北嶺地震和販神地震后美日鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)

1、北嶺地震和販神地震后美日鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)    摘要：本文介紹1994年美國(guó)北嶺地震和1995年日本限神地震引起的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)破壞情況， 壞原因探討，設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，兩國(guó)構(gòu)造的異同和我國(guó)的相關(guān)對(duì)策等。關(guān)鍵詞： 鋼框架 震害 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 襯板1前言1994年1月17日發(fā)生在美國(guó)加州圣費(fèi)南多谷地的北嶺地震（Northridge Earthquake）和 正好一年后1995年1月17日發(fā)生在日本兵庫(kù)縣南部地區(qū)的阪神地震(Hyogoken-Nanbu Earthquake)是兩次陸域型強(qiáng)震，都導(dǎo)致了焊接鋼框架梁-柱附性連接節(jié)點(diǎn)的廣泛破壞。震后兩國(guó)進(jìn)行了大量的調(diào)

2、查和研究，揭示了破壞的原因，在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的技術(shù)措施。兩國(guó)在此期間都發(fā)表了不少論文，所作的討論開(kāi)拓了人們的眼界，提供了對(duì)鋼框架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的更多了解，對(duì)今后鋼框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有深遠(yuǎn)的影響。我們受中國(guó)建筑科 學(xué)研究院抗震所委托，對(duì)有關(guān)資料進(jìn)行了搜集、整理和歸納，現(xiàn)將其主要內(nèi)容在此作一介紹。2美日兩國(guó)鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞情況兩國(guó)鋼框架破壞情況的報(bào)導(dǎo)，主要集中在梁柱混合連接節(jié)點(diǎn)上，因此本文也以梁柱混 合連接為主要對(duì)象?；旌线B接是一種現(xiàn)場(chǎng)連接，其中梁翼緣與柱用全熔透坡口對(duì)接焊縫連接，梁腹板通過(guò)連接板與柱用高強(qiáng)度螺栓連接。美國(guó)慣常采用焊接工字形柱，日本則廣泛采用箱形柱，僅在一個(gè)方向組成剛架時(shí)采

3、用工字形柱。在梁翼緣連接處，工字形柱腹板上要設(shè)置加勁肋(美國(guó)稱(chēng)為連續(xù)板)，在箱形柱中則要設(shè)置隔板。美、日兩國(guó)梁杠混合連接節(jié)點(diǎn)的典型構(gòu)造。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上，兩國(guó)都采用彎矩由翼緣連接承受和剪力由腹板連接承受的設(shè)計(jì)方法，美國(guó)還規(guī)定，當(dāng)梁翼緣承受的彎矩小于截面總彎矩的70或梁腹板承受的彎矩大于截面總彎矩的30時(shí)，要將梁腹板與連接板的角部用角焊縫焊接。日本則規(guī)定腹板螺栓連接應(yīng)按保有耐力即框架達(dá)到塑性階段時(shí)的承載力設(shè)計(jì)，螺栓應(yīng)設(shè)置2-3列，也是為了考慮腹板可能承受的的彎矩。梁翼緣處的柱加勁肋，美國(guó)過(guò)去根據(jù)傳力的需要由計(jì)算確定，其截面較小。日本根據(jù)構(gòu)造要求采用，其截面較大。2.1 美國(guó)北嶺地震后對(duì)剛框架節(jié)點(diǎn)破壞

4、的調(diào)查從70年代以來(lái)，美國(guó)采用高強(qiáng)螺栓聯(lián)接鋼框架已很普遍，北嶺地震后出現(xiàn)破壞的有100多幢3 (有的報(bào)導(dǎo)說(shuō)90多幢7 、150多幢1 或200多幢5 )。為了弄清破壞的原因，北嶺地震后不久，在美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理局(FEMA)資肋下，有加州結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)(SEAOC)、應(yīng)用技術(shù)研究會(huì)(ATC)和加州一些大學(xué)的地震工程研究單位(CU)等組成了被稱(chēng)為SAC和聯(lián)合動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)此開(kāi)展了深入調(diào)查和研究，以便弄清破壞原因和提出改進(jìn)措施。美國(guó)的鋼框架梁-柱連接，在50年代多采用鉚釘連接，60年代逐步改用高強(qiáng)度螺栓連接。為了評(píng)估栓焊混合連接的有效性，曾進(jìn)行過(guò)一系列試驗(yàn)，這種由翼緣焊縫抗彎和腹板螺栓連接抗剪的節(jié)點(diǎn)，美國(guó)

