北岭地震和贩神地震后美日钢框架节点设计的改进

北岭地震和贩神地震后美日钢框架节点设计的改进摘要本文介绍1994年美国北岭地震和1995年日本限神地震引起的钢框架梁柱节点破坏情况，坏原因探讨，设计改进措施，两国构造的异同和我国的相关对策等。关键词钢框架震害节点设计衬板1．前言1994年1月17日发生在美国加州圣费南多谷地的北岭地震和正好一年后1995年1月17日发生在日本兵库县南部地区的阪神地震-是两次陆域型强震，都导致了焊接钢框架梁-柱附性连接节点的广泛破坏。震后两国进行了大量的调查和研究，揭示了破坏的原因，在此基础上提出了改进钢框架节点设计的技术措施。两国在此期间都发表了不少论文，所作的讨论开拓了人们的眼界，提供了对钢框架的节点设计的更多了解，对今后钢框架节点设计有深远的影响。我们受中国建筑科学研究院抗震所委托，对有关资料进行了搜集、整理和归纳，现将其主要内容在此作一介绍。2．美日两国钢框架节点的破坏情况两国钢框架破坏情况的报导，主要集中在梁柱混合连接节点上，因此本文也以梁柱混合连接为主要对象。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。美国惯常采用焊接工字形柱，日本则广泛采用箱形柱，仅在一个方向组成刚架时采用工字形柱。在梁翼缘连接处，工字形柱腹板上要设置加劲肋美国称为连续板，在箱形柱中则要设置隔板。美、日两国梁杠混合连接节点的典型构造。在节点设计上，两国都采用弯矩由翼缘连接承受和剪力由腹板连接承受的设计方法，美国还规定，当梁翼缘承受的弯矩小于截面总弯矩的70％或梁腹板承受的弯矩大于截面总弯矩的30％时，要将梁腹板与连接板的角部用角焊缝焊接。日本则规定腹板螺栓连接应按保有耐力即框架达到塑性阶段时的承载力设计，螺栓应设置2-3列，也是为了考虑腹板可能承受的的弯矩。梁翼缘处的柱加劲肋，美国过去根据传力的需要由计算确定，其截面较小。日本根据构造要求采用，其截面较大。21美国北岭地震后对刚框架节点破坏的调查从70年代以来，美国采用高强螺栓联接钢框架已很普遍，北岭地震后出现破坏的有100多幢[3]有的报导说90多幢[7]、150多幢[1]或200多幢[5]。为了弄清破坏的原因，北岭地震后不久，在美国联邦应急管理局资肋下，有加州结构工程协会、应用技术研究会和加州一些大学的地震工程研究单位等组成了被称为和联合动机构，对此开展了深入调查和研究，以便弄清破坏原因和提出改进措施。美国的钢框架梁-柱连接，在50年代多采用铆钉连接，60年代逐步改用高强度螺栓连接。为了评估栓焊混合连接的有效性，曾进行过一系列试验，这种由翼缘焊缝抗弯和腹板螺栓连接抗剪的节点，美国以前规定其塑性转角应达到．015≈1／65，但大量试验表明，塑性转角的试验结果很离散，且出现了早期破坏，总的说来性能很不稳定。北岭地震前，德州大学教授就曾对这种连接在大震时的性能产生疑问，指出在大震时要密切注意，对它的的设计方法和连接构造要进行改进[7]。北岭地震证实了这一疑虑，为此通过柏克莱加州大学地震工程研究中心等4个试验场地，进行了以了解震前节点的变形响应和修复性能为目的的足尺试验和改进后的节点试验。对北岭地震前通常做法的节点及破坏后重新修复节点的试验表明全部试验都观察到了与现场裂缝类似的早期裂缝，试验的特性曲线亦与以前的试验结果相同，梁的塑性转动能力平均为005弧度，是经过研究后确定的目标值0．03弧度的1／6，说明北岭地震前钢框架节点连接性能很差，这与地震中的连接破坏是吻合的。而且破坏前没有看到或很少看到有延性表现，与设想能发展很大延性6钢框架设计意图是违背的。焊接钢框架节点的破坏，主要发生在梁的下翼缘，而且一般是由焊缝根部萌生的脆性破坏裂纹引起的。裂纹扩展的途径是多样的，由焊根进入母材或热影响区。一旦翼缘坏了，由螺栓或焊缝连接的剪力连接板往往被拉开，沿连接线由下向上扩展。最具潜在危险的是由焊缝根部通过柱翼缘和腹板扩展的断裂裂缝。