鋼框架新型延性節(jié)點(diǎn)性能研究進(jìn)展

鋼框架新型延性節(jié)點(diǎn)性能研究進(jìn)展

1節(jié)點(diǎn)的延性研究在1994年美國的北嶺地震和1995年日本的薩卡地震中，在被認(rèn)為具有良好抗旱性的鋼框架梁柱連接中發(fā)現(xiàn)了大量的脆性破裂。此后的10年里,梁柱連接性能及其對鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響成為研究的熱點(diǎn)之一。這些研究內(nèi)容主要集中在傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理、新型延性節(jié)點(diǎn)的靜動力實(shí)驗研究和數(shù)值分析以及梁柱節(jié)點(diǎn)與整體結(jié)構(gòu)的相互影響等方面。1994年北嶺地震和1995年阪神地震以前,圖1所示的梁柱連接節(jié)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用在鋼框架結(jié)構(gòu)中。當(dāng)時普遍認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)設(shè)計方法能夠保證節(jié)點(diǎn)發(fā)揮材料的延性,促使結(jié)構(gòu)在梁端出現(xiàn)塑性鉸,并通過塑性鉸的形成和轉(zhuǎn)動耗散地震動所輸入的能量,使節(jié)點(diǎn)免于破壞,并保證結(jié)構(gòu)的整體性使其免于倒塌,以滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計思想。然而,北嶺和阪神地震中,此類梁柱節(jié)點(diǎn)并沒有表現(xiàn)出人們所期待的延性,而是產(chǎn)生了大量的脆性破壞。文獻(xiàn)[12~14]中對傳統(tǒng)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞現(xiàn)象和破壞原因進(jìn)行了較為系統(tǒng)的總結(jié)。人們在對傳統(tǒng)的梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查、分析的同時,也基于抗震的要求提出了很多改進(jìn)的新型節(jié)點(diǎn)形式,按其指導(dǎo)思想,震后的新型節(jié)點(diǎn)形式可以分為加強(qiáng)型(節(jié)點(diǎn)的局部加強(qiáng),圖2所示)和削弱型(有翼緣削弱、腹板削弱兩類,圖3所示)兩大類。其宗旨都是“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的深化。由于加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)會在節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)增加板件的焊縫,而焊縫過多易引起次生應(yīng)力且焊縫質(zhì)量不高,本身又會成為節(jié)點(diǎn)脆性破壞的原因,因此,我們認(rèn)為加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)在我國的推廣應(yīng)用存在一定困難。雖然有限的研究文獻(xiàn)表明腹板削弱型亦具有良好的受力性能,但因資料有限,尚需做進(jìn)一步的驗證。本文將就研究較多的翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)(ReducedBeamSection)展開討論,此類節(jié)點(diǎn)又因其形狀而被稱為狗骨式節(jié)點(diǎn)(Dogboneconnection)。狗骨式節(jié)點(diǎn)根據(jù)削弱形狀又可分為三種:直線型、錐型和圓弧型,分別如圖4所示。理論分析、數(shù)值計算和實(shí)驗研究均表明直線型狗骨式節(jié)點(diǎn)的延性性能較差。因此,本文主要討論錐型和圓弧型狗骨式節(jié)點(diǎn)。2實(shí)驗研究現(xiàn)狀94年的北嶺地震后至今,狗骨式節(jié)點(diǎn)的研究一直相當(dāng)活躍。