5、以前規(guī)定其塑性轉(zhuǎn)角應(yīng)達(dá)到 O015rad(165)，但大量試驗(yàn)表明，塑性轉(zhuǎn)角的試驗(yàn)結(jié)果很離散，且出現(xiàn)了早期破壞，總的說(shuō)來(lái)性能很不穩(wěn)定。北嶺地震前，德州大學(xué)教授Engelhardt就曾對(duì)這種連接在大震時(shí)的性能產(chǎn)生疑問(wèn)，指出在大震時(shí)要密切注意，對(duì)它的的設(shè)計(jì)方法和連接構(gòu)造要進(jìn)行改進(jìn)7 。北嶺地震證實(shí)了這一疑慮，為此SAC通過(guò)柏克萊加州大學(xué)地震工程研究中心(EERC) 等4個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地，進(jìn)行了以了解震前節(jié)點(diǎn)的變形響應(yīng)和修復(fù)性能為目的的足尺試驗(yàn)和改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。對(duì)北嶺地震前通常做法的節(jié)點(diǎn)及破壞后重新修復(fù)節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)表明全部試 驗(yàn)都觀察到了與現(xiàn)場(chǎng)裂縫類(lèi)似的早期裂縫，試驗(yàn)的特性曲線亦與以前的試驗(yàn)結(jié)果相同，梁的

6、塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力平均為0.05弧度，是SAC經(jīng)過(guò)研究后確定的目標(biāo)值003弧度的16，說(shuō)明北嶺地震前鋼框架節(jié)點(diǎn)連接性能很差，這與地震中的連接破壞是吻合的。而且破壞前 沒(méi)有看到或很少看到有延性表現(xiàn)，與設(shè)想能發(fā)展很大延性e6鋼框架設(shè)計(jì)意圖是違背的。 焊接鋼框架節(jié)點(diǎn)的破壞，主要發(fā)生在梁的下翼緣，而且一般是由焊縫根部萌生的脆性破壞裂紋引起的。裂紋擴(kuò)展的途徑是多樣的，由焊根進(jìn)入母材或熱影響區(qū)。一旦翼緣壞了， 由螺栓或焊縫連接的剪力連接板往往被拉開(kāi)，沿連接線由下向上擴(kuò)展。最具潛在危險(xiǎn)的是由焊縫根部通過(guò)柱翼緣和腹板擴(kuò)展的斷裂裂縫。 從破壞的程度看，可見(jiàn)裂縫約占20-30，大量的是用超聲波探傷等方法才能發(fā)現(xiàn)的不可見(jiàn)

7、裂紋。裂紋在上翼緣和下翼緣之間出現(xiàn)的比例為1：5-1：20，在焊縫和母材上出現(xiàn) 的比例約為1：10到1：100。一般認(rèn)為，混凝土樓板的組合作用減小了上翼緣的破壞，也有人認(rèn)為上翼緣焊縫根部不象下翼緣那樣位于梁的最外側(cè)，因此焊根中引起的應(yīng)力較低，減少了上翼緣破壞的概率1 。美國(guó)斯坦福大學(xué)Krawinkler教授對(duì)北嶺地震中幾種主要連接破壞形式作了歸納， 由下翼緣焊縫根部開(kāi)始出現(xiàn)的這樣或那樣的破壞，最多的是沿焊縫金屬的邊緣破壞，另有沿柱翼緣表面附近裂開(kāi)的剝離破壞，也有沿腹板板切角端部開(kāi)始的梁翼緣斷裂破壞，或從柱翼緣穿透柱腹板的斷裂破壞 。北嶺地震雖然沒(méi)有使鋼框架房屋倒塌，也沒(méi)有因鋼框架節(jié)點(diǎn)破壞引起人

8、身傷亡，但使業(yè)主和保險(xiǎn)公司支付了大量的修復(fù)費(fèi)用。僅就檢查費(fèi)用而言，不需挪動(dòng)石棉時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn) 800-1000美元，需挪動(dòng)石棉時(shí)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)1000-2000美元，對(duì)于有石膏抹灰和吊頂?shù)母呒?jí)住宅，每個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)2000-5000美元，修復(fù)費(fèi)用更高211。更重要的當(dāng)然是對(duì)過(guò)去長(zhǎng)期沿 用的節(jié)點(diǎn)在抗震中的安全問(wèn)題提出了疑問(wèn)，必須認(rèn)真研究和解決。22 日本販神地震后對(duì)鋼框架節(jié)點(diǎn)破壞的調(diào)查阪神地震后，日本建設(shè)省建筑研究所成立了地震對(duì)策本部，組織了各方面人士多次參加的建筑應(yīng)急危險(xiǎn)度和震害的調(diào)查，民間有關(guān)團(tuán)體也開(kāi)展了各類(lèi)領(lǐng)域的震害調(diào)查，但因鋼結(jié)構(gòu)相對(duì)于其它結(jié)構(gòu)的震害較少，除新發(fā)現(xiàn)了鋼柱脆斷或柱腳拔起外，鋼框架節(jié)點(diǎn)的

