钢结构梁柱连接节点抗震性能研究进展

第39卷第5期2011年10月福州大学学报（自然科学版）Journal of Fuzhou University（Natural Science Edition）Vol．39No．5Oct．2011DOI：CNKI：35－1117/N．20111014．1025．019文章编号：1000－2243（2011）05－0658－08钢结构梁柱连接节点抗震性能研究进展吴兆旗，何田田，姜绍飞，苏建强（福州大学土木工程学院，福建福州350108）摘要：钢结构梁柱连接节点是保证梁和柱协同工作的关键部件，其性能直接影响结构的刚度、稳定性和承载能力．对钢结构梁柱节点应用及发展历史进行回顾，对近年来节点抗震性能的研究进展及其构造措施的改进进行总结．发现目前梁柱连接节点的耗能能力和塑性变形多是由梁端形成的塑性铰提供；尽管这些节点在实验中表现出优越的抗震性能，但实际工程这些节点若受到损坏，修复相对困难且费用较高．为便于震后修复，基于控制思想提出了带有耗能元件的梁柱节点构造．然而目前该技术尚存在一些不足，需要进一步研究．关键词：钢结构；梁柱节点；抗震性能；焊接连接；螺栓连接；耗能元件中图分类号：TU391文献标识码：AResearch advances in seismic performance of steel beam－to－column connectionsWU Zhao－qi，HE Tian－tian，JIANG Shao－fei，SU Jian－qiang（College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian350108，China）Abstract：Beam－to－column connections are the key parts for guaranteeing beams and columns towork together．Their performance can affect significantly the stiffness，stability and bearing capacity ofstructures．This paper looked back the history of application and development of the beam－to－col-umn joints，and summarized the seismic performance research and some improvements of connectiondetails recently．It was found that the energy dissipation and plastic rotation of the common joints areprovided by the plastic hinges which are formed in the beams．Although the joints display excellentseismic performance in laboratory，the damaged joints in practice will be repaired difficultly and cost-ly．Some innovative connections，based on the intelligent control concept，could not only provide goodseismic performance but could also be easily repaired after a heavy earthquake．However，the technol-ogy of the connections is not enough to use in practice and the further research need carry out．