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塑性铰外移的钢结构梁柱节点连接研究进展谭潜

发表时间：2021/7/29 来源：《基层建设》2021年第14期作者：谭潜

[导读] Northridge地震中出现了钢结构梁柱交接面开裂破坏，不满足结构抗震设计中“强节点弱构件

        中机中联工程有限公司重庆市 400039
        摘要：Northridge地震中出现了钢结构梁柱交接面开裂破坏，不满足结构抗震设计中“强节点弱构件，强柱弱梁”的抗震设计原则。据此，提出塑性铰外移实现耗能的钢结构节点连接。本文主要从节点加强，梁削弱以及通过悬臂短梁实现塑性铰外移而提出的钢结构节点连接的改进、实验及仿真方面的研究进展做了简单综述，提出目前节点连接存在的问题，对钢结构节点连接的发展做出展望。
        关键词：塑性铰；钢结构梁柱节点连接；削弱型节点；加强型节点；悬臂短梁

        引言：
        Northridge[1]地震中出现了钢框架结构的梁柱焊接连接处出现了大量的脆性断裂的现象。这与“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的抗震设计原则相违背。在后续的钢结构节点连接的研究中，为了更加合理的实现“强柱弱梁”、“强节点弱构件”的延性破坏模式，避免梁柱连接部位的脆性断裂，采取不走加强柱子的路线，进而采用的方法主要是将塑性变形区域从易发生脆性断裂破坏的梁柱连接部位转移到离其一定距离的梁段内，可以反过来引导梁产生塑性铰，实现预期的破坏模式。基于此想法，出现了许多的基于加强或者削弱来实现塑性铰外移的梁柱节点连接形式。
        本文简要总结了实现塑性铰外移的梁端加强型节点连接、梁削弱型节点连接、基于悬臂短梁的节点连接三种节点连接形式在改进、实验以及仿真方面取得的成果，并指出节点连接存在的问题和技术挑战，对此类节点连接未来的发展方向进行了展望。
        1.梁端加强型
        梁端加强型节点连接主要通过翼缘板和盖板的加强来实现塑性铰外移，具体形成加强型节点的连接形式的主要途径包括：梁端板加厚、梁端翼缘扩大、梁端部加肋板、梁端上下加腋等，形成的一些节点连接[2]。王燕等[3]采用翼缘过渡板与盖板作为加强手段，分别制作4个1/2缩尺比例的加强型节点试件，进行了低周反复循环荷载作用下的试验研究。分析加强板扩翼段的尺寸和形状对节点性能的影响，结合有限元分析，对比研究了梁翼缘加强型节点的破坏形态、耗能能力、滞回性能、骨架曲线及刚度退化。T.Kim等用ABAQUS对采用加盖板和加翼缘板进行加强的连接节点进行分析，表明用盖板或翼缘板加强的连接比未加强的连接性能要好。能较好的引导塑性铰的外移，远离柱面。毛辉等[4]以梁端翼缘扩大型节点试件为目标展开有限元分析，分析了梁端扩翼形式、扩翼参数对节点力学性能的影响。发现通过将梁翼缘进行扩大的圆弧扩翼型节点和侧板扩翼型节点，能有效的引导塑性较外移，避免焊缝热影响区脆性破坏。刘占科等以中、日相关规范中钢结构梁端翼缘腋形扩大式刚性梁柱连接的构造与计算为基础，设计1/2缩尺模型，展开伪静力试验。发现此类连接形式存在强度和刚度较好的优点，存在塑性转动能力稍差的不足。Chen C等结合试验与有限元分析，对箱形柱与H形钢梁的肋板加强型节点连接进行了研究，发现在梁翼缘设置竖向加劲肋的试件，在断裂前有较大的塑性转角，且塑性铰远离梁柱交界面。Chen S J 等从Northridge地震中得到灵感，提出一种提高既有建筑梁柱连接节点延性的简单方法，通过对横梁底部翼缘进行修整。通过验证，节点用在既有建筑的加固中，梁柱节点的延性得到了改善。
        2.梁削弱型
        “狗骨式”节点是最先提出的削弱型节点连接形式，其能够较好的发挥节点的延性，有较好的抗震性能[5]，后续还有人对此类节点进行多尺度分析和抗连续倒塌分析，在设计方法上也日渐成熟。此外，梁翼缘开孔、腹板开缝、腹板开孔均是形成削弱型连接节点的方法。Goel S C等提出采用梁腹板开孔的削弱节点形式，并且进行了相关的理论分析与试验研究，此类节点实现了塑性铰外移，却存在开孔边缘附近的应力集中。郁有升等研究了钢框架梁翼缘的削弱深度、削弱长度、削弱起始位置对节点抗震性能的影响。王燕等对梁端翼缘圆弧削弱型节点的空间钢框架抗震性能试验研究，圆弧削弱型节点可使梁端应力平缓过渡，避免梁柱连接焊缝处产生应力集中现象。