9、破壞主要表現(xiàn)在扇形切角(scallop)工藝孔部位，但因結(jié)構(gòu)體被內(nèi)外裝修所隱蔽，一般業(yè)主、設(shè)計(jì)或施工人員對(duì)此震害調(diào)查不太積極，對(duì)鋼框架系統(tǒng)震害的調(diào)查遇到一定困難。僅管如此， 日本學(xué)者還是就腹板切角工藝孔方面的問(wèn)題進(jìn)行了探索，如日本建筑學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)連接委員會(huì)和鋼材俱樂(lè)部等單位，專(zhuān)就工藝孔破壞狀態(tài)等問(wèn)題作了系統(tǒng)深入的研究。日本對(duì)于混合連接的研究，早在1978年以后的石油危機(jī)中，就曾利用建筑處于低潮機(jī)會(huì)結(jié)合自屏蔽電弧焊的出現(xiàn)和應(yīng)用，系統(tǒng)地開(kāi)展過(guò)。進(jìn)入90年代后，隨著高層、超 高層和大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的增多，梁柱截面增大，若采用過(guò)去的梁懸臂段形式，由于運(yùn)輸 尺寸上的限制，懸臂長(zhǎng)度大致不能超過(guò)1m；另一方面，

10、由于梁翼緣板厚增大，拼接螺栓增多，結(jié)果梁端至最近螺栓的距離只有500mm左右，截面受到很大削弱，對(duì)保證梁端塑性 變形很不利。這樣，在大型鋼結(jié)構(gòu)工程中，現(xiàn)在較多采用梁與柱的混合連接。圖1是采用箱形柱時(shí)的混合連接示意圖梁翼緣與箱形柱隔板直接焊接7 。日本在美國(guó)北嶺地震前不久，曾對(duì)此種連接進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，梁端翼緣焊 縫處的破壞幾乎都是在梁下翼緣從扇形切角工藝孔端開(kāi)始的，沒(méi)有看到象在美國(guó)試驗(yàn)中和地震中出現(xiàn)的沿焊縫金屬及其邊緣破壞的情況，通過(guò)試驗(yàn)和版神地震觀察到的梁端工藝孔 處的裂縫發(fā)展情況。日本鋼材俱樂(lè)部研究了扇形切角工藝孔帶襯板及底部有焊縫的兩種節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。美、日兩國(guó)鋼框架在地震中的梁柱節(jié)點(diǎn)

11、破壞形式是有區(qū)別的，北嶺地震中的裂縫多向柱段范圍擴(kuò)展，而阪神地震中的裂縫則多向梁段范圍發(fā)展。對(duì)兩國(guó)節(jié)點(diǎn)破壞情況的這種差異與其與構(gòu)造差異的關(guān)系，還有待進(jìn)一步探討。3節(jié)點(diǎn)破壞原因與分析北嶺地震后，美日兩國(guó)學(xué)者就節(jié)點(diǎn)破壞原因，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、有限元分析、斷裂力學(xué)分析等，還作了很多補(bǔ)充試驗(yàn)，結(jié)合震前研究， 對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞原因提出了一些看法。首先認(rèn)為節(jié)點(diǎn)破壞與加勁板、補(bǔ)強(qiáng)板腹板附加焊縫等的變動(dòng)，并沒(méi)有什么直接關(guān)系，也并不是僅由設(shè)計(jì)或施工不良所能說(shuō)明的，而是應(yīng)從節(jié)點(diǎn)本身存在根本性缺陷方面去找原因。有以下幾方面因素，被認(rèn)為是決定和和影響節(jié)點(diǎn)性能而導(dǎo)致了破壞。31 焊縫金屬?zèng)_

12、擊韌性低3 美國(guó)北嶺地震前，焊縫多采用E70T-4或E70T-7自屏蔽藥芯焊條施焊，這種焊條提供的最小抗拉強(qiáng)度480MPa，恰帕沖擊韌性無(wú)規(guī)定，試驗(yàn)室試件和從實(shí)際破壞的結(jié)構(gòu)中取出的 連接試件在室溫下的試驗(yàn)表明，其沖擊韌性往往只有10-15J，這樣低的沖擊韌性使得連接很易產(chǎn)生脆性破壞，成為引發(fā)節(jié)點(diǎn)破壞的重要因素。在北嶺地震后不久所作的大型驗(yàn)證性試驗(yàn)，對(duì)焊縫進(jìn)行十分仔細(xì)的操作，做到了確保焊接質(zhì)量，排除了焊接操作產(chǎn)生的影響。焊縫采用E70T-4型低韌性焊條，盡管焊接操作的質(zhì)量很高，連接還是出現(xiàn)了早期破壞， 從而證明了焊接縫金屬?zèng)_擊韌性低,是焊接破壞的因素之一。32 焊縫存在的缺陷3對(duì)破壞的連接所作調(diào)

