鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)脆性破壞的形態(tài)特征及控制

鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)脆性破壞的形態(tài)特征及控制

1國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)建筑震害的主要情況,有局部破壞近年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有所增加。與其他結(jié)構(gòu)形式相比,建筑鋼結(jié)構(gòu)具有卓越的抗震性能,在歷次地震中震害較少,經(jīng)受住考驗(yàn),很少發(fā)生整體破壞和倒塌現(xiàn)象。但是在地震中,鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)發(fā)生局部破壞,如1994年1月17日美國(guó)CaliforniaNorthridge地震,在鋼結(jié)構(gòu)建筑中發(fā)生了許多局部破壞現(xiàn)象:①框架節(jié)點(diǎn)區(qū)的梁柱焊接連接脆性破壞;②豎向支撐的整體和局部破壞;③柱腳的柱翼緣和柱子底板的破裂以及其錨栓失效。其中,節(jié)點(diǎn)破壞最為嚴(yán)重。在1995年1月17日日本阪神地震中鋼結(jié)構(gòu)也發(fā)生了大量的震害現(xiàn)象;如:①結(jié)構(gòu)支撐震害;②柱身震害;③柱腳震害;④梁柱連接震害;⑤鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的震害。其中,引起震害的主要原因之一是梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞。本文對(duì)鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)在地震中發(fā)生脆性破壞的原因進(jìn)行了分析和探討。2硬結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的脆弱性2.1梁柱節(jié)點(diǎn)的震害形式在美國(guó)Northridge地震中梁柱節(jié)點(diǎn)最多的斷裂主要發(fā)生在焊透的對(duì)接焊縫連接的梁柱節(jié)點(diǎn)上,多為脆性斷裂,破壞形式有下列幾種:①下翼緣焊縫與柱子翼緣完全脫或下翼緣焊縫裂縫一直擴(kuò)展到柱腹板或梁腹板,這是梁柱節(jié)點(diǎn)的主要震害形式;②裂縫從下翼緣墊板與柱的連接處向柱翼緣中部擴(kuò)展,甚至使翼緣劈裂;③裂縫穿過(guò)柱翼緣向腹板擴(kuò)展;④裂縫從焊趾處向梁腹板擴(kuò)展。這些破壞形式是由于焊縫質(zhì)量缺陷使焊接節(jié)點(diǎn)發(fā)生斷裂破壞造成的。在破壞的節(jié)點(diǎn)斷面上可以觀察到熔渣及不完全熔化等現(xiàn)象,這些缺陷是節(jié)點(diǎn)脆性破壞的直接原因。而不恰當(dāng)?shù)暮附庸に嚾菀自诓牧现挟a(chǎn)生大的焊接殘余應(yīng)力,使熱影響區(qū)在收縮時(shí)產(chǎn)生裂紋,從而造成焊縫的不連續(xù)性,這也被認(rèn)為是梁下翼緣首先出現(xiàn)裂縫的主要原因。2.2節(jié)點(diǎn)的延性以及融入的塑性鉸鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本原則是“強(qiáng)柱弱梁,強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)錨固”。但是在強(qiáng)調(diào)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的同時(shí)忽略了節(jié)點(diǎn)的延性。在地震作用下梁柱節(jié)點(diǎn)處的梁首先屈服,形成延性很好的塑性鉸。這段塑性鉸區(qū)也包括靠近節(jié)點(diǎn)處的一小段梁翼緣。盡管鋼材具有很好的延性性能,但因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處延性較差,因此會(huì)在塑性鉸形成前焊縫處的應(yīng)力就達(dá)到了焊縫的破壞應(yīng)力或是端部翼緣達(dá)到梁鋼材的極限強(qiáng)度,造成節(jié)點(diǎn)的脆性破壞。因此在設(shè)計(jì)時(shí),要保證節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)的長(zhǎng)度范圍,以使鋼材的延性充分發(fā)揮。2.3梁緣應(yīng)力分布隨高度鋼結(jié)構(gòu)連接主要有內(nèi)隔板式、外隔板式和內(nèi)外隔板式3種,普遍使用第3種連接。在大量的地震中,內(nèi)外隔板式梁柱節(jié)點(diǎn)的脆性破壞都是從焊縫端部的焊趾開(kāi)始。