高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)

高層鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)

一、腹板連接的作用剪力的計(jì)算梁-柱連接節(jié)點(diǎn)在多高層房屋的鋼結(jié)構(gòu)施工中發(fā)揮著非常重要的作用。特別是在1994年美國(guó)北嶺地震和1995年日本阪神地震中,數(shù)百幢多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)受到嚴(yán)重破壞,引起了世人的極大關(guān)注。近年來(lái),國(guó)內(nèi)不少刊物均對(duì)上述地震中的破壞現(xiàn)象作了報(bào)導(dǎo)和多方面的分析。在諸多文章中,忽略了造成破壞的一個(gè)致命的原因:就是在設(shè)計(jì)中,尤其是在等截面梁與柱的栓焊連接節(jié)點(diǎn)中,在沒有任何加強(qiáng)連接構(gòu)造措施的情況下,不恰當(dāng)?shù)夭捎昧怂^“常用設(shè)計(jì)法”,即翼緣連接承受全部作用彎矩,梁腹板只承受全部作用剪力的假定(見文獻(xiàn)第6—50條)。筆者的這一論點(diǎn)可從下面的事實(shí)中得以證明。1.從許多刊物介紹的節(jié)點(diǎn)圖中(包括以前由國(guó)外設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)建成的一些高層房屋鋼結(jié)構(gòu)工程),梁端翼緣為工地全熔透的坡口對(duì)接焊,腹板只有一列(或兩列)單剪受力的摩擦型高強(qiáng)度螺栓,在連接處的翼緣板也無(wú)任何加強(qiáng)措施。由此就可以得出其連接只考慮了受剪而沒有考慮受彎的這個(gè)結(jié)論。筆者經(jīng)過對(duì)常用截面的系列計(jì)算發(fā)現(xiàn),即使在非抗震結(jié)構(gòu)中,當(dāng)抗側(cè)移框架梁為常用的工字形截面,強(qiáng)度等級(jí)為Q345,腹板按常用的螺栓單剪連接方式,假定梁端作用的彎矩設(shè)計(jì)值為梁截面所能承受最大彎矩設(shè)計(jì)值的0.95倍,其腹板連接的作用彎矩按腹板扣除螺栓孔后的凈截面慣性矩與梁的凈截面慣性矩之比進(jìn)行分配,腹板連接的作用剪力按腹板所能承受的最大剪力的1/2(參照文獻(xiàn)第8.5.2條的規(guī)定取剪力的下限值)來(lái)進(jìn)行計(jì)算,并按3倍螺栓孔徑間距排列,一般都需要4列M20(或M20以上),10.9級(jí)的摩擦型高強(qiáng)度螺栓,且連接板和梁腹板在連接處的摩擦系數(shù)還必須要達(dá)到k=0.55,即表面處理須采用噴砂或噴砂后生赤銹才能滿足要求(詳見文后附錄)。何況在抗震的連接中,要求連接的抗力必須高于梁截面的最大抗力,而腹板連接卻只布置了一列(或兩列)單剪受力的螺栓,這顯然是很不夠的。在常用的工字形截面梁中,當(dāng)處于彈性階段時(shí),通常翼緣承受全截面抗彎承載力的80%～85%。腹板承受全截面抗彎承載力的15%～20%。這對(duì)于通常翼緣采用焊接、腹板采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接的梁柱節(jié)點(diǎn)來(lái)說,翼緣對(duì)接焊縫所能承受的彎矩最多也只能與翼緣等強(qiáng)。如果腹板連接不考慮這15%～20%的彎矩,則其連接的抗彎承載力就只有框架橫梁抗彎承載力的80%～85%。如果再將因高空施焊條件較差、焊縫存在某些缺陷以及焊接殘余應(yīng)力等不利因素考慮在內(nèi)(按文獻(xiàn)第3.2.2條的規(guī)定,其焊縫強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值尚應(yīng)乘以0.9的折減系數(shù)),則其連接的抗彎承載力很可能只有框架橫梁抗彎承載能力的70%到75%。