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        3.加悬臂短梁型
        加悬臂短梁也是实现塑性铰转移的方法，悬臂短梁与中间梁段的链接方式，连接材料的不同，形成不同性能的钢结构节点连接。郁有升[6]等提出一种在柱子焊接一段悬臂短梁，悬臂短梁与框架梁采用板拼接的节点连接，实现塑性铰转移，拼接板的一端采用焊接，一端采用螺栓连接。徐璐莹对此节点的改进就是采用全螺栓连接，两者且均结合试验与有限元方法，分析了这种节点的滞回性能，张爱林也提出了这种节点连接的改进形式，并进行了试验与有限元分析验证与受力性能分析。邵铁峰[7]等在连接悬臂短梁与框架梁的链接构件选用角钢对连接部位进行削弱，导致塑性铰出现在角钢连接部位，并采用试验验证了出铰位置。蔡益燕提出悬臂短梁下方加腋的节点连接，并在短梁上加腋的相应部位布置加劲肋，也能较好的实现塑性铰外移。马人乐在底部加腋加强的基础上在顶部也加强，并改变螺栓孔为长圆孔，耗能能力更好，薄弱位置更加明确。
        4.结语
        从Northridge地震得到的破坏模式引起钢结构节点连接的更新变化，提出塑性铰外移的钢结构节点连接具有较强的优势，可以实现“强节点弱构件，强柱弱梁”的抗震设计原则。同时新提出的节点连接也存在一些问题：这三种类型的改进节点存在一些缺陷，如削弱型节点或者增强型节点均与梁本身的刚度有关；如何削弱、削弱多少在实际设计中较难把控；损伤评估存在较大困难；出现塑性铰后梁构件本身发生屈曲或者破坏，不能继续承载，维修更换困难且费用较高。悬臂短梁的长度设计目前没有基于理论分析的统一要求。设计中较难把控。未来，梁柱节点连接要朝着韧性结构、可恢复功能结构方向发展，在悬臂梁段与中间梁端的连接上采用低屈服点钢材、形状记忆合金、耗能支撑、插销、预应力钢筋实现节点连接的可更换与可恢复。

        参考文献：
        [1] Mahin S A . Lessons from damage to steel buildings during the Northridge earthquake[J]. Engineering Structures，1998，20（4-6）：261-270.
        [2]Liu X C，Cui F Y，Zhan X X，et al. Seismic performance of bolted connection of H-beam to HSS-column with web end-plate[J]. Journal of Constructional Steel Research，2019，156（MAY）：167-181.
        [3]王燕，冯双，王玉田，钢框架刚性连接加强型节点滞回性能试验研究[J]土木工程学报，2011，44（5）：57-68.
        [4]毛辉，王燕，钢框架梁翼缘扩翼型节点受力性能研究[J]西安建筑科技大学学报，2010，42（1）：36-41.
        [5]Jones S L，Fry G T，MD Engelhardt. Experimental evaluation of cyclically loaded reduced beam section moment connections[J]. Journal of Structural Engineering，2015，128（4）：441-451.
        [6]郁有升，张颜颜，李建峰，等. 一种新型梁柱装配式刚性节点滞回性能研究[J]. 建筑钢结构进展，2014，16（2）：1-5.
        [7]邵铁峰，陈以一. 采用耗能角钢连接的部件可更换梁试验研究[J]. 建筑结构学报，2016，37（7）：38-45.
        基金项目：
        重庆市勘察设计行业创新研究与能力建设项目（勘设创研2019-12）