从破坏的程度看，可见裂缝约占20-30％，大量的是用超声波探伤等方法才能发现的不可见裂纹。裂纹在上翼缘和下翼缘之间出现的比例为15-120，在焊缝和母材上出现的比例约为110到1100。一般认为，混凝土楼板的组合作用减小了上翼缘的破坏，也有人认为上翼缘焊缝根部不象下翼缘那样位于梁的最外侧，因此焊根中引起的应力较低，减少了上翼缘破坏的概率[1]。美国斯坦福大学教授对北岭地震中几种主要连接破坏形式作了归纳，由下翼缘焊缝根部开始出现的这样或那样的破坏，最多的是沿焊缝金属的边缘破坏，另有沿柱翼缘表面附近裂开的剥离破坏，也有沿腹板板切角端部开始的梁翼缘断裂破坏，或从柱翼缘穿透柱腹板的断裂破坏。北岭地震虽然没有使钢框架房屋倒塌，也没有因钢框架节点破坏引起人身伤亡，但使业主和保险公司支付了大量的修复费用。仅就检查费用而言，不需挪动石棉时为每个节点800-1000美元，需挪动石棉时为每个节点1000-2000美元，对于有石膏抹灰和吊顶的高级住宅，每个节点达2000-5000美元，修复费用更高211。更重要的当然是对过去长期沿用的节点在抗震中的安全问题提出了疑问，必须认真研究和解决。2．2日本贩神地震后对钢框架节点破坏的调查阪神地震后，日本建设省建筑研究所成立了地震对策本部，组织了各方面人士多次参加的建筑应急危险度和震害的调查，民间有关团体也开展了各类领域的震害调查，但因钢结构相对于其它结构的震害较少，除新发现了钢柱脆断或柱脚拔起外，钢框架节点的破坏主要表现在扇形切角工艺孔部位，但因结构体被内外装修所隐蔽，一般业主、设计或施工人员对此震害调查不太积极，对钢框架系统震害的调查遇到一定困难。仅管如此，日本学者还是就腹板切角工艺孔方面的问题进行了探索，如日本建筑学会结构连接委员会和钢材俱乐部等单位，专就工艺孔破坏状态等问题作了系统深入的研究。日本对于混合连接的研究，早在1978年以后的石油危机中，就曾利用建筑处于低潮机会结合自屏蔽电弧焊的出现和应用，系统地开展过。进入90年代后，随着高层、超高层和大跨度钢结构建筑的增多，梁柱截面增大，若采用过去的梁悬臂段形式，由于运输&;尺寸上的限制，悬臂长度大致不能超过1；另一方面，由于梁翼缘板厚增大，拼接螺栓增多，结果梁端至最近螺栓的距离只有500左右，截面受到很大削弱，对保证梁端塑性变形很不利。这样，在大型钢结构工程中，现在较多采用梁与柱的混合连接。图1是采用箱形柱时的混合连接示意图梁翼缘与箱形柱隔板直接焊接[7]。日本在美国北岭地震前不久，曾对此种连接进行了试验研究，结果表明，梁端翼缘焊缝处的破坏几乎都是在梁下翼缘从扇形切角工艺孔端开始的，没有看到象在美国试验中和地震中出现的沿焊缝金属及其边缘破坏的情况，通过试验和版神地震观察到的梁端工艺孔处的裂缝发展情况。日本钢材俱乐部研究了扇形切角工艺孔带衬板及底部有焊缝的两种节点试验。美、日两国钢框架在地震中的梁柱节点破坏形式是有区别的，北岭地震中的裂缝多向柱段范围扩展，而阪神地震中的裂缝则多向梁段范围发展。对两国节点破坏情况的这种差异与其与构造差异的关系，还有待进一步探讨。3．节点破坏原因与分析北岭地震后，美日两国学者就节点破坏原因，通过现场调查、室内试验和现场检验，进行了结构响应分析、有限元分析、断裂力学分析等，还作了很多补充试验，结合震前研究，对节点破坏原因提出了一些看法。首先认为节点破坏与加劲板、补强板腹板附加焊缝等的变动，并没有什么直接关系，也并不是仅由设计或施工不良所能说明的，而是应从节点本身存在根本性缺陷方面去找原因。有以下几方面因素，被认为是决定和和影响节点性能而导致了破坏。3．1焊缝金属冲击韧性低[3]美国北岭地震前，焊缝多采用70-4或70-7自屏蔽药芯焊条施焊，这种焊条提供的最小抗拉强度480，恰帕冲击韧性无规定，试验室试件和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10-15，这样低的冲击韧性使得连接很易产生脆性破坏，成为引发节点破坏的重要因素。