這就違背了在抗震設(shè)計(jì)中,必須遵守“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的基本原則,相反成了“弱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)桿件”。所以這種用“常用設(shè)計(jì)法”設(shè)計(jì)出來(lái)的梁-柱連接節(jié)點(diǎn),在較大地震作用下,就必然使框架梁在還沒有塑性發(fā)展之前,由于梁端連接抗力大大低于梁截面的抗力而首先使連接焊縫開裂發(fā)生脆性破壞。這正是造成在美國(guó)北嶺大地震中一百多幢鋼結(jié)構(gòu)房屋梁端焊縫開裂的主要原因。2.在阪神地震中,凡是梁端與柱的連接采用帶懸臂梁段的全焊接連接的多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋,雖然在連接處也發(fā)生了焊縫開裂現(xiàn)象,但卻在緊挨焊接處的框架梁上出現(xiàn)了明顯的塑性變形。這也正是由于梁端翼緣和腹板全都是焊接,其連接的抗彎能力基本上等于或只是略低于梁的全截面抗彎能力的結(jié)果。3.近幾年,我國(guó)臺(tái)灣、美國(guó)都先后采用了一種狗骨式的梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)。在靠近柱邊的等截面鋼梁上,將其上、下翼緣沿梁的縱向?qū)ΨQ于腹板進(jìn)行圓弧切割,其翼緣的切除寬度約為40%(切除要小心,圓弧切割面要光滑);梁腹板與柱翼緣之間用角焊縫代替通常的螺栓連接;上下翼緣的全熔透坡口焊縫要消除焊口,用引弧板;下翼緣焊接襯板要割除,割除后,焊根用焊縫補(bǔ)焊;上翼緣襯板焊后保留,用焊縫封閉;柱翼緣加勁板與梁翼緣等厚,等等。如圖1所示。試驗(yàn)表明這種狗骨式的剛性連接節(jié)點(diǎn),在反復(fù)荷載作用下其滯回曲線呈穩(wěn)定而豐滿的紡錘形,具有很好的延性。究其原因,是因?yàn)樵诘冉孛媪褐?梁端與柱剛性連接的抗彎能力小于梁截面的抗彎能力,采用削弱梁截面的方式來(lái)降低梁截面的抗彎能力,相對(duì)而言,等于提高了連接的抗彎能力,使相互之間的強(qiáng)弱關(guān)系發(fā)生了相反的轉(zhuǎn)化,保證了框架梁在水平地震作用下,不會(huì)首先在連接處破壞而使節(jié)點(diǎn)具有很好的延性。根據(jù)以上三種不同的節(jié)點(diǎn)作法,所得到三種截然不同的抗震結(jié)果,就不難得出這樣一個(gè)結(jié)論:在抗震結(jié)構(gòu)中,只有不折不扣地做到了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”這一基本要求,才能充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)具有良好延性的優(yōu)勢(shì)。二、節(jié)點(diǎn)連接基本原則要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件的目標(biāo),就必須在梁-柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中,不僅要對(duì)罕遇地震時(shí)節(jié)點(diǎn)的極限承載力進(jìn)行計(jì)算,而且更應(yīng)該對(duì)在常遇地震時(shí)彈性設(shè)計(jì)階段的節(jié)點(diǎn)承載力進(jìn)行計(jì)算(在此強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)是因?yàn)樵谖墨I(xiàn)中對(duì)此沒有明文規(guī)定)。此外,在設(shè)計(jì)中還必須遵守以下兩個(gè)基本原則:1.在彈性階段,梁柱連接處的抗彎能力必須大于框架梁的抗彎能力,并使二者之比≥k(k為連接承載力抗震調(diào)整系數(shù)與框架梁承載力抗震調(diào)整系數(shù)之比)。防止受大震作用時(shí)因梁柱連接處可能存在的某些缺陷導(dǎo)致框架橫梁在尚未出現(xiàn)塑性鉸之前,節(jié)點(diǎn)連接就過早地發(fā)生脆性破壞。