作為改善鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的主要節(jié)點(diǎn)形式之一,狗骨式節(jié)點(diǎn)的設(shè)計思路是通過對距梁柱連接處一定距離的梁翼緣進(jìn)行削弱,促使塑性屈服在梁的削弱位置出現(xiàn)并擴(kuò)展,從而避免節(jié)點(diǎn)過早出現(xiàn)裂縫,以達(dá)到延性設(shè)計的目的。圖5給出了錐型狗骨式節(jié)點(diǎn)的延性原理。Chen、Engelhardt、Iwankiw、Tremblay等人從1996年至1999年間對狗骨式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量的實(shí)驗研究,他們的研究成果被列入美國FEMA(FederalEmergencyManagementAgency)的系列報告中。實(shí)驗結(jié)果表明:這兩類狗骨式節(jié)點(diǎn)可以產(chǎn)生很大的塑性轉(zhuǎn)角,具有良好的延性,表1給出了部分實(shí)驗試件的塑性轉(zhuǎn)角。統(tǒng)計實(shí)驗結(jié)果,表明圓弧型狗骨式節(jié)點(diǎn)的最大轉(zhuǎn)角中大多數(shù)并非試件破壞時的值,而是達(dá)到實(shí)驗設(shè)備極限所得,因此可以認(rèn)為,實(shí)驗中獲得的圓弧型狗骨式節(jié)點(diǎn)的塑性轉(zhuǎn)角范圍要比其真實(shí)塑性轉(zhuǎn)動能力低些。實(shí)驗結(jié)果還表明圓弧型削弱方式比錐型具有更好的實(shí)用性,因錐型削弱方式在削弱部位兩端容易因應(yīng)力集中而較早出現(xiàn)裂縫,但在錐型削弱部位的兩端采用圓弧過渡可以有效避免裂縫的過早出現(xiàn)。采用狗骨式節(jié)點(diǎn)獲得更大塑性轉(zhuǎn)動能力的同時,必然會削弱整個結(jié)構(gòu)的剛度,Grubbs、Iwankiw、Almudhafar等人的研究結(jié)果表明,當(dāng)梁翼緣削弱部分占梁翼緣寬度35%~45%時,鋼框架的整體剛度只會因此降低4%~5%。故采用狗骨式節(jié)點(diǎn)可以無需增加構(gòu)件的尺寸。國內(nèi)的石永久、陳宏也對狗骨式節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載下的各項性能進(jìn)行了實(shí)驗研究,得到了與上述文獻(xiàn)類似的結(jié)論,但由于側(cè)向約束不足和焊接質(zhì)量較差,節(jié)點(diǎn)發(fā)生了過早破壞。這也說明在國內(nèi)目前的施工質(zhì)量下依靠增加焊接件來提高節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度未必可靠。3限定了圓弧型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計方法為了推廣狗骨式節(jié)點(diǎn)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用,美國FEMA(FederalEmergencyManagementAgency)對圓弧型狗骨式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量的實(shí)驗研究和數(shù)值分析。根據(jù)研究結(jié)果,FEMA推薦了圓弧型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計方法。按照SAC(StructuralEngineersAssociationofCalifornia,AppliedTechnologyCouncil,CaliforniaUniversitiesforResearchinEarthquakeEngineering)的推薦標(biāo)準(zhǔn),圖6中a、b、c的取值范圍為:式(1)~(3)中的bf和db分別代表梁翼緣寬度和梁高度。需要指出的是,上述推薦公式所依據(jù)數(shù)據(jù)來源于標(biāo)準(zhǔn)的寬翼緣且高跨比大于5的H型梁,對于其它尺寸的構(gòu)件,a、b、c的取值仍需做進(jìn)一步的探討。4實(shí)驗結(jié)果及分析梁上樓板的存在會提高梁的中和軸位置,增加梁翼緣削弱部位的應(yīng)變和變形,從而引起梁下翼緣過早出現(xiàn)裂縫,因此,樓板對狗骨式節(jié)點(diǎn)的性能影響不可忽略。Chen等通過對四個含樓板的節(jié)點(diǎn)實(shí)驗研究了組合樓板對狗骨式節(jié)點(diǎn)的性能影響。試件簡圖如圖7所示。