在北岭地震后不久所作的大型验证性试验，对焊缝进行十分仔细的操作，做到了确保焊接质量，排除了焊接操作产生的影响。焊缝采用70-4型低韧性焊条，尽管焊接操作的质量很高，连接还是出现了早期破坏，从而证明了焊接缝金属冲击韧性低,是焊接破坏的因素之一。3．2焊缝存在的缺陷[3]对破坏的连接所作调查表明，焊接质量往往很差，很多缺陷可以看出明显违背了规范规定的焊接质量要求，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条通过孔附近，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。上冀缘焊缝的施焊和探伤不存在梁腹板妨碍的问题，因此可以认为是上翼缘焊缝破坏较少的原因之一。3．3坡口焊缝处的衬板和引弧板造成人工缝[4]实际工程中，往往焊接后将焊接衬板留在原处，这种做法已经表明，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，引起脆性破坏。其它人员的研究也得出相同结果。1995年加州大学等所作的试验，再现了节点的脆性破坏，破裂的速度很高，事前并无延性表现，因此破坏是灾难性的。研究指出,受拉时切口部位应力最大，破坏是三轴应力引起的，表现为脆性破坏，外观无屈服。他们还通过有限元模拟计算，得出最大应力集中系数出现在梁缘焊接衬板连接处中部，破坏时裂缝将从应力集中系数最大的地方开始,此一结论已为试验所证实。研究表明大多数节点破坏都起源于下部衬板处。引弧板同样也会引发裂缝。34梁翼缘坡口焊缝出现的超应力[3]北岭地震后对震前节点进行的分析表明，当梁发展到塑性弯矩时,梁下翼缘坡口焊缝处会出现超高应力。超应力的出现因素有当螺栓连接的腹板不足以参加弯矩传递时，柱翼缘受弯导致梁翼缘中段存在着较大的集中应力；在供焊条通过的焊接工艺孔处，存着附加集中应力；据观察，有一大部分剪力实际是由翼缘焊缝传递，而不是象通常设计假设的那样由腹板的连接传递。梁翼缘坡口焊缝的应力很高，很可能对节点破坏起了不利影响。[4]采用8节点块体单元有限元模拟分析发现，节点应力分布的最高应力点，是在梁的翼缘焊缝处和节点板域，节点板域的屈服从中心开始，然后向四周扩散。岭前进行的大量试验表明,当焊缝不出现裂纹时，节点受力情况也常常不能满足坡口焊缝近处梁翼缘母材不出现超应力的要求。日本利用震前带有工艺孔的节点，在试验荷载下由应变仪测得的工艺孔端点翼缘内外的应变分布，应变集中倾向出现在翼缘外侧端部，内侧则在工艺孔端部，最大应变发生在工艺孔端点位置上应变集中的原因,不仅大于工艺孔造成的不连续性，还在于工艺孔部分梁腹板负担的一部分剪力由翼缘去承担了，使翼缘和柱隔板上产生了二阶弯曲应力。这些试验与分析均指出，今后对节点性?艿母慕唤鲇?;改善焊缝，而且还应降低梁翼缘坡口焊缝处的应力水平。3．5其它因素[3]有很多其它因素也被认为对节点破坏产生潜在影响，包括梁的屈服应力比规定的最小值高出很多；柱翼缘板在厚度方向的抗拉强度和延性不确定；柱节点域过大的剪切屈服和变形产生不利影响；组合楼板产生负面影响。这些影响因素可能还需要一定时间进行争论,才能弄清楚。4．改进节点设计的途径4．1将塑性铰的位置外移[2][3][4]在北岭地震之前，美国和两本法规对节点设计的规定，都是根据在柱面产生塑性铰的假定提出的。由于在北岭地震中发现梁在柱面并没有产生塑性变性，却出现了裂缝。切口处的破坏是由三轴应力引起的，从而导致了脆性破坏。过去采用的焊接钢框架节点标准构造，不能提供可靠的非弹性变形。试验表明，其节点转动能力不超过．005，大大小于建议的最小塑性转动能力0．03。另一方面，从受力情况看，塑性铰出现在柱面附近的梁上，还可能在柱翼缘的材料中引起很大的厚度方向应变，并对焊缝金属及其周围的热影响区提出较高的塑性变形要求，这些情况也可能导致脆性破坏。因此，为了取得可靠的性能，最好还是将梁柱连接在构造上使塑性铰外移。将塑性位置从柱面外移有两种方法，一种是