（材料加工工程专业论文）钢结构刚性梁柱节点抗震性能的研究.pdf

中文摘要 被认为抗震性能 卓越的 钢结构在美国n o rt h r i d g e 地震和日 本k o b e 地震中 发 生了大量的脆性断裂现象，而这些脆性破坏绝大多数都起源于焊接梁柱节点。 随着钢结构日益广泛的应用，研究焊接钢结构的抗震性能具有显著的社会效益 和经济效益。本文主要针对钢结构刚性梁柱节点的抗震性能进行了研究。 建立了考虑节点全部细节的栓焊混合连接节点和全焊连接节点的三维实体 有限元模型，分析了刚性梁柱节点的抗震性能，并且首次对上述两种类型刚性 节点的抗震性能进行了比较。计算结果表明，和全焊节点相比较，栓焊混合连 接节点剪切板角焊缝两端的应力集中明显较低，且结构整体的弹性刚度和承载 力较大，其性能优于全焊节点，因而推荐采用栓焊混合连接节点。 通过三维弹塑性有限元计算，首次系统研究了焊接工艺孔形式和板域强度 对刚性梁柱节点抗震性能的影响。通过改进工艺孔的形式可以显著降低焊接孔 根部发生断裂的可能性。焊接孔扩大型节点对于抗震性能的提高效果不明显， 而且由于其结构整体的承载力较低， 因而并不可取。 美国联邦应急管理局f e ma 提供的焊接工艺孔形式可以显著改善节点的抗震性能，但是将焊接工艺孔的末 端梁腹板与梁翼缘的交角作为控制其尺寸的一个重要参数是不实际的，建议采 用焊接工艺孔的末端离柱面的距离代替之，此距离的最佳大小应该视具体的梁 翼缘焊缝尺寸而定。增大板域强度，可以显著降低梁腹板角焊缝根部发生断裂 的可能性，且两侧成对增设 6 m m厚的补强板已 然足够。 基于断裂力学有限元分析，以应力强度因子 k和裂纹尖端张开位移 c t o d 作为断裂力学参量，首次研究了梁翼缘焊缝强度匹配对其断裂韧度要求的影响。 刚性梁柱节点梁端塑性转角和对梁翼缘焊缝断裂韧度的要求基本上呈线性关 系。连接梁翼缘和柱翼缘的对接开坡口焊缝采用高匹配能够显著降低对其断裂 韧度的要求，降低钢框架梁柱节点发生脆性断裂的可能性，因而梁翼缘焊缝建 议采用高匹配。 首次全面系统地研究了地震载荷的两大重要特征:动载和预应变对典型建 筑结构用钢q 2 3 5 b和1 6 m n 两种材料焊接接头的基本力学性能和断裂行为的 影 响。两种材料焊接接头在动载和预应变下的屈服强度和抗拉强度均有所提高， 但对其塑性影响均不大。常温下，和静载相比，在 5 0 m m / s 和 l 0 0 m m / s的加载 速率水平下，1 6 m n钢焊缝和母材以及 q 2 3 5 b焊缝的断裂韧度均有所提高， 而 对于q 2 3 5 b母材其断 裂韧度明显降低; 而预应变下， 两种材料焊缝和母材的断 裂韧度均有所降低。预应变对材料断裂韧度的影响更为不利，在进行钢结构梁 柱节点的抗震设计和选材中，应该充分考虑预应变对材料断裂韧度的影响。 关键词: 刚性梁柱节点有限 元 lt 设计强度匹配动载 预应变 断裂韧度 abs tract s t e e l s t r u c t u r e , w h i c h w a s s u p p o s e d t o h a v e e x c e l l e n t e a r t h q u a k e r e s i s t a n t p r o p e rt y , s u ff e r e d a l o t o f b r i tt l e fr a c t u r e d u r in g t h e a m e r i c a n n o rt h r i d g e e a r t h q u a k e a n d j a p a n e s e k o b e e a rt h q u a k e . t h e b r i tt l e fr a c t u r e s m o s t l y o r i g in a t e d a t t h e w e l d e d b e a m - t o - c o l u m n c o n n e c t i o n s . f o r s t e e l s t r u c t u r e i s w i d e l y u s e d i n m a n y f i e l d s , i n v e s t i g a t i o n o n t h e e a r th q u a k e r e s i s t a n c e o f w e l d e d s t e e l s t r u c t u r e w i l l g r e a t l y b e n e fi t t h e s o c i a l a n d e c o n o m i c p e r f o r m a n c e . t h e a rt i c l