2.在滿足基本原則1后,在彈塑性階段,塑性鉸必然將離開柱面向外移,為此在彈性設(shè)計(jì)階段就應(yīng)預(yù)測(cè)并人為控制塑性鉸的位置,使該位置梁截面最外纖維的最大彎曲應(yīng)力高于梁柱連接處焊縫的最大彎曲應(yīng)力,以便在大震時(shí)促使框架梁在可能出現(xiàn)塑性鉸的部位,其翼緣在高應(yīng)力下首先屈服,產(chǎn)生塑性變形,形成塑性鉸,以達(dá)到耗散地震能量的目的。為了實(shí)現(xiàn)以上兩個(gè)基本原則,就必須排除在常規(guī)的等截面梁上未經(jīng)任何加強(qiáng)或削弱就直接與柱連接的作法(不論是全焊接連接還是栓焊混合連接)。在構(gòu)造上必須打破常規(guī),采取一些改進(jìn)措施來(lái)滿足上述要求。三、局部加大梁截面改進(jìn)框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的措施除了采用狗骨式連接節(jié)點(diǎn)外,也可采用與狗骨式節(jié)點(diǎn)相似的原理,以相反的方式,即不采用削弱梁截面的方式,而是采用在梁端局部加大梁截面的方式(如圖2～4所示),以加大其連接的抗彎承載力,同樣也可達(dá)到節(jié)點(diǎn)具有很好延性的目的。圖2～4的這些作法,不但與狗骨式有異曲同工之妙,而且更優(yōu)于狗骨式,因?yàn)楣饭鞘绞且韵魅趿旱囊砭壗孛鎭?lái)降低梁的承載力作為代價(jià),換取在大震時(shí)梁的塑性發(fā)展,使節(jié)點(diǎn)具有很好的延性。而圖2～4是在不降低梁的承載力的前提下同樣可得到在大震時(shí)梁的塑性發(fā)展,使節(jié)點(diǎn)具有很好的延性。1.梁端全截面塑性模量與鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)(1)根據(jù)基本原則1,確定楔形蓋板與柱連接處的截面面積及其連接的計(jì)算方法(圖2)。根據(jù)文獻(xiàn)的規(guī)定:節(jié)點(diǎn)焊縫的γRE=1.0,節(jié)點(diǎn)螺栓的γRE=0.9;框架梁的γRE=0.8,故應(yīng)分別按下列兩種不同情況確定蓋板的截面面積:①翼緣與柱為完全熔透的工地對(duì)接焊、腹板為摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接梁翼緣加上蓋板后在焊接處的截面面積(亦即對(duì)接焊縫的截面面積)應(yīng)大于或等于未加蓋板時(shí)翼緣截面面積的k=1/0.8=1.25倍。即Ax=kAf=1.25Af(1)腹板的高強(qiáng)度螺栓應(yīng)能承受0.9/0.8=1.125倍由腹板所能承受的最大彎矩設(shè)計(jì)值和地震作用效應(yīng)組合剪力設(shè)計(jì)值在螺栓中所產(chǎn)生的合成剪力。②梁翼緣和腹板與柱為工地焊接,包括采用懸臂式短梁的工廠焊接(翼緣為完全熔透的對(duì)接焊,腹板為雙面角形焊縫)梁翼緣加上蓋板后在焊接處的截面面積與式(1)相同。腹板的角形焊縫,應(yīng)能承受1.25倍由腹板所能承受的最大彎矩設(shè)計(jì)值和地震作用效應(yīng)組合剪力設(shè)計(jì)值在角形焊縫中所產(chǎn)生的合成剪應(yīng)力。(2)根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)大震時(shí),梁與柱連接的驗(yàn)算公式可按下式確定楔形蓋板與柱相連的截面面積Μu≥1.2Μp(2)Vu≥1.3Μp/ln(3)Vu≥1.2×2Μp/ln+VGb(4)Mu≥1.2Mp(2)Vu≥1.3Mp/ln(3)Vu≥1.2×2Mp/ln+VGb(4)式中:Mu為基于極限強(qiáng)度最小值的節(jié)點(diǎn)連接最大受彎承載力,全部由局部加大后的翼緣連接來(lái)承擔(dān);Mp為梁構(gòu)件的全塑性受彎承載力;Vu為基于極限強(qiáng)度最小值的節(jié)點(diǎn)連接最大受剪承載力,僅由腹板的連接來(lái)承擔(dān);ln為梁的凈跨;VGb為梁在重力荷載代表值(地震烈度為9度時(shí)高層建筑還應(yīng)該包括豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值)作用下按簡(jiǎn)支梁分析的梁端截面剪力設(shè)計(jì)值。