13、查表明，焊接質(zhì)量往往很差，很多缺陷可以看出明顯違背了規(guī)范規(guī)定的焊接質(zhì)量要求，不但焊接操作有問(wèn)題，焊縫檢查也有問(wèn)題。很多缺陷說(shuō)明，裂縫萌生在下翼緣焊縫中腹板的焊條通過(guò)孔附近，該處的下翼緣焊縫是中斷的，使缺陷更為明顯。該部位進(jìn)行超聲波檢查也比較困難，因?yàn)榱焊拱宸恋K探頭的設(shè)置。因此，主要的連接 焊縫中由于施焊困難和探傷困難出現(xiàn)了質(zhì)量極差的部位。上冀緣焊縫的施焊和探傷不存在梁腹板妨礙的問(wèn)題，因此可以認(rèn)為是上翼緣焊縫破壞較少的原因之一。33 坡口焊縫處的襯板和引弧板造成人工縫4實(shí)際工程中，往往焊接后將焊接襯板留在原處，這種做法已經(jīng)表明，對(duì)連接的破壞具有重要影響。在加州大學(xué)進(jìn)行的試驗(yàn)表明，襯板與柱翼緣之間

14、形成一條未熔化的垂直界面，相當(dāng)于一條人工縫，在梁翼緣的拉力作用下會(huì)使該裂縫擴(kuò)大，引起脆性破壞。 其它人員的研究也得出相同結(jié)果。1995年加州大學(xué)Popov等所作的試驗(yàn)，再現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的脆性破壞，破裂的速度很高， 事前并無(wú)延性表現(xiàn)，因此破壞是災(zāi)難性的。研究指出,受拉時(shí)切口部位應(yīng)力最大，破壞是三軸應(yīng)力引起的，表現(xiàn)為脆性破壞，外觀無(wú)屈服。他們還通過(guò)有限元模擬計(jì)算，得出最大應(yīng)力集中系數(shù)出現(xiàn)在梁緣焊接襯板連接處中部，破壞時(shí)裂縫將從應(yīng)力集中系數(shù)最大的地方開(kāi)始,此一結(jié)論已為試驗(yàn)所證實(shí)。研究表明：大多數(shù)節(jié)點(diǎn)破壞都起源于下部襯板處。引弧板同樣也會(huì)引發(fā)裂縫。3.4 梁翼緣坡口焊縫出現(xiàn)的超應(yīng)力3北嶺地震后對(duì)震前節(jié)點(diǎn)進(jìn)行

15、的分析表明，當(dāng)梁發(fā)展到塑性彎矩時(shí),梁下翼緣坡口焊縫處會(huì)出現(xiàn)超高應(yīng)力。超應(yīng)力的出現(xiàn)因素有：當(dāng)螺栓連接的腹板不足以參加彎矩傳遞時(shí)， 柱翼緣受彎導(dǎo)致梁翼緣中段存在著較大的集中應(yīng)力；在供焊條通過(guò)的焊接工藝孔處，存著附加集中應(yīng)力；據(jù)觀察，有一大部分剪力實(shí)際是由翼緣焊縫傳遞，而不是象通常設(shè)計(jì)假設(shè)的那樣由腹板的連接傳遞。梁翼緣坡口焊縫的應(yīng)力很高，很可能對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞起了不利影響。Popov4采用8節(jié)點(diǎn)塊體單元有限元模擬分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布的最高應(yīng)力點(diǎn)， 是在梁的翼緣焊縫處和節(jié)點(diǎn)板域，節(jié)點(diǎn)板域的屈服從中心開(kāi)始，然后向四周擴(kuò)散。 嶺前進(jìn)行的大量試驗(yàn)表明,當(dāng)焊縫不出現(xiàn)裂紋時(shí)，節(jié)點(diǎn)受力情況也常常不能滿足坡口焊縫 近處