e a i m s t o i n v e s t i g a t e t h e a n t i - e a rt h q u a k e p r o p e r ty o f r i g i d b e a m - t o - c o l u m n c o n n e c t i o n s o f s t e e l s t r u c t u r e . t h e e a rt h q u a k e r e s i s t a n c e o f r i g i d b e a m - t o - c o lu m n c o n n e c t i o n s w a s a n a l y z e d a n d c o m p a r e d b y e s t a b l i s h i n g t h r e e - d i m e n s i o n a l f i n it e e l e m e n t m o d e l s i n g re a t d e t a i l o f w e b - b o l t e d a n d fl a n g e - w e l d e d c o n n e c t i o n a n d w e l d e d c o nn e c t i o n . t h e r e s u l t s s h o w t h a t , c o m p a r e d w i t h w e l d e d c o n n e c t i o n , b o t h e n d s o f t h e f i l l e t w e l d o f s h e a r p l a t e o f w e b - b o l t e d a n d fl a n g e - w e l d e d c o n n e c t i o n h a v e o b v i o u s l y l o w e r s t r e s s c o n c e n t r a t i o n f a c t o r . t h e e l a s t i c s t i f fn e s s a n d b e a r i n g c a p a c i t y o f w e b - b o l t e d a n d fl a n g e - w e l d e d c o n n e c t i o n a r e h i g h e r t h a t t h o s e o f w e l d e d c o n n e c t i o n . t h e w e b - b o l t e d a n d fl a n g e - w e l d e d c o n n e c t i o n i s r e c o m m e n d e d f o r i t s b e t t e r c o m b i n a t i o n p r o p e rt y . t h e e ff e c t o f g e o m e t r i c a l c o n f i g u r a t i o n o f w e l d a c c e s s h o l e a n d s t r e n g t h o f p a n e l z o n e o n t h e a n t i - e a rt h q u a k e p r o p e rt y o f r i g i d b e a m - t o - c o l u m n c o n n e c t i o n w a s i n v e s t i g a t e d b y t h r e e - d i m e n s i o n a l e l a s t i c - p l a s t i c it y fi n i t e e l e m e n t a n a ly s i s . t h e f r a c t u re p o t e n t i a l o f t h e r o o t o f t h e a c c e s s h o l e i s g r e a t l y r e d u c e d t h r o u g h i m p r o v i n g t h e c o n fi g u r a t i o n o f a c c e s s h o l e . f o r t h e i m p r o v e m e n t o f e a rt h q u a k e r e s i s t a n t p r o p e rt y i s n o t o b v io u s a n d t h