Keywords：Steel structure；beam－to－column connections；seismic performance；welded connec-tions；bolted connections；energy absorption parts钢结构具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观等一系列优点，与混凝土结构相比它是环保型的和可再次利用的，也是易于产业化的结构［1－2］．钢框架结构是由钢梁、钢柱构件通过节点连接构成，既承受竖向荷载又承受水平荷载的结构体系．框架结构由于建筑平面布置灵活、抗震性能好以及计算理论相对成熟，在中低层到高层建筑中广泛应用．钢框架结构中，连接节点是保证梁与柱协同工作、形成结构整体的关键部件，它的性能直接影响结构体系的刚度、稳定性和承载能力．本文对钢结构梁柱节点的历史进行回顾，并对近年来节点抗震性能的研究进展及其构造措施的改进进行总结，进而对钢结构梁柱节点抗震性能研究提出一些看法．1发展历程1．1铆钉连接远在利用铸铁和锻铁作为结构材料时期，铆钉连接就是结构构件之间的主要连接方式．19世纪末期，收稿日期：2010－06－30通讯作者：吴兆旗（1977－），博士，助理研究员，zhaoqi_wu@fzu．edu．cn基金项目：国家自然科学基金资助项目（51008081）；中国博士后科学基金资助项目（20100470867）；福州大学科技发展基金资助项目（2010－XQ－25）第5期吴兆旗，等：钢结构梁柱连接节点抗震性能研究进展钢材逐步取代铸铁和锻铁应用于结构工程中．由于劳动力费用低，多采用桁架式的组合构件．1920年左右，随着劳动力费用提高，实际工程中采用热轧型钢截面构件作为梁和柱．梁和柱之间借助T 型件和角钢等采用铆钉连接（如图1所示）．铆钉T 形件连接应用在高层建筑中的底部几层，铆钉双角钢连接用在高层建筑的顶部几层或者低层房屋．结构为进行防火保护，通常在构件和连接节点外面包裹素混凝土．当时多数钢结构房屋不进行抗震设计，只进行抗风设计．直到1930年左右，才开始考虑地震对结构的影响．地震作用的取值与现行标准相比要小很多．由于所有的连接均是抗弯连接，结构具有较高的冗余度．另外，砌筑墙体和用作防火的混凝土等非结构构件具有较大的附加刚度，但设计时并没有考虑．早期的工程师不计算连接的强度和耗能能力，他们根据已有工程实践经验进行设计．1994年北岭地震中，20世纪70年代之前的建筑物梁柱节点均为抗弯连接，结构冗余度高，并且因防火保护和填充墙等引起的附加刚度在设计时未计入，在地震中这类房屋并没有破坏，也没有造成人员伤亡．然而，后来人们对该类连接在往复荷载作用下的性能进行研究发现，该连接的滞回性能差异很大，且多数连接延性和耗能能力较差［3］．早期建筑物抗震性能优越不是由钢框架提供的，而是由结构的冗余度和非结构构件的附加刚度和承载力提供．由于非结构构件的刚度和强度，结构不能出现使连接破坏的变形．大量的连接提供了结构的冗余度，意味着单个连接的性能对整个结构性能的影响不大．图1梁柱铆钉连接节点Fig．1Beam －to －column rivets connected joints1．2高强螺栓1960年后，高强螺栓逐步代替如图1所示的连接中的铆钉，但连接细节仍旧和铆钉连接相同．混凝土保护层逐渐被更轻的防火材料替代．这时候，抗震设计方法已经演变成类似于现代的抗震设计．人们逐渐认识到尽管地震作用力可能非常大，但如果适当考虑结构和连接节点的非弹性性能，用于建筑设计的地震作用会变小．研究者对结构非弹性滞回性能研究开始增加．地震作用的减小依赖于建筑物的质量和自振周期，因此工程师开始减少结构的质量，因为这样可以减少用于设计的地震作用．这些变化使得因防火保护和填充墙等引起的附加刚度降低．梁柱高强螺栓连接很快被焊接连接所代替．由于在工程中应用时间比较短，且多采用与铆钉连接类似的方式，因此，高强螺栓连接节点的抗震性能研究相对较少．