同時(shí),試驗(yàn)表明梁體的翼緣在靠近節(jié)點(diǎn)焊縫處的應(yīng)力分布極其不均勻,在距離柱邊一個(gè)翼緣寬度以外,應(yīng)力分布逐漸均勻。根據(jù)試驗(yàn)繪制的翼緣應(yīng)力分布圖,靠近焊縫處梁體中軸線處的應(yīng)力小,邊緣的應(yīng)力大;距離節(jié)點(diǎn)焊縫距離越遠(yuǎn)應(yīng)力分布越均勻。普通節(jié)點(diǎn)在梁端豎向荷載作用下的應(yīng)力分布圖也可以看出梁的翼緣上的應(yīng)力分布,既邊緣應(yīng)力大,中間應(yīng)力小。梁翼緣處出現(xiàn)這種應(yīng)力分布情況,主要是由于梁腹板對(duì)翼緣的嵌固作用導(dǎo)致梁邊緣部位的應(yīng)變小于中軸線的。在地震作用下,由于這種應(yīng)力分布的不均勻性,梁將首先從邊緣進(jìn)入塑性狀態(tài)。同時(shí)由于鋼材的應(yīng)變硬化效應(yīng),在中軸線處梁翼緣達(dá)到屈服應(yīng)力并剛剛形成塑性鉸或還沒(méi)有形成塑性鉸之前,邊緣處的應(yīng)力可能已經(jīng)達(dá)到了鋼材的極限強(qiáng)度或焊縫的破壞應(yīng)力,產(chǎn)生裂紋。另外在梁腹板與柱連接處沒(méi)有豎向加勁肋,由于柱翼緣平面外的彎曲變形使得梁腹板承受的彎矩減小,引起梁翼緣應(yīng)力增加。因此在塑性變形很小的情況下,節(jié)點(diǎn)就發(fā)生了破壞。3為節(jié)點(diǎn)脆弱造成的一般措施3.1缺陷的處理(1)對(duì)于焊接節(jié)點(diǎn),施工時(shí)應(yīng)按照國(guó)家規(guī)范的規(guī)定,對(duì)焊接材料、焊接方法、焊后熱處理進(jìn)行評(píng)定;焊接時(shí)保證焊縫質(zhì)量,消除氣孔、熔渣和未熔合缺陷,一旦有缺陷要及時(shí)清除后再焊,避免引起接頭強(qiáng)度和延性的下降;且根據(jù)受力情況要對(duì)焊縫進(jìn)行必要的強(qiáng)度驗(yàn)算。(2)在地震時(shí)因?yàn)橹ё^栓小而被拉斷,螺栓抗剪強(qiáng)度不足被剪斷、桿端拉斷等造成節(jié)點(diǎn)破壞也是震害的主要現(xiàn)象。螺栓連接的施工質(zhì)量直接影響著整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。對(duì)于螺栓連接副,一定要按照國(guó)家規(guī)范在施工前進(jìn)行檢驗(yàn)和復(fù)檢,合格后才能進(jìn)行安裝施工。3.2使用新節(jié)點(diǎn)(1)梁翼緣加工難點(diǎn)狗骨式節(jié)點(diǎn)是近年來(lái)研究最多的一種節(jié)點(diǎn)形式,目前已在工程中得到廣泛應(yīng)用。其設(shè)計(jì)理念是以不顯著降低框架的梁強(qiáng)度為前提,對(duì)梁翼緣進(jìn)行適當(dāng)削弱,在強(qiáng)震的作用下迫使塑性鉸在偏離節(jié)點(diǎn)根部的位置形成,從而起到保護(hù)節(jié)點(diǎn)的目的。但是由于這種節(jié)點(diǎn)在施工中對(duì)梁翼緣施焊時(shí)要用到焊接墊板,加之翼緣焊根處常出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象,因而在墊板與柱之間會(huì)出現(xiàn)“人工裂紋”。這條裂紋往往是強(qiáng)震作用下節(jié)點(diǎn)開(kāi)裂的起點(diǎn)。所以在施工時(shí)要充分注意焊接質(zhì)量。(2)翼緣和柱翼緣、托座與梁翼緣托座式節(jié)點(diǎn)是一種改進(jìn)方案,用兩個(gè)托座分別將梁的上下翼緣和柱翼緣連接起來(lái),而托座與梁翼緣則可通過(guò)焊接、鉚接或螺栓連接起來(lái)。這種節(jié)點(diǎn)的塑性鉸出現(xiàn)在梁上,比普通的焊接節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出更好的延性,但工程造價(jià)相對(duì)較高。(3)增強(qiáng)體性和強(qiáng)度鑄鋼節(jié)點(diǎn)是根據(jù)鋼管直接匯交而成的形狀制模經(jīng)澆鑄成型的節(jié)點(diǎn),整體性和強(qiáng)度均得到增強(qiáng)。鑄鋼節(jié)點(diǎn)與相連鋼管需要現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)、焊接,每一個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的安裝精度都直接影響到與之相連的鋼管的安裝和與另一頭相連的鑄鋼節(jié)點(diǎn),因此安裝過(guò)程中的累計(jì)誤差控制至關(guān)重要。4梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)從以上的分析可以看到,建筑鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)脆性