e b e a r i n g c a p a c i t y i s p r e t t y l o w , t h e c o n n e c t i o n w i t h e n l a r g e d a c c e s s h o l e i s n o t r e c o m m e n d e d . t h e a n ti - e a r th q u a k e p r o p e rt y o f c o n n e c t i o n w i t h a c c e s s h o l e c o n f i g u r a t i o n r e c o m m e n d e d b y a m e r i c a n f e d e r a l e m e r g e n c y ma n a g e m e n t a g e n c y i s r e m a r k a b l y i m p r o v e d . h o w e v e r , i t i s i m p r a c t i c a l t o s e t t h e a n g l e a t t h e i n t e r s e c t i o n o f a c c e s s h o l e a n d b e a m fl a n g e a s a n i m p o rt a n t p a r a m e t e r c o n t r o l l i n g t h e c o n f i g u r a t i o n . i t i s r e c o m m e n d e d t h a t t h e d i s t a n c e f r o m t h e r o o t o f a c c e s s h o l e t o c o l u m n fl a n g e r e p l a c e t h a t a n g l e a s a p a r a m e t e r . t h e o p t i m u m l e n g t h o f t h e d i s t a n c e i s d e t e r m i n e d b y t h e s i z e o f t h e g r o o v e w e l d o f b e a m fl a n g e . i n c r e a s i n g t h e p a n e l z o n e s t r e n g t h c a n r e m a r k a b ly r e d u c e t h e f r a c t u r e p o t e n t i a l o f t h e t o e o f f i l l e t w e l d o f b e a m w e b . t h e t w o r e in f o r c e m e n t p l a t e s w i t h a t h i c k n e s s o f 6 m m e s t a b l i s h e d a t b o t h s i d e s o f t h e p a n e l z o n e w o u l d s u r e l y w o r k . t h r e e - d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n t m e t h o d w as e m p l o y e d t o i n v e s t i g a t e t h e e ff e c t 1 1 o f t h e s t r e n g th m i s ma t c h i n g o f t h e g r o o v e w e l d o f b e a m fl a n g e o n t h e f r a c t u r e t o u g h n e s s r e q u ir e m e n t s in t e r m s o f s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r k a n d c r a c k t i p o p e n i n g d i s p l a c e m e n t ( c t o d ) . a s f o r r i g i d b e a m - t o - c o l u m n c o n n e c t i o n s , t h e i n e l a s t i c r o t a t i o n a n g l e o f t h e b e a m fl