實(shí)驗中,試件的塑性發(fā)展區(qū)集中在梁下翼緣的削弱部位,擴(kuò)展至梁柱連接處。除了試件1因塑性區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重的局部屈曲而破壞外,其它三個試件均因梁下翼緣的裂縫而破壞,表明:考慮樓板的作用后,狗骨式節(jié)點(diǎn)仍然能夠產(chǎn)生很大的塑性轉(zhuǎn)角,本次實(shí)驗的塑性轉(zhuǎn)角平均值達(dá)0.045rad,高出傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)倍;樓板的作用使梁下翼緣的應(yīng)變遠(yuǎn)高于上翼緣,因此,破壞發(fā)生在下翼緣;樓板作用會使梁的剛度增加10%,因此,設(shè)計過程中要充分考慮樓板作用,以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計思想。5梁翼緣削弱對框架性能的影響探討狗骨式節(jié)點(diǎn)的抗震性能只進(jìn)行節(jié)點(diǎn)試件(或模型)的循環(huán)荷載下的實(shí)驗和分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,還必須考察采用狗骨式節(jié)點(diǎn)的鋼框架在地震荷載下的響應(yīng)。Chen和他的助手們對采用狗骨式節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)的鋼框架進(jìn)行了對比實(shí)驗研究。框架實(shí)驗?zāi)Ｐ腿鐖D8所示:狗骨式節(jié)點(diǎn)的尺寸如圖9所示。Chen對普通節(jié)點(diǎn)鋼框架A和狗骨節(jié)點(diǎn)鋼框架B進(jìn)行了振動臺實(shí)驗(ELCentro波和Taipei波)。實(shí)驗中兩個框架模型均加載至1.2g(達(dá)到振動臺的極限能力),在ELCentro波峰值加速度達(dá)到0.9g時,框架A在梁柱連接處出現(xiàn)了脆性裂縫,梁翼緣從柱表面撕裂,裂縫貫穿了整個梁腹板;框架B只在梁翼緣削弱處出現(xiàn)了屈服。直到1.2g(達(dá)到實(shí)驗設(shè)備極限),框架B依然沒有產(chǎn)生脆性裂縫。表2給出了兩個框架在實(shí)驗過程中的基本周期。圖10則給出了圖9中截面B1和截面B2的M-φ曲線。由表2可知,兩個框架在彈性階段基本周期一致,說明梁的翼緣削弱對結(jié)構(gòu)剛度影響很小;在非彈性階段,框架B的周期稍長于框架A(在6%以內(nèi)),表明框架B比框架A有更強(qiáng)的塑性變形能力,但梁翼緣削弱對框架的基本動力特性影響很小。圖10的M-φ曲線則說明,框架A的塑性變形始于截面B1,而框架B的塑性變形始于截面B2;由于框架B的塑性變形主要在梁翼緣削弱區(qū)發(fā)展,因此焊接敏感性對結(jié)構(gòu)延性的影響減弱。圖11給出了兩個框架的耗能能力對比,圖中的Ei代表地震總輸入能,Eh則代表不可恢復(fù)滯回能。圖11顯示了框架B的耗能能力要明顯優(yōu)于框架A。Chen的結(jié)論是:在中小震下,框架A和框架B的響應(yīng)相近;在強(qiáng)震下,框架B的性能要遠(yuǎn)優(yōu)于框架A。從而充分肯定了狗骨式節(jié)點(diǎn)是改善鋼框架抗震性能的有效手段。Shen采用圖12所示的節(jié)點(diǎn)分析模型利用數(shù)值計算方法研究了狗骨式節(jié)點(diǎn)以及梁翼緣削弱尺寸對鋼框架的抗震性能的影響。分析模型共兩組:一組為三層框架,另一組為十層框架;兩組框架的柱網(wǎng)布置為3跨×4榀,柱距9.1m,首層層高4.2m,其余各層3.5m。每組又由四個框架組成,其中三個分別采用不同尺寸的狗骨式節(jié)點(diǎn),另一個采用傳統(tǒng)的梁柱節(jié)點(diǎn)。每組中狗骨式節(jié)點(diǎn)的尺寸變化如圖13所示。Shen采用ELcentro波(峰值加速度0.32g)和Newhall波(峰值加速度0.59g)對上述的八個鋼框架進(jìn)行了pushover分析和動力時程分析,并從塑性鉸的分布形式、最大塑性轉(zhuǎn)角、層間位移、層間剪力等角度對分析結(jié)果進(jìn)行了歸納總結(jié)。結(jié)果表明狗骨式節(jié)點(diǎn)是改善鋼框架抗震性能的有效形式;梁翼緣的削弱深度和起始削弱位置是狗骨式節(jié)點(diǎn)改善框架抗震性能有效程度的決定