1．3栓焊混合连接20世纪60年代末期和70年代初期，焊接在钢结构梁柱连接中逐渐的被广泛采用．实际工程中多数采用梁翼缘与柱子翼缘全熔透焊接、梁腹板与柱翼缘螺栓连接的方式（如图2），通常称其为栓焊混合连接．栓焊混合连接施工方便，经济性好，研究相对成熟［4－6］，其滞回性能曲线饱满，刚度和强度稳定．另外，这种连接可以在梁上发展塑性，避免了连接部位脆性破坏发生．栓焊混合连接很快成为了标准的抗震连接形式．1988年统一建筑规范（UBC ，1988）提高了腹板的抗剪承载力设计值．抗剪承载力提高是基于实验中发现板域屈服可提供稳定可靠的耗能能力、具有更好的延性性能［5－7］．大约从1988年开始，允许板域首先屈服，然后梁上再发展塑性．预期的栓焊混合连接破坏先后顺序如图3所示．·956·福州大学学报（自然科学版）第39卷图2栓焊混合连接Fig．2Welded －flange －bolted －web connection 图3预期破坏机制Fig．3Expected failure mechanism然而，在1994年的北岭（Northridge ）地震和1995年的阪神（Hyogoken －Nanbu ）地震中，采用这种节点的数百栋钢结构建筑虽然没有倒塌，却有很多在节点部位出现了严重的脆性破坏［8－10］，即栓焊混合连接节点并没有按照预期的破坏方式破坏．典型的破坏方式是梁下翼缘与柱子之间的全熔透焊缝出现裂纹，然后裂纹根据连接细节的不同沿着不同路径发展．图4（a ）是全融透焊缝与母材之间形成贯通裂缝；图4（b ）是与梁焊接在一起的柱翼缘被撕裂，但裂缝并没有贯穿柱翼缘厚度；图4（c ）是裂缝贯穿柱子翼缘；图4（d ）所示的是裂纹贯穿整个板域的情况．（a ）焊缝与母材脱离（b ）柱翼缘被撕裂（c ）裂纹贯穿柱翼缘（d ）裂纹贯穿柱板域图4几种典型的破坏形式Fig．4Several typical fractures of beam －to －column connections2研究进展美国1994年北岭地震和日本1995年阪神地震后，众多的研究者致力于研究节点破坏机理和寻求抗震性能更为优越的构造措施．在寻求抗震性能优越的构造措施方面，主要思路有：对栓焊混合连接的细节进行改进；将塑性铰外移；对高强螺栓连接的抗震性能重新进行审视；利用控制技术，确保塑性在预期部位发生．2．1破坏原因分析文献［11］，［12］对传统钢梁柱连接节点的破坏现象和破坏原因进行了系统的总结，认为主要是以下原因使得钢梁－柱节点易发生脆性破坏：和梁中的应力相比，连接部位的应力相对较大；梁下翼缘与柱子之间的现场焊缝施焊困难，质量不容易保证，且该处焊缝的缺陷不易于探测；设计时假定梁翼缘与柱子之间的焊缝只承担弯矩，但实际上由于柱子的变形，梁下翼缘在传递弯矩的同时还承担一部分剪力；焊缝操作孔附近的梁翼缘存在严重的变形集中，严重降低了钢材的低周疲劳性能；由于梁翼缘焊在设有水平加劲肋的宽大柱翼缘上，其焊接部位的变形受到限制，三向受拉的钢材由于无法形成侧向收缩或剪切滑移，将在没有明显屈服现象时就发生脆性破坏；1988年至1994年期间设计的梁－柱连接节点板域相对较弱，较大板域剪切变形使得与其相连的梁翼缘的应力进一步增加．2．2连接细节改进2．2．1焊接操作孔焊接操作孔是为梁翼缘全熔透焊缝通过而设置的，其大小、形状等对连接性能有显著影响．焊缝操作孔处存在应力集中，首先表现为衬板与柱的界面存在的实际人工缝，成为引发裂缝的源头；其次，孔端与构件的夹角较大引起垂直于板边的应力分量，地震时极易引发裂缝．图5（a ）和图5（b ）所示为传统标准的梁下翼缘焊接操作孔的形式．文献［13］通过现场调查、试验研·066·第5期吴兆旗，等：钢结构梁柱连接节点抗震性能研究进展究、理论分析和数值模拟，对采用9种不同焊接操作孔的连接试件进行研究，其中含不设置焊接操作孔的试件和设置传统孔的试件．发现传统节点通常在操作孔附近首先出现延性破坏，传统操作孔会使连接性能劣化．