a n g e i s r o u g h l y l i n e a r l y p r o p o rt i o n a l t o t h e r e q u ir e m e n t s o f fr a c t u r e t o u g h n e s s . t h e o v e r m a t c h in g b u t t g r o o v e w e l d o f b e a m fl a n g e i s r e c o m m e n d e d b e c a u s e t h e fr a c t u r e t o u g h n e s s d e m a n d s a r e m u c h s m a l l e r a n d t h e p o s s i b i l i t y o f b r i tt l e f r a c t u r e o f c o n n e c t i o n s i s l o w e r . t h e e ff e c t s o f d y n a m i c l o a d i n g a n d p r e s t r a i n w h i c h a r e t h e m a i n c h a r a c t e r i s t i c s o f e a r th q u a k e l o a d i n g o n t h e m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s a n d fr a c t u r e b e h a v i o r o f w e l d e d j o i n t s o f s t r u c t u r a l s t e e l ( q 2 3 5 b a n d 1 6 mn s t e e l ) w e r e i n v e s t i g a t e d b y t e s t s . t h e y i e l d a n d t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e w e l d e d j o i n t s o f t h e t w o k i n d s o f m a t e r i a l s in c r e a s e u n d e r d y n a m i c l o a d i n g a n d p r e s t r a i n c o n d i t i o n t h a t h a v e l i tt l e e ff e c t o n t h e p l a s t i c it y o f s t r u c t u r a l s t e e l . a t r o o m t e m p e r a t u r e , t h e fr a c t u r e t o u g h n e s s o f w e l d s a n d p a r e n t m e t a l o f 1 6 mn a n d w e l d s o f q 2 3 5 b i n c re a s e s u n d e r d y n a m i c l o a d i n g a t t h e l e v e l o f 5 0 m m / s a n d 1 0 0 m m / s c o m p a r e d w i t h t h a t u n d e r s t a t i c l o a d i n g . h o w e v e r , t h e f r a c t u r e t o u g h n e s s o f p a r e n t m e t a l o f q 2 3 5 b o b v i o u s l y d e c r e a s e s u n d e r a b o v e - m e n t i o n e d d y n a m i c l o a d i n g . t h e f r a c t u r e t o u g h n e s s o f w e ld s a n d p a r e n t m e t a l o f t h e t w o k i n d s o f m a t e r i a l s d e c r e a s e w i t h o u t e x c e p t io n u n d e r p r e s t r a i n . i t c a n b e c o n c l u d e d t h a t p r e s t r a i n h a s