式(4)為筆者附加的一項(xiàng)驗(yàn)算式。①式(2),(3)實(shí)則也是《常用設(shè)計(jì)法》在文獻(xiàn)中的反映,但在文獻(xiàn)尚未修訂出版之前,只好仍按此規(guī)定進(jìn)行復(fù)核、推導(dǎo)。根據(jù)適用于框架梁的窄翼緣H型鋼國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)(GB/T11263—98),經(jīng)統(tǒng)計(jì)其腹板的塑性模量與翼緣的塑性模量之比為0.3～0.4。取Wwp=0.4Wfp,則全截面塑性模量可表達(dá)為Wp=Wwp+Wfp=1.4Wfp。設(shè)在翼緣連接處局部加大后的翼緣截面面積為Ax,根據(jù)式(2)可列出如下平衡方程式:Wxpfu≥1.2×1.4Wfpfy(5)Wxp=Axh,Wfp=Afh(6)對(duì)于Q345鋼fu/fy=470/345=1.362,即fu=1.362fy(7)對(duì)于Q235鋼則有fu=1.60fy(8)將式(6),(7)代入式(5)得:1.362Axhfy≥1.68AfhfyAx≥1.68Af/1.362≈1.25Af與式(1)計(jì)算得的結(jié)果相同,取Ax=1.25Af。將式(6),(8)代入式(5)得:1.60Axhfy≥1.68AfhfyAx≥1.68Af/1.60≈1.05Af<1.25Af取Ax=1.25Af。②為了滿足式(3)或式(4)的要求,筆者經(jīng)過系列計(jì)算證明,在用高強(qiáng)度螺栓連接的腹板中,只要螺栓滿足了彈性設(shè)計(jì)階段的受力要求,就能滿足彈塑性設(shè)計(jì)階段即式(3)或(4)的受力要求。這是因?yàn)樵谑?3)或式(4)中,未包含腹板塑性彎矩在螺栓中產(chǎn)生的內(nèi)力,從而比彈性階段在螺栓中所產(chǎn)生的內(nèi)力要小很多。(3)根據(jù)梁上組合彎矩圖的反彎點(diǎn)確定楔形蓋板的截面尺寸。具體步驟為:①確定塑性鉸的位置由于框架梁在樓面豎向荷載和水平地震組合作用下,負(fù)彎矩圖形接近一條直線向跨內(nèi)傾斜,梁端彎矩值最大,離開梁端彎矩值急劇減小。為了滿足基本原則2的要求,應(yīng)將楔形蓋板的長(zhǎng)度盡可能地縮短,筆者建議取0.3hb和不小于180mm(即約為腹板連接板的寬度),由此可得出從柱邊到塑性鉸中心點(diǎn)的尺寸約為0.75hb(參考狗骨式連接翼緣上的弧形切割長(zhǎng)度,取塑性鉸塑性區(qū)域在梁翼緣上的長(zhǎng)度為0.9hb,hb為鋼梁的高度)。②確定楔形蓋板的截面面積塑性鉸的位置確定后,就可根據(jù)梁上組合彎矩圖反彎點(diǎn)距柱邊的距離lx(計(jì)算簡(jiǎn)圖參見表1),選出不制表公式∶μ=1.25Afhb(1.25Af+ΔAf)hblx=0.75hb1-μ式中1.25Afhb為用翼緣截面面積來(lái)表達(dá)的常用鋼梁規(guī)格的全截面彈性抵抗矩。同楔形蓋板在梁柱連接處的截面面積ΔAf,以保證人為控制塑性鉸處在彈性階段的彎曲應(yīng)力高于梁柱連接處的彎曲應(yīng)力。根據(jù)以上三種不同計(jì)算準(zhǔn)則確定出的楔形蓋板與柱相連的不同截面面積,可得出如下結(jié)論:楔形蓋板的截面尺寸主要由基本原則2所決定,腹板連接主要由基本原則1所控制。當(dāng)反彎點(diǎn)小于表1中的2.6hb時(shí),為了避免楔形蓋板的截面面積在梁端加得過大,最好在梁端加楔形蓋板和在塑性鉸處仿“狗骨式”適當(dāng)削弱梁翼緣相結(jié)合的辦法來(lái)處理。2.帶懸臂式短梁的加強(qiáng)板截面面積梁端翼緣局部加寬(圖3)只是將圖2中的加強(qiáng)板與梁的翼緣板設(shè)于同一個(gè)平面內(nèi),所以其加強(qiáng)板所需的截面面積與圖2所加楔形蓋板的計(jì)算方法相同。在圖2中也可采用如圖