16、梁翼緣母材不出現(xiàn)超應(yīng)力的要求。日本利用震前帶有工藝孔的節(jié)點(diǎn)，在試驗(yàn)荷載下由 應(yīng)變儀測(cè)得的工藝孔端點(diǎn)翼緣內(nèi)外的應(yīng)變分布，應(yīng)變集中傾向出現(xiàn)在翼緣外側(cè)端部，內(nèi)側(cè)則在工藝孔端部，最大應(yīng)變發(fā)生在工藝孔端點(diǎn)位置上.應(yīng)變集中的原因,不僅大于工藝孔 造成的不連續(xù)性，還在于工藝孔部分梁腹板負(fù)擔(dān)的一部分剪力由翼緣去承擔(dān)了，使翼緣和 柱隔板上產(chǎn)生了二階彎曲應(yīng)力。這些試驗(yàn)與分析均指出，今后對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的改進(jìn)，不僅應(yīng) 改善焊縫，而且還應(yīng)降低梁翼緣坡口焊縫處的應(yīng)力水平。35 其它因素3有很多其它因素也被認(rèn)為對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞產(chǎn)生潛在影響，包括：梁的屈服應(yīng)力比規(guī)定的最小值高出很多；柱翼緣板在厚度方向的抗拉強(qiáng)度和延性不確定；柱節(jié)點(diǎn)域過(guò)

17、大的剪切屈服和變形產(chǎn)生不利影響；組合樓板產(chǎn)生負(fù)面影響。這些影響因素可能還需要一定時(shí)間進(jìn)行爭(zhēng)論, 才能弄清楚。 4 改進(jìn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的途徑41 將塑性鉸的位置外移234在北嶺地震之前，美國(guó)UBC和NEHRP兩本法規(guī)對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的規(guī)定，都是根據(jù)在柱 面產(chǎn)生塑性鉸的假定提出的。由于在北嶺地震中發(fā)現(xiàn)梁在柱面并沒(méi)有產(chǎn)生塑性變性，卻出現(xiàn)了裂縫。切口處的破壞是由三軸應(yīng)力引起的，從而導(dǎo)致了脆性破壞。過(guò)去采用的焊接鋼 框架節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造，不能提供可靠的非彈性變形。試驗(yàn)表明，其節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力不超過(guò) O005rad，大大小于SAC建議的最小塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力003rad。另一方面，從受力情況看， 塑性鉸出現(xiàn)在柱面附近的梁上，還可能

18、在柱翼緣的材料中引起很大的厚度方向應(yīng)變，并對(duì) 焊縫金屬及其周?chē)臒嵊绊憛^(qū)提出較高的塑性變形要求，這些情況也可能導(dǎo)致脆性破壞。 因此，為了取得可靠的性能，最好還是將梁柱連接在構(gòu)造上使塑性鉸外移。將塑性 位置從柱面外移有兩種方法，一種是將節(jié)點(diǎn)部位局部加強(qiáng)，一種是在離開(kāi)柱面一定距離處將梁截面局部削弱。鋼梁中的塑性鉸典型長(zhǎng)度約為梁高的一半，當(dāng)對(duì)節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)時(shí)，可取塑性鉸位置為距加強(qiáng)部分的邊緣處梁高的13。節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)固然也可使塑性鉸外移， 但應(yīng)十分注意不要因此出現(xiàn)弱柱，有背強(qiáng)柱弱梁的原則。也有一部分專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員認(rèn)為，在構(gòu)造上采取某些措施仍可使塑性鉸出現(xiàn)在柱面附近， 這些措施包括限制構(gòu)件的截面，控制梁柱

19、鋼材的有關(guān)強(qiáng)度，使母材和焊縫金屬有足夠的沖擊韌性，在節(jié)點(diǎn)構(gòu)件上消除缺口效應(yīng)等。但是由于沒(méi)有足夠的研究來(lái)肯定這些建議，使得這種建議在美國(guó)遲遲未能落實(shí)。而將塑性鉸自柱面外移的建議，試驗(yàn)已表明是可行的和行之有效的。目前，美國(guó)對(duì)節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)及梁截面減弱，都已提出了若干構(gòu)造方案。實(shí)際上，將梁截面減弱使塑性鉸外移的方法，早在北嶺地震以前即有學(xué)者提 出過(guò)，北嶺地震后又作了研究，在技術(shù)上己較成熟4 ，從近期在美國(guó)鹽湖城建造的25層辦公 樓中采用的犬骨式(dog-bone)連接，就可以看到它的構(gòu)造細(xì)節(jié)。目前，美國(guó)雖未提出 今后在抗震框架中推薦采用何種節(jié)點(diǎn)形式，但從實(shí)際情況看，上述犬骨式連接已成為主導(dǎo)形式3 。因

