高层钢结构小论文

钢结构抗震性能分析 摘要：随着我们国家钢产量的迅猛增长和城市建设的快速发展，钢结构体系在建筑工程中的应用越来越广泛，而在多层和高层钢钢框架结构抗震设计中，梁柱刚性连接节点设计是一个非常重要的组成部分，因其设计得是否恰当将直接影响到结构承载力的安全性和可靠性。在1994年美国的北岭地震和1995年日本的阪神地震中出现了大量的钢框架结构节点的破坏，人们开始对工地焊接的钢框架刚性连接节点的抗震性能产生了怀疑，显示出人们对于钢框架栓焊混合刚性连接的受力性能、破坏机理的认识不足。我国地处环太平洋地震带和地中海一喜马拉雅地震带上，地震活动频繁。据统计，仅占全球陆地面积7％的中国，大陆地震却占全球的三分之一；全国60％的国土、50％的城市、67％的大城市位于烈度7度及以上烈度区内，可以说我国正面临着地震的全面威胁，随着钢结构日益广泛的应用，为了避免再次出现人员伤亡和财产损失，对钢结构梁柱节点抗震性能进行深入的研究已经迫在眉睫。本文总结了北岭地震后国内外学者提出的钢框架梁柱节点的几种新型节点形式，并给出了梁柱节点的设计建议，为工程应用提供依据。 关键词：钢框架；梁柱改进型节点；减弱型节点；加强型节点；构造形式；抗震性能； Abstract：With our country’s steel output growth fastly and urban’s construction developing rapidly，steel structure system was popular applicated in the construction building. The rigid beam-column connections designed is a very important component in the seismic design of multi—storey and high—level steel structures．Because this connection design have a direct impact on the structure of the beating capacity of the security and reliability．In the 1994 Northbridge and 1995 Kobe earthquakes，great amounts of steel moment connections were damaged，then people have the doubt in the seismic performance of rigid beam—column connections which were welded in the construction site，showing that people has the lack of understanding for the performance of Steel moment frame with Bolt-welding mixed connection，and the failure mechanism. Our country is located in the circum-Pacific seismic belt and Mediterranean—Himalaya earthquake belt，the seismic activity is frequent．According to statistics，only 7% of the global land area of China，but the mainland’s earthquake accounted for one—third of the world；and 60％of the national territory，50％of the city，67％of the cities，were located in the intensity of 7 degrees and intensity over the region，SO there is no double all-round of China is facing the threat of earthquake，in order to avoid casualties and property losses in further，and with the steel structure system applicated more and more Extensive，the deeply research on the seismic behavior of steel beam—column joints must be carried out immediately． Keywords：steel moment frame；improved beam-column joints; enhanced beam-column joints; reduced beam-column joints; suctural constructions; seismic performance.

1. 引言 相对于其他结构形式的建筑，钢结构建筑有很多优点:布置便利、抗震性能好、工期短、综合造价低、工厂化加工减少了工地的湿作业、符合建筑产业化和可持续发展的要求、噪音小、粉尘污染少等等。其中钢框架结构由于其使用空间 大，空间布置灵活，自重轻的优点成为最为普遍的建筑形式之一。 在1994年北岭地震和1995年阪神地震以前，钢框架结构的梁柱节点连接以梁柱混合连接为主。混合连接是一种现场连接，其中梁翼缘与柱用全熔透坡口对接焊缝连接，梁腹板通过连接板与柱用高强度螺栓连接。当时普遍认为该节点设计方法能够保证节点发挥材料的延性，促使结构在梁端出现塑性铰，并通过塑性铰的形成和转动耗散地震动所输入的能量，使节点免于破坏，并保证结构的整体性使其免于倒塌，以满足“强节点弱构件”的设计思想。然而，北岭和阪神地震中，此类梁柱节点并没有表现出人们所期待的延性，而是产生了大量的脆性破坏。由于北岭地震中节点的断裂多发生在焊缝与柱翼缘的熔合面，因此美国的研究者更关注焊缝的韧性和焊接垫板等构造细节对材料韧性的要求；而日本的研究者更关注母材的韧性和焊接热输入，因为阪神地震中节点的脆性裂纹主要起源于焊缝热影响区并向母材扩展。美、日梁柱节点不同的断裂机理，与两者不同的节点构造形式有关，美国采用柱贯通的形式，而日本将柱子截断并设置横隔板与梁翼缘焊接连接。美、日等国家对钢框架梁柱节点连接的抗震性能以及延性等进行了大量的试验研究分析，提出了将塑性铰外移至梁上的设计思想，从而避免梁柱连接焊缝处的脆性破坏。塑性铰外移分为2种基本形式，即节点削弱型和节点加强型。

