刚性钢框架节点的抗震加固措施
2015-06-01
概述
刚性钢框架，又称抗弯框架（Moment-Resisting Frames，MRFs），具有很好的抗震性能，在地震区被广泛采用。梁柱连接在抗弯框架中扮演着举足轻重的角色。长期以来，人们认为梁柱刚性连接（图1）具有很好的韧性，在地震作用下可以充分发展塑性变形，吸收地震能。但在1994年的Northridge地震中，地震中所有的抗弯钢框架房屋虽然都未倒塌，却有二百多个建筑物的梁柱连接发生了脆性破坏，破坏位置都在梁下翼缘与柱的连接焊缝处，而且断裂时梁没有明显的塑性变形或未发展塑性。1995年的阪神地震中也发生了类似的破坏。如此两次事件之后，刚性梁柱连接的脆性破坏引起了研究者的重视，美日两国成立了专门的机构，研究刚性钢框架梁柱连接的受力性能、破坏机理和对旧建筑物的加固方法。
学者们通过对传统节点的大量研究[1~3]，提出将塑性铰外移的设计概念，通过将塑性铰自柱面外移，改善连接焊缝处的复杂受力状态，避免脆性破坏.塑性铰外移的方法有两种：一是对梁翼缘和腹板进行局部削弱，如狗骨式节点，切缝式节点，梁腹板开洞节点等；二是适当加大节点处的强度，如加腋节点和扩翼型节点等。研究表明，这些改进都不同程度的改善了节点的抗震性能。
2.1 狗骨式节点
由于Northridge地震中焊接刚性发生了脆性破坏，人们提出了许多改进连接韧性的方法，其中一种是在靠近连接处适当削弱梁翼缘，使能形成塑性铰，即所谓的“狗骨式”(dog-bone)设计。根据[4]的研究，这种形式的连接具有非常好的塑性变形能力，塑性铰首先在狗骨节点处形成，说明框架梁翼缘的削弱实现了地震作用下塑性铰的外移。狗骨梁翼缘首先进入屈服状态，在翼缘削弱处周围形成塑性发展区，并不断向腹板内延伸。塑性转角可以达到0.03rad以上。但狗骨型节点由于截面的削弱，使得节点承载力和刚度会出现一定的退化， 从而导致构件的承载力降低。
2.2 切缝式节点
切缝式节点是将梁腹板在靠近连接处沿梁翼缘轴线方向切上下两条缝（如图2）。切缝可使梁的弯矩和剪力分段，使梁腹板承受全部剪力和部分弯矩，而梁翼缘则承受另一部分弯矩。同时使梁翼缘在连接处的弯曲应力均匀分布，消除了梁翼缘焊接的垂直剪力，防止梁侧向扭转屈曲，并使塑性铰出现在切缝末端。由于切缝的存在，也产生了梁的失稳问题，适用范围有限。但总的来说，该节点形式简单，具有广泛的应用前景。
2.3梁腹板开洞节点
类似于混凝土空心板开洞以减轻自重的原理，梁腹板也可在离开节点一定距离开洞以减轻自重并降低梁截面的抗弯能力，相应地“提高”节点的抗弯能力（如图3）。开洞的大小和多少在保证结构可靠的前提下视节点与梁的强弱关系而定。 这种节点可让工艺管道等设备从梁中穿过，使结构层和设备层合二为一，在管道布置错综复杂的电厂建筑中优点较为明显，但缺点是加工成型复杂。该节点在实际工程中已经得到了广泛应用。
加强节点的加固措施
3.1 加腋节点
为了增加节点处的有效高度，减小梁下翼缘处对接焊缝应力，可在梁下翼缘底部加腋。有关研究表明[6]，腋在受力中的作用类似链杆， 主要受轴向力作用， 翼缘起主要作用。影响腋翼缘轴力的主要因素是两腋间梁段长度与腋高的比值。加腋并非对所有钢框架刚性节点都有效，在常用的加腋角等于30°的构造形式下，只有当跨高比大于5.9时，塑性铰才可能在加腋区域外形成。当加腋角 27°到 33°之间的其它值时， 可偏于保守取跨高比大于6.6，使塑性铰在加腋区域外形成。只有适用范围内的钢节点才能通过加腋使塑性铰从节点外移， 避开梁柱连接面的焊缝， 从而提高其抗震性能 适用范围外的节点即使加腋仍可能发生节点焊缝的脆性破坏， 但是加腋后， 截面中性轴较加腋前下移， 梁的上翼缘表面应力值最大， 上翼缘焊缝成为薄弱部位，破坏的位置从梁柱连接面的梁下翼缘焊缝转移到梁上翼缘焊缝处。
3.2 扩翼型节点
圆弧扩翼型节点和侧板扩翼型节点通过将梁翼缘进行适当的扩大后，均能有效的将塑性铰移出焊缝热影响区，避免梁柱连接焊缝附近的脆性破坏，并且比传统普通节点具有更高的极限承载力，是较为理想的延性节点。根据研究结果，对于圆弧扩翼式节点和加侧板扩翼式节点在弹性阶段最大应力位于对接焊缝处，进入塑性后，最大应力逐渐由焊缝处转移至扩翼段末端外，并在扩翼段末端位置发展形成塑性铰，远离粱柱连接面这一薄弱环节，有效保护了焊缝。当采用相同的扩翼参数，圆弧型节点的延性性能要好于加侧板节点，另外与加侧板扩翼节点相比较，直接圆弧扩翼型节点由于在构造中采用了圆弧渐进式过渡措施，在截面改变处力线传递平缓，减小了梁翼缘变截面处的应力集中现象，具有更好的延性，建议实际设计中宜考虑优先采用圆弧扩翼式节点。
4. 结语
如今的刚性节点抗震加固措施已多种多样，以后还会更加丰富，但每一种都有独到的优势和特色，但同时也都有合适的适用情况。在加固的同时不仅要考虑连接形式、构造和施工情况，还要结合实际工程情况具体分析，选择最优的加固形式。