20、它制作方便、省工，由美國(guó)公司設(shè)計(jì)的我國(guó)天津國(guó)貿(mào)大廈鋼框架中也已采用了 這種節(jié)點(diǎn)形式。日本阪神地震后，沒(méi)有象美國(guó)采用將塑性鉸外移的方案。日本1996年發(fā)表的鋼結(jié) 構(gòu)工程技術(shù)指針和1997年發(fā)表的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)指針JASS6等，僅提出了鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造改進(jìn)形式，對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造特別是扇形切角工藝孔作了不少規(guī)定，目的也是消除可能出現(xiàn)的裂縫，保證結(jié)構(gòu)的非彈性變形。也就是說(shuō)，日本與美國(guó)分別采用了不同的避免脆性破壞的途徑。4.2 梁冀緣焊縫襯板缺口效應(yīng)的處理116在北嶺地震前，美國(guó)鋼框架節(jié)點(diǎn)施工中，通常將襯板和引弧板焊接后留在原處，這種做法，如前所述存在缺口效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂，現(xiàn)在則在焊后將下翼緣的襯板和引弧

21、板割除，同時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行檢查11 。正如前面曾指出的，在下翼緣的焊縫中部由于焊條通過(guò)切角困難，焊接和探傷操作都要被迫中斷，通常存在缺陷，割除襯板后可以目視觀察，從而減少在此部位不易查看到的裂紋。襯板和引弧板可用氣刨割除后再清根補(bǔ)焊，但費(fèi)用較高，操作不慎還可能傷及母材。研究表明，襯板也可不去除，而將襯板底面邊緣與柱焊接，缺點(diǎn)是無(wú)法象去除襯板后能對(duì)焊縫進(jìn)行仔細(xì)檢查。由于上翼緣焊縫處襯板的缺口效應(yīng)不嚴(yán)重，而且它對(duì)焊接和超探也沒(méi)有妨礙，出于費(fèi)用考慮，割除上翼緣襯板可能不合算，如果將上翼緣襯板邊緣用焊縫封閉，試驗(yàn)表明并無(wú) 利影響，因此美國(guó)現(xiàn)時(shí)做法是上翼緣襯板仍然保留并用焊縫封口。坡口焊縫的引弧板，在上下翼

22、緣處通常都切除，因?yàn)橐『蜏缁√幫ǔ６加泻芏嗳庇脷馇星谐筮€需打磨，才能消除潛在的裂縫源。在消除襯板的缺口效應(yīng)方面，日本是非常重視的。在阪神地震后發(fā)表的技術(shù)規(guī)定中, 對(duì)采用H型鋼梁、組合梁，以及采用組合梁時(shí)梁預(yù)先焊接或與襯板同時(shí)裝配，不論是否切角，均采用襯板，對(duì)其構(gòu)造包括引弧板，分別作了詳細(xì)規(guī)定。 43 扇形切角構(gòu)造的改進(jìn)89在日本阪神大地震中，由于扇形切角工藝孔的端部起點(diǎn)存在產(chǎn)生裂縫的危險(xiǎn)，是否設(shè)置形切角以及如何設(shè)置，已成為關(guān)系到抗震安全的一項(xiàng)重要問(wèn)題。日本震后發(fā)表的技術(shù)規(guī)范中，對(duì)扇形切角的設(shè)置也提出一系列規(guī)定，包括不開(kāi)扇形切角和開(kāi)扇形切角兩大類(lèi)，并規(guī)定扇形切角可采用不同形狀；對(duì)于柱貫通形和

23、梁貫通形節(jié)點(diǎn)分別規(guī)定了不同的構(gòu)造形式。 柱貫通型節(jié)點(diǎn)的扇形切角形式有兩種，其特點(diǎn)是將扇形切角端部與梁翼緣連接處圓弧半徑減小，以便減少應(yīng)力集中。日本早就研究不設(shè)扇形切角以提高梁變形能力的方案， 在最近公布的技術(shù)規(guī)定中，根據(jù)目前的焊接技術(shù)水平已將此種方案付諸實(shí)施89 。44 選用有較高沖擊韌性的焊縫26如前所述，焊縫沖擊韌性不足會(huì)引起節(jié)點(diǎn)破壞。那么焊縫究竟要有多大的沖擊韌性才能防止裂紋出現(xiàn)呢?美國(guó)提出，焊縫的恰帕沖擊韌性(CVN)最小值取-29時(shí)27J(相當(dāng)于 -200F時(shí) 20ft-1bs)是合適的，可以發(fā)展成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。在最近美國(guó)的實(shí)際工程中，采用E71T-8型和E70TG-K2型焊條的普