g r e a t e r u n f a v o r a b l e e ff e c t o n t h e f r a c t u r e t o u g h n e s s o f w e ld e d j o i n t s o f s t r u c t u r a l s t e e l t h a n d y n a m i c l o a d i n g . d u r i n g d e s i g n i n g b e a m - c o l u m n c o n n e c t i o n s a n d c h o o s i n g m a t e r i a l s , t h e e ff e c t o f p r e s t r a i n o n t h e fr a c t u r e t o u g h n e s s o f m a t e r i a l s s h o u l d b e g i v e n c a r e f u l c o n s i d e r a t i o n . k e y w o r d s : r i g i d b e a m - t o - c o l u m n c o n n e c t i o n , f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s , d u c t i l i t y d e s i g n , s t r e n g t h m i s m a t c h in g , d y n a m i c l o a d i n g , p r e s t r a i n , f r a c t u r e t o u g h n e s s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发 表 或 撰写 过的 研究 成 果， 也 不 包 含为 获 得 一 人建叁生一 或 其 他 教 育 机 构的 学 位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 哟签 字 琳/ 宇 年 月 /0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解有关保留、使用学位论文的规定。 特 授 权 玉 生主星一 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 签字日 期:7 从多层到高层，再到超高层，高层建 筑的高度、体型和结构体系都在发展和创新。我国的高层钢结构建筑是从 1 9 8 5 年开始建造的，1 9 8 5 年上海采用钢框架结构体系建造 1 4 层的金沙江大酒店d 1 ，深 圳采用钢框架一剪力墙建造 4 3层的深圳发展中心大厦，标志着我国高层建筑钢 结构应用的开始2 , 3 1 。目 前我国己建成并投入使用的8 8 层3 6 5 米高的上海金茂大 厦为世界第三高楼，正在建设的 9 5层 4 6 0米高的上海环球金融中心，建成后将 使 我国 的 高 层 钢结 构 建 筑进 入 世界 前 列 4 , 6 1 2 0 世纪 9 0 年代以前，钢结构建筑的安全性很少被怀疑，但在 1 9 9 4 年 1 月 1 7 日 美国n o r t h r i d g e 地震和 1 9 9 5 年1 月1 7日日 本k o b e 地震中， 大量的 钢结构框 架出 现了 脆性断裂现象，引 起了工程界和学术界的广泛关注。 美国n o r t h r i d g e地 震使当地的房屋、公路、桥梁和其他市政设施遭到大面积破坏7 . 8 , 9 1 ，其中1 0 0 多 幢钢结构建筑在梁柱节点部位断裂 10 , ” ， 1 2 1 ，裂纹通常起源于梁柱节点焊缝。震后 对2 0 6 6 幢钢结构建筑考察发现13 1 ，其中的5 0 %在梁柱节点底梁翼缘焊缝处断裂， 2 0 %在顶梁翼缘焊缝处断裂，_且 在破坏发生时，梁翼缘未见显著屈服。k o b e 地震 后日 本对9 8 8 幢钢结构建筑的破坏情况做了调查，发现其中9 0 幢倒塌， 2 6 6 幢中 度损坏，3 0 0幢轻度损坏n a l 。通过对梁柱焊接节点的考察发现，同样，断裂也大 多起源于梁柱节点的底梁翼缘焊缝处，但不同的是，断裂发生时，梁翼缘己有明 显屈服或 ( 和)局部屈曲现象。这两次震灾的教训迫使人们重新审视钢结构的抗 天津大学博士学位论文 第一章绪论 1 . 1 选题背景 钢结构是世界高层建筑群中最早采用的一种结构类型，而且也是今后高层建 筑中具有广泛发展前景的结构类型。随着城市人口的日益密集，高速电梯的完善， 城市竖向交通效率的大大提高，世界许多大城市的建筑正向高空发展。