在分析的基础上提出了如图5（c ）所示的改进操作孔，该操作孔的具体形式已被FEMA 350采用．图5（d ）是我国高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99－98）［14］建议的操作孔形式和尺寸．文献［15］，［16］在其基础上提出了三种扩大型的焊接孔形式，并利用实验和数值模拟的方法研究了采用4种操作孔的梁柱节点滞回性能．结果表明，焊接孔扩大型节点可以不同程度地缓解局部应力集中，改善节点延性．采用较长的焊接孔不仅能缓解应力集中，而且使节点破坏模式转变为梁翼缘的局部屈曲，降低了对接焊缝发生脆性破坏的可能，对节点延性有较大的改善作用．（a ）标准形式1（b ）标准形式2（c ）改进形式（d ）规程建议形式图5焊接操作孔的形式Fig．5Weld access hole details文献［17］利用数值模拟的方法研究了焊接孔长度对梁柱节点性能的影响．分析表明，孔长度的扩大有效地降低了梁柱连接面处的对接焊缝和焊接孔切角端的塑性应变和三轴应力水平，从而降低了这两个薄弱环节开裂以及梁翼缘脆性破坏的可能性，焊接孔长度的扩大对薄弱环节的有显著的改善作用．但焊接孔长度过长将导致节点延性的降低和梁侧向稳定的丧失，在设计时应考虑对焊接孔区段内梁段的平面外稳定进行验算．2．2．2梁腹板与连接件焊接（a ）部分补焊（b ）完全补焊图6梁腹板与连接件补焊Fig．6Additional weld between beam web and connecting plate1988年，统一建筑规范（UBC ，1988）要求在梁翼缘和抗剪连接板之间进行补焊，如图6（a ），当时是考虑到梁腹板通常承担30%左右的塑性弯矩．后来，节点非线性分析［18－20］表明，在发生较大非线性变形之前，腹板连接件传递的剪力较小．连接件所能传递的剪力依赖于构件的尺寸、腹板的刚度和承载力．当腹板连接不能够传递梁上全部剪力时，剩余的剪力需要由梁翼缘的焊缝传递，这会导致翼缘焊缝处的局部应力增加，并使焊缝处于复杂受力状态．因此，较强的腹板连接会降低对翼缘焊缝处截面的延性要求．因此，将梁腹板与连接板之间进行焊接可以提高连接延性和耗能能力，如图6（b ）．2．2．3翼缘外伸连接节点图7梁翼缘外伸式节点Fig．7Free flange connection 基于精细有限元分析，文献［21］，［22］提出如图7所示翼缘外伸的连接形式．梁端处的腹板被切掉，剪力通过一个强劲的连接板来传递．翼缘外伸可以达到两个目的：第一是可以减小通过翼缘传递的剪力；第二是在没有较大塑性应变集中的情况下，可以提供较大的非弹性变形．梁端翼缘外伸长度越大，塑性变形的区域越大，塑性转角就会越大．如果梁端翼缘外伸长度过大，可能会导致受压翼缘局部屈曲．实验表明，该连接节点具有良好的延性和耗能能力．2．2．4梁腹板开槽型节点梁腹板开槽型节点是由美国抗震结构设计协会SSDA 研究发明并申请了国家专利［23］，其结构构造如图8所示．经过大量的实验和理论研究表明，腹板上开槽对腹板的削弱和梁的弹性阶段的荷载－位移曲线影响并不是十分明·166·福州大学学报（自然科学版）第39卷图8梁腹板开槽型节点Fig．8Slotted beam connection 显．其设计特点为：能有效地使梁柱节点在地震作用下的塑性铰外移，起到保护焊接节点、防止发生脆性破坏的目的；能够减小梁与柱翼缘焊接焊缝处的应力集中．典型的栓焊节点或狗骨式连接节点在梁与柱翼缘焊接的焊缝的应力集中系数可高达4 6，而本类型节点则可以降低到1．4，有利于节点抗震性能的发挥，使节点的破坏模式从原来的焊缝的塑性屈曲破坏转变为梁翼缘板的局部屈曲破坏．但该类型节点工艺复杂、要求精度较高，在槽型孔底部容易形成应力集中点，削弱后的腹板在安装过程中易受到外力冲击而发生变形，违背原来的设计目的．2．3塑性铰外移塑性铰外移的目的是为了将塑性铰自柱面外移到距柱面一定距离的梁上，避免由于连接变形能力的恶化而导致脆性破坏．通过对连接部位进行加强或者对梁截面进行削弱两种方式来实现塑性铰外移．