24、通手工焊電弧焊已表明焊縫最小沖擊韌性可滿足上述要求，而采用E7018型藥芯焊條的'貼緊焊'焊縫沖擊韌性值更高，但都必須按AWS 規(guī)定的焊接和探傷方法操作。45 將梁腹板與柱焊接3美國(guó)SAC在采用犬骨式連接時(shí)建議：將以往的腹板栓接改為焊接，用全熔透坡口焊縫 將梁腹板直接焊在柱上或通過(guò)較厚連接板焊接。在北嶺地震前，就已有很多研究指出腹板焊接比栓接性能好，它能更好地傳力，從而減小梁冀緣和翼緣坡口焊縫的應(yīng)力。日本在阪神 地震前的研究也已指出，梁端腹板用高強(qiáng)度螺栓連接時(shí)，與焊接相比抗彎能力變小，塑性變形能力有明顯差異，但在日本新規(guī)定中尚未看到與美國(guó)提出的相類(lèi)似的要求。5 .美、日節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

25、的比較、根據(jù)美、日鋼框架梁-柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及震后的改進(jìn)情況，可以看到下列差異：1)美國(guó)認(rèn)為梁端不能產(chǎn)生塑性變形，采取了將塑性鉸外移的基本對(duì)策，提出將節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)或?qū)⒘壕植肯魅醯姆椒?，雖然目前尚無(wú)定論，但從實(shí)際發(fā)展情況看，因削弱梁截面 的方法省工、效果好，已在某些工程中采用。但日本卻沒(méi)有采用將塑性鉸外移的方法，而是采取在原構(gòu)造的基礎(chǔ)上消除裂縫的病灶的方法。2)兩國(guó)都注意到了梁翼緣坡口焊縫的焊接襯板邊緣存在的缺口效應(yīng)所帶來(lái)的嚴(yán)重后果， 在北嶺地震和阪神地震后都采取了相應(yīng)對(duì)策。美國(guó)SAC建議，下翼緣焊縫的襯板宜割除， 然后清根補(bǔ)焊；考慮上翼緣焊縫缺陷一般較少，受力條件較有利以及費(fèi)用等原因，可對(duì)襯邊緣用焊

26、縫封閉。而日本則對(duì)H型鋼梁和焊接組合梁(包括梁先焊好和梁與襯板同時(shí)裝配兩種情況)以及節(jié)點(diǎn)為柱貫通型或梁貫通型時(shí)襯板的設(shè)置，作了詳細(xì)規(guī)定。3)美國(guó)在梁腹板端部襯板通過(guò)處采用矩形切角(端部呈半圓形)，而不象日本采用圓弧形切角，由于腹板受彎矩較大時(shí)將連接板與腹板焊接，從有關(guān)震害情況報(bào)導(dǎo)看，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種形式的切角引發(fā)多少裂縫。日本為消除梁端扇形切角端部的應(yīng)力集中，作出一系列規(guī)定，包括不作扇形切角、梁腹板用直線切剖不設(shè)扇形切角的方法以及允許采用不同形式的切角等，如在與梁翼緣連接處將曲率半徑變小和采用類(lèi)似美國(guó)采用的切角形式。4)美日兩國(guó)都規(guī)定，節(jié)點(diǎn)按翼緣連接受彎矩和腹板連接受剪力的要求設(shè)計(jì)。美國(guó)附加規(guī)定了

27、當(dāng)梁翼緣的受彎承載力小于截面受彎承載力的70或梁腹板受彎承載力大于截面受彎承載力的30時(shí)，在柱連接板角部應(yīng)將梁腹板與連接板焊接。日本過(guò)去在梁端混合連接中，采用彎矩由翼緣連接承受，剪力由腹板連接承受的設(shè)計(jì)方法，螺栓一般配置一列。在94年的文獻(xiàn)5中指出，"現(xiàn)在該處的連接必需滿足保有耐力連接的條件，考慮腹板高強(qiáng)螺栓連接也要部分地承受彎矩，要求布置2列到3列，與以前的連接相比，抗彎承載力儲(chǔ)備提高了， 這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一個(gè)特點(diǎn)。"這些都是北嶺和阪神地震前的情況，震后基本上沒(méi)有改變。 只是北嶺地震后，美國(guó)建議將梁腹板直接與柱焊接或與連接板焊接，以便減小梁翼緣焊縫處的焊縫應(yīng)力，日本則尚無(wú)

28、此規(guī)定。 5)與梁翼緣對(duì)應(yīng)位置的柱加勁肋(美國(guó)叫做連續(xù)板)，日本一貫規(guī)定應(yīng)比對(duì)應(yīng)的梁翼緣 厚度大一級(jí)，認(rèn)為這是關(guān)鍵部位，為此多用一點(diǎn)材料是很值得的。美國(guó)過(guò)去根據(jù)傳遞梁翼 緣壓力的需要確定，考慮一部分內(nèi)力由柱腹板直接傳遞，加勁肋厚度顯著小于梁翼緣厚度。 而且曾有一些設(shè)計(jì)規(guī)定，例如可取厚度等于梁翼緣厚度的一半。有的文獻(xiàn)認(rèn)為，太厚了可能產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，最好用試驗(yàn)確定。北嶺地震中，有些加勁肋屈曲了，有的學(xué)者己提出改為與梁翼緣等厚的建議。6)美國(guó)強(qiáng)調(diào)焊縫沖擊韌性的重要性，規(guī)定了節(jié)點(diǎn)翼緣焊縫的沖擊韌性指標(biāo)，嚴(yán)格焊接工藝的探傷要求。日本一貫重視焊接質(zhì)量，還沒(méi)有看到在這方面有什么新的規(guī)定。6我國(guó)采取的對(duì)策我