钢结构具 有重量轻、强度高、延性大、抗震性能好、施工速度快、构件截面小、结构净空 和跨度大、综合经济指标好等优点，其更适合于地震区和软土地基上的高层建筑， 钢结构将成为超高层建筑中无可争议的主要结构类型。 世界高层建筑的发展经历了 1 0 0多年的历史，从最初的钢结构到钢筋混凝土 结构，再到钢结构或钢一混凝土组合结构;从多层到高层，再到超高层，高层建 筑的高度、体型和结构体系都在发展和创新。我国的高层钢结构建筑是从 1 9 8 5 年开始建造的，1 9 8 5 年上海采用钢框架结构体系建造 1 4 层的金沙江大酒店d 1 ，深 圳采用钢框架一剪力墙建造 4 3层的深圳发展中心大厦，标志着我国高层建筑钢 结构应用的开始2 , 3 1 。目 前我国己建成并投入使用的8 8 层3 6 5 米高的上海金茂大 厦为世界第三高楼，正在建设的 9 5层 4 6 0米高的上海环球金融中心，建成后将 使 我国 的 高 层 钢结 构 建 筑进 入 世界 前 列 4 , 6 1 2 0 世纪 9 0 年代以前，钢结构建筑的安全性很少被怀疑，但在 1 9 9 4 年 1 月 1 7 日 美国n o r t h r i d g e 地震和 1 9 9 5 年1 月1 7日日 本k o b e 地震中， 大量的 钢结构框 架出 现了 脆性断裂现象，引 起了工程界和学术界的广泛关注。 美国n o r t h r i d g e地 震使当地的房屋、公路、桥梁和其他市政设施遭到大面积破坏7 . 8 , 9 1 ，其中1 0 0 多 幢钢结构建筑在梁柱节点部位断裂 10 , ” ， 1 2 1 ，裂纹通常起源于梁柱节点焊缝。震后 对2 0 6 6 幢钢结构建筑考察发现13 1 ，其中的5 0 %在梁柱节点底梁翼缘焊缝处断裂， 2 0 %在顶梁翼缘焊缝处断裂，_且 在破坏发生时，梁翼缘未见显著屈服。k o b e 地震 后日 本对9 8 8 幢钢结构建筑的破坏情况做了调查，发现其中9 0 幢倒塌， 2 6 6 幢中 度损坏，3 0 0幢轻度损坏n a l 。通过对梁柱焊接节点的考察发现，同样，断裂也大 多起源于梁柱节点的底梁翼缘焊缝处，但不同的是，断裂发生时，梁翼缘己有明 显屈服或 ( 和)局部屈曲现象。这两次震灾的教训迫使人们重新审视钢结构的抗 第一章 绪论 震性能，并开始重视对于钢结构梁柱焊接节点抗震防断问题的研究。 我国地处环太平洋地震带和地中海一喜马拉雅地震带上，地震活动频繁。据 统计p 5 ，仅占全球陆地面积 7 %的中国，大陆地震却占全球的三分之一;全国 6 0 %的国土、5 0 %的城市、 6 7 %的大城市位于烈度 7度及以上烈度区内，可以说我 国面临着地震的全面威胁，并且随着钢结构日 益广泛的应用，对于钢结构梁柱节 点抗震性能的研究迫在眉睫! 1 . 2 钢结构梁柱节点的连接方式 现代高层钢结构中普遍采用焊接h型或箱型截面柱和h型截面梁，美国多采 用 h型截面柱，而日本常采用箱型截面柱。梁柱的连接，按梁对柱的约束刚度可 分为三类:铰接连接、半刚性连接和刚性连接。前两种连接形式在实际中多用于 一些比较次要的连接上，对于高层建筑钢结构的主要连接，大多采用刚性连接。 对于梁柱刚性连接形式，美国通常采用柱贯通型，而在日本，其常见的连接形式 为在梁翼缘平面内焊接横隔板以 保持梁翼缘的连续性，并将柱分割成段，各柱段 端部与横隔板焊接阴。 美国及我国广泛采用的梁柱刚性连接可分为三类:( 1 )梁端与柱的连接全部 采用焊缝连接 ( 图 1 . 1 a ) : ( 2 )梁翼缘与柱的连接采用焊缝连接，梁腹板与柱的 连接采用摩擦型高强度螺栓连接 ( 图 1 . 1 b ) ; ( 3 )梁端与柱的连接采用普通 t型 连接件的高强螺栓连接in . ” ， 1 9 ( 图1 . 1 c ) . ( a )全焊连接( b ) 栓焊连接( c )螺栓连接 图1 . 1 梁柱节点刚性连接形式 f i g . 1 . 1 仰p e s o f r i g i d b e a m- t o - c o l u mn c o n n e c t i o n s 第一章 绪论 震性能，并开始重视对于钢结构梁柱焊接节点抗震防断问题的研究。 我国地处环太平洋地震带和地中海一喜马拉雅地震带上，地震活动频繁。据 统计p 5 ，仅占全球陆地面积 7 %的中国，大陆地震却占全球的三分之一;全国 6 0 %的国土、5 0 %的城市、 6 7 %的大城市位于烈度 7度及以上烈度区内，可以说我 国面临着地震的全面威胁，并且随着钢结构日 益广泛的应用，对于钢结构梁柱节 点抗震性能的研究迫在眉睫! 1 . 2 钢结构梁柱节点的连接方式 现代高层钢结构中普遍采用焊接h型或箱型截面柱和h型截面梁，美国多采 用 h型截面柱，而日本常采用箱型截面柱。