jié)點承載力和剛度會出現(xiàn)一定的退化， 從而導致構(gòu)件的承載力降低。
2.2 切縫式節(jié)點
切縫式節(jié)點是將梁腹板在靠近連接處沿梁翼緣軸線方向切上下兩條縫（如圖2）。切縫可使梁的彎矩和剪力分段，使梁腹板承受全部剪力和部分彎矩，而梁翼緣則承受另一部分彎矩。同時使梁翼緣在連接處的彎曲應力均勻分布，消除了梁翼緣焊接的垂直剪力，防止梁側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲，并使塑性鉸出現(xiàn)在切縫末端。由于切縫的存在，也產(chǎn)生了梁的失穩(wěn)問題，適用范圍有限。但總的來說，該節(jié)點形式簡單，具有廣泛的應用前景。
2.3梁腹板開洞節(jié)點
類似于混凝土空心板開洞以減輕自重的原理，梁腹板也可在離開節(jié)點一定距離開洞以減輕自重并降低梁截面的抗彎能力，相應地“提高”節(jié)點的抗彎能力（如圖3）。開洞的大小和多少在保證結(jié)構(gòu)可靠的前提下視節(jié)點與梁的強弱關(guān)系而定。 這種節(jié)點可讓工藝管道等設(shè)備從梁中穿過，使結(jié)構(gòu)層和設(shè)備層合二為一，在管道布置錯綜復雜的電廠建筑中優(yōu)點較為明顯，但缺點是加工成型復雜。該節(jié)點在實際工程中已經(jīng)得到了廣泛應用。
加強節(jié)點的加固措施
3.1 加腋節(jié)點
為了增加節(jié)點處的有效高度，減小梁下翼緣處對接焊縫應力，可在梁下翼緣底部加腋。有關(guān)研究表明[6]，腋在受力中的作用類似鏈桿， 主要受軸向力作用， 翼緣起主要作用。影響腋翼緣軸力的主要因素是兩腋間梁段長度與腋高的比值。加腋并非對所有鋼框架剛性節(jié)點都有效，在常用的加腋角等于30°的構(gòu)造形式下，只有當跨高比大于5.9時，塑性鉸才可能在加腋區(qū)域外形成。當加腋角 27°到 33°之間的其它值時， 可偏于保守取跨高比大于6.6，使塑性鉸在加腋區(qū)域外形成。只有適用范圍內(nèi)的鋼節(jié)點才能通過加腋使塑性鉸從節(jié)點外移， 避開梁柱連接面的焊縫， 從而提高其抗震性能 適用范圍外的節(jié)點即使加腋仍可能發(fā)生節(jié)點焊縫的脆性破壞， 但是加腋后， 截面中性軸較加腋前下移， 梁的上翼緣表面應力值最大， 上翼緣焊縫成為薄弱部位，破壞的位置從梁柱連接面的梁下翼緣焊縫轉(zhuǎn)移到梁上翼緣焊縫處。
3.2 擴翼型節(jié)點
圓弧擴翼型節(jié)點和側(cè)板擴翼型節(jié)點通過將梁翼緣進行適當?shù)臄U大后，均能有效的將塑性鉸移出焊縫熱影響區(qū)，避免梁柱連接焊縫附近的脆性破壞，并且比傳統(tǒng)普通節(jié)點具有更高的極限承載力，是較為理想的延性節(jié)點。根據(jù)研究結(jié)果，對于圓弧擴翼式節(jié)點和加側(cè)板擴翼式節(jié)點在彈性階段最大應力位于對接焊縫處，進入塑性后，最大應力逐漸由焊縫處轉(zhuǎn)移至擴翼段末端外，并在擴翼段末端位置發(fā)展形成塑性鉸，遠離粱柱連接面這一薄弱環(huán)節(jié)，有效保護了焊縫。當采用相同的擴翼參數(shù)，圓弧型節(jié)點的延性性能要好于加側(cè)板節(jié)點，另外與加側(cè)板擴翼節(jié)點相比較，直接圓弧擴翼型節(jié)點由于在構(gòu)造中采用了圓弧漸進式過渡措施，在截面改變處力線傳遞平緩，減小了梁翼緣變截面處的應力集中現(xiàn)象，具有更好的延性，建議實際設(shè)計中宜考慮優(yōu)先采用圓弧擴翼式節(jié)點。
4. 結(jié)語
如今的剛性節(jié)點抗震加固措施已多種多樣，以后還會更加豐富，但每一種都有獨到的優(yōu)勢和特色，但同時也都有合適的適用情況。在加固的同時不僅要考慮連接形式、構(gòu)造和施工情況，還要結(jié)合實際工程情況具體分析，選擇最優(yōu)的加固形式。