29、國(guó)早期的高層建筑鋼結(jié)構(gòu)基本上都是國(guó)外設(shè)計(jì)的，我國(guó)的設(shè)計(jì)施工規(guī)程是在學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上制訂的。由于日本設(shè)計(jì)的我國(guó)高層鋼結(jié)構(gòu)建筑較多，我國(guó)的設(shè)計(jì)、 制作和安裝人員對(duì)日本的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法比較熟悉，設(shè)計(jì)規(guī)定特別是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，大部分是參照日本規(guī)定適當(dāng)考慮我國(guó)特點(diǎn)制訂的，部分規(guī)定吸收了美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)北嶺地震和日本阪神地震后所發(fā)表的報(bào)導(dǎo)，對(duì)我們有很大啟示，在我國(guó)抗震規(guī)范中對(duì)高層鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn) 設(shè)計(jì)擬提出如下建議：1)將梁截面局部削弱，可以確保塑性鉸外移，這種構(gòu)造具有優(yōu)越的抗震性能。根據(jù)美國(guó)報(bào)導(dǎo)，梁翼緣削弱后可將受彎承載力降至08Mp，因鋼材用量要增多，結(jié)合我國(guó)情況作為 主要形式推廣將難以接受，可將此方案

30、列入了條文說(shuō)明，必要時(shí)可參考采用。2)參考日本新規(guī)定，將混合連接上端扇形切角的上部圓弧半徑改為10-15mm，與半徑 35mm的切角相接；同時(shí)，規(guī)定圓弧起點(diǎn)與襯板外側(cè)焊縫間保持10-15mm的間隔，以減小焊接熱影響區(qū)的相互影響。至于日本采用的不開(kāi)切角以及直通式不設(shè)切角的構(gòu)造，因?yàn)槲覀儧](méi)有經(jīng)驗(yàn)，不敢貿(mào)然采用，有持今后對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證后再作取舍。3)在消除襯板的缺口效應(yīng)方面，考慮割除襯板弄得不好會(huì)傷及母材，且費(fèi)用較高，故采用角焊縫封閉襯板邊緣的方法。上翼緣襯板影響較小，暫不作處理。下翼緣襯板邊緣建議用6mm角焊縫沿下翼緣全寬封閉。因仰焊施工不便，角焊縫最多只能做到6mm；為了更 好地消除缺口效應(yīng)，

31、應(yīng)要求焊沿翼緣全寬滿焊。4)在翼緣焊接腹板栓接的混合連接中，按照彎矩僅由翼緣連接承受和剪力僅由腹板連接承受的原則設(shè)計(jì)時(shí)，在某些情況下是不安全的，因?yàn)楫?dāng)腹板的截面模量較大時(shí)，腹板要承受一部分彎矩?？拐鹨?guī)范修訂草案除規(guī)定腹板螺栓連接應(yīng)能承受梁端屈服時(shí)的剪力外， 還規(guī)定當(dāng)梁翼緣截面模量小于梁截面模量70時(shí)，腹板螺栓不得少于2列，每列的螺栓數(shù)不得少于采用一列時(shí)的數(shù)量。5)我國(guó)在梁翼緣對(duì)應(yīng)位置設(shè)置的柱加勁肋，從一開(kāi)始就注意到了日本的經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定了與梁翼緣等厚，北嶺地震表明這樣規(guī)定是適合的。6)翼緣焊縫的沖擊韌性要滿足-30時(shí)27J的要求，這種試驗(yàn)我國(guó)過(guò)去沒(méi)有做過(guò)，對(duì)于我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)制作單位是否可以做到，需待調(diào)查后再確定是否列入。這時(shí)要附帶說(shuō)明，美國(guó)SAC的有關(guān)規(guī)定是適用于美國(guó)3、4類(lèi)地區(qū)，大體相當(dāng)于7 度強(qiáng)、8、9度地區(qū)，我國(guó)6度地區(qū)可適當(dāng)放寬。參考文獻(xiàn)2.Interim guidelines：Evaluation，Repair，Modif