2．3．1连接部位加强型节点连接部位加强型节点是加大梁端截面的焊缝面积或加大梁端的有效面积，使梁端的极限承载力高于梁截面．在地震作用下，加强后的梁端还未进入全截面塑性剪力状态时，梁端附近因梁的截面相对较小，先行形成塑性铰而发生塑性破坏，起到保护节点、防止发生脆性破坏的作用．具体的做法有加盖板法（图9（a ））［24－29］、加侧板法（图9（b ））［29－32］、加腋法（图9（c ））［33－34］、加竖向加劲肋法（图9（d ）和图9（e ））［35－36］等．（a ）加盖板（b ）加侧板（c ）加腋（d ）加竖向三角肋（e ）加条状肋图9几种典型连接部位加强型节点Fig．9Several strengthened connections2．3．2梁截面削弱型节点（a ）翼缘削弱（b ）腹板开洞（c ）降低梁高图10典型梁截面削弱型节点Fig．10Reduced beam section connections梁截面削弱性节点利用削弱梁截面的方法人为的限定了塑性铰形成的位置和长度，充分保护了梁柱的焊缝，使削弱处的梁截面的承载力小于节点处的承载力．在地震作用下，塑性铰发生在梁的削弱处，发生塑性破坏．经大量实验表明在地震力作用下该节点表现出了良好的延性，并在规范中被推荐使用．具体的做法有对梁翼缘进行削弱（图10（a ））［37－39］和对梁腹板进行削弱．梁翼缘进行削弱的节点又叫狗骨式节点；对梁腹板进行削弱有两种方式：一种是在梁腹板开洞（图10（b ））［40－41］，另一种是降低梁的高度（图10（c ））［42］．但它也存在着缺陷和不足，梁的破坏首先是在梁截面应力最大即截面面积最小处发生，而中间梁段的全截面的承载力并没有被充分利用．对整个梁来说，它的承载力主要是由削弱处的小截面决定，造成了梁中间大截面部分的材料浪费，经济效益不是太好．其次，由于梁截面被削弱，在一定程度上降低了梁的承载力和刚度，从而影响了整个框架结构的可靠性．而且为了防止在削弱处由于加工不精，存在缺陷而引起应力集中，在施工过程中对加工工艺的精度要求很高，在加工时必须顺着梁的纵向方向进行切割并刨光，要求严格，工序复杂，经济消耗大．·266·第5期吴兆旗，等：钢结构梁柱连接节点抗震性能研究进展2．4高强螺栓连接节点（a ）全强连接（b ）部分强度连接图11端板连接节点试件破坏模式Fig．11Fractures of beam －to －column endplate connections 梁－柱节点连接处的质量不易保证的梁下翼缘与柱子之间的现场焊缝是导致节点出现脆性破坏的诱因，因此，无现场焊缝的全螺栓连接的梁－柱节点重新受到审视［43－50］．采用全螺栓的梁－柱节点通常需要借助连接件，典型的连接件有T 形件、角钢和端板等．梁－柱全螺栓连接节点延性较好、耗能能力强、抗震性能优越．根据连接部位与被连接梁的抗弯承载力之间的关系，分为全强连接和部分强度连接．其中全强连接是连接部位的承载能力高于被连接梁的承载力，节点破坏时在梁上形成塑性铰．图11（a ）所示为梁－柱端板全强连接节点试验后的照片．部分强度连接是连接部位的承载能力小于被连接梁的承载力，连接件首先破坏．图11（b ）所示是部分强度的梁－柱端板连接节点试验后的照片，端板加劲肋被撕裂．全强连接的螺栓连接节点破坏后的修复与焊接连接节点类似，相对比较困难．部分强度的螺栓连接的修复工作量根据所采用的连接不同而有所差别：由于端板焊接与梁端，采用端板连接的节点修复困难；T 形件和角钢与主体结构梁－柱之间均采用螺栓连接，节点破坏后连接更换相对容易．但梁上翼缘部位的连接件由于埋在混凝土中，更换时仍需要先去除连接件附近的钢筋混凝土．2．5带有耗能元件的连接节点新提出的这些抗震性能优良的梁柱节点均是“强节点，弱构件”抗震思想的深化．尽管这些改进的梁柱节点在试验室中表现出优越的抗震性能，但是由于其抗震设计思想是基于框架主要构件框架梁提供塑性变形，应用这些节点的实际工程若受到破坏，修复相对困难．