梁柱的连接，按梁对柱的约束刚度可 分为三类:铰接连接、半刚性连接和刚性连接。前两种连接形式在实际中多用于 一些比较次要的连接上，对于高层建筑钢结构的主要连接，大多采用刚性连接。 对于梁柱刚性连接形式，美国通常采用柱贯通型，而在日本，其常见的连接形式 为在梁翼缘平面内焊接横隔板以 保持梁翼缘的连续性，并将柱分割成段，各柱段 端部与横隔板焊接阴。 美国及我国广泛采用的梁柱刚性连接可分为三类:( 1 )梁端与柱的连接全部 采用焊缝连接 ( 图 1 . 1 a ) : ( 2 )梁翼缘与柱的连接采用焊缝连接，梁腹板与柱的 连接采用摩擦型高强度螺栓连接 ( 图 1 . 1 b ) ; ( 3 )梁端与柱的连接采用普通 t型 连接件的高强螺栓连接in . ” ， 1 9 ( 图1 . 1 c ) . ( a )全焊连接( b ) 栓焊连接( c )螺栓连接 图1 . 1 梁柱节点刚性连接形式 f i g . 1 . 1 仰p e s o f r i g i d b e a m- t o - c o l u mn c o n n e c t i o n s 天津大学博士学位论文 在以上的三种连接方式中，全部采用焊缝不会存在滑移问题，从理论上来说， 良 好的焊接构造和焊接质量可提供足够的延性，但在实际施工过程中存在一定困 难，而且要求对焊缝进行比较严格的探伤检查，此外，焊接残余应力和残余变形 也给实际结构带来不利影响;高强螺栓连接施工较方便，但存在接头尺寸过大、 钢材消耗较多、螺栓价格昂贵等问题;栓焊混合连接，工地安装时，先用螺栓定 位然后对翼缘施焊，具有施工上的优点，因而应用最为普遍。 梁柱连接节点的基本设计原则是:节点必须能完全地传递被连接板件的压力 ( 或拉力) 、弯矩和剪力等。在刚性连接中，梁端内力向柱传递时，梁端弯矩主 要由梁翼缘承担，梁端剪力主要由梁腹板承担。刚性连接与铰接连接、半刚性连 接的主要区别就在于它能保持被连接构件间的连续性。按抗震设计的钢框架，在 强震作用下，节点能够基于材料的延性，保证结构产生塑性变形，在梁内而不是 柱内产生塑性铰，通过塑性区的形成和转动耗散地震输入的能量，使节点免于破 坏，并保证结构的整体性使其免于倒塌，这就是所谓 “ 强柱弱梁，强节点弱杆件” 的 设计思 想。 然而在 n o rt h r i d g e 和k o b e 地震中， 抗震 钢框 架结构的节点并没有 象人们期待的那样，在梁上形成塑性铰，避免破坏发生。 1 . 3 地震中梁柱焊接节点的断裂模式 1 6 1 在 n o rt h r i d g e 地震中 大多 数破坏发生在梁柱连接的 底梁翼缘， 而顶梁翼缘的 破坏要少的多。这可能有两种原因:( 1 )楼板与梁共同变形导致底梁翼缘应力增 大;( 2 )底梁翼缘在腹板位置焊接的中断是一个显著的缺陷的来源。图 1 .2给出 了震后观察到的梁柱焊接节点的失效模式。 图 1 .2 a是一种很普遍的断裂形式，焊缝与柱翼缘完全脱离开来，但许多情况 下裂纹并不总沿着焊缝和柱的界面扩展，在很多情况中，断裂从垫板和柱的交界 处开始，然后从柱翼缘母材扩展，最后撕下来一部分柱翼缘母材 ( 见图 1 .2 c ) , 而裂纹如图1 .2 d 所示裂纹在柱翼缘中停止扩展的情形更多。图1 .2 e 所示裂纹从焊 趾产生并扩展穿透梁翼缘的热影响区， 这种在试验研究中 常见的 情形在n o rt h r i d g e 地震中并不多见。其余的连接失效主要发生在柱截面中:( 1 ) 柱翼缘的层状撕裂 ( 图1 .2 f ) ; ( 2 ) 柱翼缘开裂 ( 图1 .2 g ) ，甚至扩展到柱的腹板中 ( 图1 .2 h ) ， 这种 情形较前者显著。柱翼缘的开裂与连接处的翼缘应变状况有关，进而与截面的尺 寸、 钢材型号、焊接工艺、焊接质量、连接构造细节和外力有关。少数情形中柱 天津大学博士学位论文 在以上的三种连接方式中，全部采用焊缝不会存在滑移问题，从理论上来说， 良 好的焊接构造和焊接质量可提供足够的延性，但在实际施工过程中存在一定困 难，而且要求对焊缝进行比较严格的探伤检查，此外，焊接残余应力和残余变形 也给实际结构带来不利影响;高强螺栓连接施工较方便，但存在接头尺寸过大、 钢材消耗较多、螺栓价格昂贵等问题;栓焊混合连接，工地安装时，先用螺栓定 位然后对翼缘施焊，具有施工上的优点，因而应用最为普遍。 梁柱连接节点的基本设计原则是:节点必须能完全地传递被连接板件的压力 ( 或拉力) 、弯矩和剪力等。在刚性连接中，梁端内力向柱传递时，梁端弯矩主 要由梁翼缘承担，梁端剪力主要由梁腹板承担。刚性连接与铰接连接、半刚性连 接的主要区别就在于它能保持被连接构件间的连续性。