2. 震后钢框架梁柱节点破坏原因 多层钢框架结构已成为建筑业重点推广的技术之一，其抗震性能已成为结构工程界重点研究和关注的问题。其倒塌或破坏的发生具有三类模态：1)延性破坏：梁端出现塑性铰，出现逐渐退化的现象(退化曲线趋势如图2-1(a)所示)；2)脆性破坏：裂纹在焊趾的部分或者母材发展最终导致断裂，迅速退化，破坏之前没有征兆，构件没有明显的退化现象(退化曲线趋势如图2-1(b)所示)；3)混合破坏：破坏过程介于延性破坏和脆性破坏之间，结构一开始不出现明显退化的现象，随着局部屈曲现象以及裂纹的发展而出现退化现象。1994年美国的北岭地震和1995年日本的阪神地震使钢框架梁柱连接遭到严重破坏，美日两国学者通过现场调查、室内试验和现场检验，结构响应分析、有限元分析、断裂力学分析等找出导致节点脆性破坏的原因。

图2-1 低周疲劳累计损伤破坏模式 2.1 节点受力不合理 钢框架在水平荷载和竖向荷载作用下，节点处弯矩出现极值。即使节点与梁等强，也是节点先进入塑性。其次，在常用的工字形或H型钢梁中，当结构处在弹性阶段时，翼缘通常承受全截面抗弯承载力的80%-85%，腹板承受全截面抗弯承载力的15%-20%，这对于通常翼缘采用焊接，腹板采用摩擦型高强螺栓连接的梁柱栓焊混合节点来说，梁翼缘对接焊缝所能承受的弯矩也只能与梁翼缘等强。如果腹板连接不考虑这15%-20%的弯矩，则其连接的抗弯承载力就只有框架梁抗弯承载力的80%-85%。如果再加上因高空施焊条件较差，焊缝存在某些缺陷以及焊接的残余应力等不利因素的影响，则其连接的抗弯承载力很可能只有框架梁抗弯承载力的70%-75%。这样在较大地震作用下，就必然使框架梁还没有进入塑性之前，节点先发生脆性破坏。这正是造成在美国北岭地震中大量钢框架结构梁端焊缝开裂的主要原因。在阪神地震中，凡是梁端与柱连接采用带悬臂梁段的全焊接连接的多高层钢结构房屋，虽然在连接处也发生了焊缝的开裂现象，但却在紧靠焊接处的框架梁上出现了明显的塑性变形。这也正是由于梁端翼缘和腹板全都是焊接，其连接的抗弯能力基本上等于或略低于梁的全截面抗弯能力的结果。 2.2 焊缝金属冲击韧性低 美国北岭地震前，焊缝采用E70T-4或E70T-7自屏蔽药芯焊条，这种焊条对冲击韧性无规定，这种焊条提供的最小抗拉强度480MPa,实验室试件或从实际破坏的结构中取出的连接试件在室温下的试验表明其冲击韧性往往只有10-15J。这样低的冲击韧性使得连接很容易产生脆性破坏成为引发节点破坏的重要因素。 2.3 焊缝缺陷 对破坏的连接所作调查表明，焊接质量往往很差，很多缺陷可以看出是明显违背了钢结构验收规范规定的焊接质量要求的，不但焊接操作有问题，焊缝检查也有问题。很多缺陷说明，裂缝萌生在下翼缘焊缝中腹板的焊接工艺孔附近，该处的下翼缘焊缝是中断的，使缺陷更为明显。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设置。因此，主要的连接焊缝中由于施焊困难和探伤困难出现了质量极差的部位。上翼缘焊缝的施焊和探伤不存在梁腹板妨碍的问题，因此可以认为这是上翼缘焊缝破坏较少的原因之一。 2.4 三轴应力的影响 分析表明，梁柱连接的焊缝变形由于受到梁和柱的约束，施焊后焊缝残留三轴拉应力，使材料变脆。 2.5 构造缺陷 由于焊接工艺的要求，梁翼缘与柱连接处设有衬板，实际工程中衬板在焊接后就留在了结构上，因此在衬板和柱翼缘之间就形成了一条“人工”裂缝导致裂缝开展。 2.6 坡口焊缝处的衬板和引弧板造成人工缝 实际工程中，往往焊接后将焊接衬板留在原处，这种做法已经被证明对连接的破坏具有重要影响。在加州大学进行的试验表明，衬板与柱翼缘之间形成一条未熔化的垂直界面，相当于一条人工缝，在梁翼缘的拉力作用下会使该裂缝扩大，