探討鋼結構梁柱節點在地震災害中的作用

史琦

【摘 要】隨著科學家們對鋼結構建筑在地震災害中破壞現象的研究發現，一些鋼結構建筑的梁柱節點區域往往先于整個構件破壞，故設計者們對鋼結構的節點連接設計也越發重視，從而進一步改進了梁柱剛接節點的形式。為了提高構件及整體結構的強度和穩定性，以便減少在地震災害中的損失。在當今的工程設計中，翼緣加蓋板、梁端加腋和寬翼緣犬骨等改進型節點已被普遍采用。

【關鍵詞】抗震設計；梁端翼緣；寬翼緣犬骨式節點；防腐防火

引言：

地震破壞中，梁柱剛性節點破壞主要有以下幾種形式：1）連接焊縫全部斷裂或部分斷裂；

2）柱翼緣在與焊縫連接處發生層間撕裂、水平裂縫；3）梁翼緣在焊縫外側發生斷裂；

4）節點域腹板發生裂縫等。隨著鋼結構建筑在當今工程中廣泛的應用，并通過鋼結構建筑在地震災害中破壞的研究發現，一些鋼結構建筑的梁柱節點區域往往先于整個構件破壞。故此，研究者們認為，鋼框架中梁柱節點的設計尤為重要。連接節點的設計是否安全，對保證鋼結構的整體性和可靠度都有著直接的影響。本文介紹了鋼框架結構設計中的一些常用的梁柱節點，以及它們在地震災害中所發揮的作用。

一、鋼結構梁柱節點的分類及特點

目前高層建筑結構抗震效果是受多方面原因影響的，通常包括：在美國荷載抗力系數設計規范（AISC-LRFD）中把結構形式分為完全約束型、部分約束型和鉸接型。在允許應力設計規范（AISC-ASD，1989）中給出了三種類型節點的量化定義：

1.1剛性連接（見圖1）：受力時梁柱軸線的夾角保持不變（實際使用時，連接對轉動的約束達到理想剛接的90%以上）。剛性連接不僅能傳遞軸力和梁端剪力，也傳遞梁端彎矩，而且能使連接的構件具有連續性。

1.2鉸接連接（見圖2）：在外力作用下，梁柱軸線夾角的改變量達到理想鉸接轉角的80%以上。鉸接連接只傳遞軸力和梁端剪力，而不傳遞梁端彎矩。

1.3半剛性連接：連接性能介于以上兩者之間，其承載力和變形性能將對框架的承載力和變形產生極為顯著的影響。半剛性節點連接的特點：（見圖3）

（1）連接能承受一定的彎矩，并產生一定的轉角，M-曲線處在理想鉸接（水平軸）和完全剛性（垂直軸）之間。

（2）彎矩相同時，連接的柔性越大，值越大，反之亦然。

（3）M-關系在實際加載過程中一般是非線性的。

二、鋼結構梁柱節點的應用

抗震強弱的關鍵就在于地基的作用，在國內的工程設計中，由于規范只對剛接節點和鉸接節點做了具體的要求，所以這兩種形式的節點應用比較廣泛。對于半剛性節點，它雖然具有更好的延性、耗能能力和穩定的滯回性能，且半剛性連接鋼框架結構更容易滿足在梁端出現塑性鉸來耗散地震能量，防止因連接節點破壞而引起的結構坍塌。但對于半剛性節點，由于影響整體性能的因素很多，目前仍處于研究階段，故本文不做過多闡述。

2.1抗震設計中幾種常用節點

隨著建筑物的高度及設計難度的不斷增加，通過對抗震設計的不斷研究，抗震結構常設計成梁柱剛接節點形式，而常規的鋼框架梁柱剛接節點形式已經不能滿足抗震設計的要求，故在實際工程的抗震設計中對梁柱的剛接節點進行了以下幾種形式的改進：

（1）翼緣加蓋板（見圖4）：在梁端上下翼緣加焊鋼板，以達到梁端翼緣局部變厚的效果。

2.2梁柱剛接節點改進方式的分析及在地震災害中發揮的作用

我們知道，鋼梁是由梁翼緣和梁腹板組合而成。那么通過上面幾種梁柱改進型節點的介紹，我們可以看到，這些節點均只對梁端翼緣的形式進行了改進（不論是對翼緣加厚還是對翼緣加寬）。但如果對梁的腹板進行改進，或梁翼緣的改進不在梁端處，是否能使構件及整體結構產生有利的影響？

通過以上公式分析可以得知，主要與梁翼緣板面積和梁高有關，與梁腹板厚無關，MP的大小主要受構件截面的尺寸有關，增大梁翼緣板尺寸和梁高雖然可以增大的值，但WP的值也會相應增大，這也是為什么簡單的增大梁截面尺寸但計算結果卻沒有明顯改善的主要原因。所以要解決此類節點驗算不滿足，只能依據公式采取上文中所介紹改進型節點一些構造上的加強措施。而這些改進型節點在地震災害中，能起到增加構件延性、使構件在地震中出現的塑性鉸外移，以達到吸能的能力，從而減小結構在地震災害中的損失。

2.3鋼結構在災害中所面臨的問題

雖然鋼結構在材料的強度及延性上都優于混凝土結構，但它仍然有一些缺點是不可避免的。例如鋼結構材的防腐及防火的處理，仍面對了很大的挑戰。正像美國“9·11”事件中所表現出的那樣，雖然物體撞擊所產生的破壞對整體結構的影響非常有限，但當它面臨火災的時候卻表現的異常脆弱，以致使整棟建筑坍塌，造成了很大的損失。

結論：

綜上所述，對于鋼框架的梁柱節點設計，在實際工程中仍采用梁柱剛接節點的形式。并且對梁柱剛接節點進行了很大的改進。這些改進的節點形式不僅能滿足現有結構規范的要求，而且相比較鉸接節點對構件和結構本身都更加有利。雖然半剛性連接節點具有較好的延性和耗能能力，能緩和地震作用下結構內應力集中，而且易于災后修復，相對于純鉸接和純剛接節點而言更接近實際，但目前在結構設計中，仍處于研究階段，且影響的因素過多，設計師在結構設計時也無法更準確的應用。然而半剛接節點優勢仍很明顯。而對于鋼結構的防腐與防火問題，這些都是今后作為設計師要研究的方向。

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