为便于地震破坏的梁柱节点灾后修复，文献［51，52］基于被动控制思想提出了在梁－柱节点处设置金属耗能元件来提高节点耗能能力、保护主体结构不受损坏．金属耗能元件设置在梁下翼缘，破坏后便于修复和替换．经试验验证后设置耗能元件的梁柱节点弯矩转角关系滞回性能稳定，塑性变形集中在耗能元件上，上翼缘附近的连接件没有出现破坏，达到预期效果．图12（a ）和图12（b ）分别是文献［51］和文献［52］提出的梁－柱节点构造示意图．图12（a ）中U 形耗能元件仅适用于梁与柱子弱轴方向的连接．图12（b ）中，槽形耗能元件设置梁下翼缘下面，降低了结构使用空间的高度；同时梁下翼缘与柱子之间仅靠槽形耗能器的平面外刚度来保证梁的整体稳定，对梁的整体稳定不利．针对上述问题，本文作者提出一种新型梁柱节点形式，并申请国家专利保护［53］．该连接节点的构造如图12（c ）所示，其特点是把传统T 形件连接节点与梁下翼缘相连的T 形件作为耗能元件，提供节点转动所需塑性变形；梁上翼缘作为转动中心不发生较大的位移从而保护其不发生破坏；在T 形件翼缘与柱翼缘之间设置垫板，使T 形件翼缘能够向正反两个方向发生弯矩屈服从而增大其耗能能力．耗能T 形件处于梁翼缘下部，破坏后易于更换；梁下翼缘通过T 形件直接与柱子相连，没有增加梁的高度，对梁的整体稳定有利．（a ）U 型耗能件（b ）槽型耗能件（c ）T 型耗能件图12设置耗能元件的梁柱节点Fig．12Beam －to －column connections with energy dissipator·366·福州大学学报（自然科学版）第39卷3结语钢结构梁柱连接节点是保证梁与柱协同工作、形成结构整体的关键部件，其抗震性能一直受到工程界和研究者的高度关注．连接节点的焊接细节改进和塑性铰外移的抗震思想是基于框架主要构件框架梁提供塑性变形，实际工程中这些节点若受到损坏，修复相对困难且费用较高．带有耗能元件的连接节点能够保护主体结构不受损坏，且具有便于修复的优点．然而，带有耗能元件的连接技术还不成熟，尚需要进行大量相关研究工作．参考文献：［1］中华人民共和国建设部．中国建筑技术政策（1996－2010）［M ］．北京：中国城市出版社，1997．［2］建设部，国家冶金工业局建筑用钢技术协调组钢结构专家小组．建筑钢结构产业“十五”计划和2015年发展规划纲要［J ］．新型建筑材料，2001（1）：47－49．［3］Roeder C W ，Leon R T ，Preece F R．Strength ，stiffness and ductility of older steel structures under seismic loading ［R ］．Seat-tle ：University of Washington ，1994．［4］Popov E P ，Pinkney R B．Cyclic yield reversals in steel building connections ［J ］．Journal of Structural Engineering ，1969，95（3）：327－353．［5］Krawinkler H ，Bertero V V ，Popov E P．Inelastic behavior of steel beam －to －column sub －assemblages ［R ］．Berkeley ：Uni-versity of California ，1997．［6］Bertero V V ，Krawinkler H ，Popov E P．Further studies on seismic behavior of steel beam －to －column sub －assemblages ［R ］．Berkeley ：University of California ，1973．［7］Popov E P ，Amin 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