按抗震设计的钢框架，在 强震作用下，节点能够基于材料的延性，保证结构产生塑性变形，在梁内而不是 柱内产生塑性铰，通过塑性区的形成和转动耗散地震输入的能量，使节点免于破 坏，并保证结构的整体性使其免于倒塌，这就是所谓 “ 强柱弱梁，强节点弱杆件” 的 设计思 想。 然而在 n o rt h r i d g e 和k o b e 地震中， 抗震 钢框 架结构的节点并没有 象人们期待的那样，在梁上形成塑性铰，避免破坏发生。 1 . 3 地震中梁柱焊接节点的断裂模式 1 6 1 在 n o rt h r i d g e 地震中 大多 数破坏发生在梁柱连接的 底梁翼缘， 而顶梁翼缘的 破坏要少的多。这可能有两种原因:( 1 )楼板与梁共同变形导致底梁翼缘应力增 大;( 2 )底梁翼缘在腹板位置焊接的中断是一个显著的缺陷的来源。图 1 .2给出 了震后观察到的梁柱焊接节点的失效模式。 图 1 .2 a是一种很普遍的断裂形式，焊缝与柱翼缘完全脱离开来，但许多情况 下裂纹并不总沿着焊缝和柱的界面扩展，在很多情况中，断裂从垫板和柱的交界 处开始，然后从柱翼缘母材扩展，最后撕下来一部分柱翼缘母材 ( 见图 1 .2 c ) , 而裂纹如图1 .2 d 所示裂纹在柱翼缘中停止扩展的情形更多。图1 .2 e 所示裂纹从焊 趾产生并扩展穿透梁翼缘的热影响区， 这种在试验研究中 常见的 情形在n o rt h r i d g e 地震中并不多见。其余的连接失效主要发生在柱截面中:( 1 ) 柱翼缘的层状撕裂 ( 图1 .2 f ) ; ( 2 ) 柱翼缘开裂 ( 图1 .2 g ) ，甚至扩展到柱的腹板中 ( 图1 .2 h ) ， 这种 情形较前者显著。柱翼缘的开裂与连接处的翼缘应变状况有关，进而与截面的尺 寸、 钢材型号、焊接工艺、焊接质量、连接构造细节和外力有关。少数情形中柱 第一章 绪论 腹板中的裂纹向上扩展至梁上翼缘连接处。 柱 腹 板 柱 翼 缘 厂 剪 切 板 瘾 a 另外，厚度大的钢板其拘束度较大，应力三轴度也较为明显， 使得材料不易发生塑性变形而产生脆断，且在厚板中，存有缺陷的可能性大，因 而其延性和韧度均较差。现代高层钢结构普遍采用厚钢板，从而增加了其脆断敏 感性。 1 . 4 . 4 与设计有关的因素 ( 1 )设计假定与实际出入较大(3 0 1 设计计算中采用的平截面假定与实际情况存在很大出入洲，由于焊缝的存在， 约束了由剪切变形引 起的梁上、下翼缘的屈曲，从而使得相当大的剪力作用在梁 翼缘上， 尤其是当节点板域出现剪切变形后尤为明显， 此时现行钢结构设计规范t3 - 1 中对于刚性节点的假设 ( 梁翼缘传递梁截面全部弯矩，梁腹板传递全部剪力)己 不成立。在远离连接区域，梁、柱设计采用基于经典梁理论的现行钢结构设计规 范是合适的。但在圣维南原理作用的区域 ( 约梁高度的一半范围内) ，钢结构设 计规范对于梁、柱的设计是不安全的，梁翼缘连接处的设计应考虑其传递的剪应 力。 t 2 ) 梁翼缘焊缝处的应力集中 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;焊接工艺孔的不连续性也存在着附加的集中 应力;并且由于 一大部分的剪力实际是由翼缘焊缝传递，因而在梁翼缘坡口 焊缝处存在着很明显 的应力集中现象。 c 3 )节点范围内 高度约束 节点板域加劲肋的存在，使得节点处的板件受到较强的约束，这就形成节点 的高双轴和三轴受拉应力状态。试验研究和理论分析表明，钢材在多轴应力状态 下，材料的韧度有很大降低，材料的延性发展也受到很大限制。 ( 4 )组合楼盖的叠合作用 天津大学博士学位论文 高层钢结构中普遍采用钢一混凝土组合楼盖，组合楼盖的存在，加大了梁的 刚度和强度，增大了底梁翼缘的应力，降低了梁的弯曲延性。目前设计中通常不 考虑组合楼盖的增强作用， 这使得按 “ 强柱弱梁”抗震设计原则设计的梁柱节点 与实际受力状态的梁柱节点具有较大的区别，即“ 强柱弱梁”的设计概念较难完 全实现。 1 . 5 钢结构梁柱节点抗震性能的研究现状 钢结构节点抗震性能的研究，伴随着高层钢结构的发展与应用，一直受到各 国工程界的重视。回顾高层钢结构节点抗震性能研究的发展与现状，可以粗略划 分为两个历史阶段: 第一阶段为美国n o r t h r i d g e 地震和日 本 k o b e地震前， 这一 阶段的研究以保证节点的承载力为重点，主要通过试验研究和理论分析，并结合 震害调查分析，侧重于防止节点屈曲破坏的研究上，提出了保证节点抗震承载力 的设计规定，如地震区梁柱翼缘与腹板宽 ( 高) 厚比的限制，节点板域抗震验算 等。这一阶段的试验研究在初期主要以足尺试件为主，到后来由于高层钢结构的 迅猛发展，结构件向大型、重型发展，使得足尺试验不易进行，相应的足尺试验 进行的较少。 研究的第二阶段为美国n o rt h r i d g e 地震和日 本k o b e 地震后，这两次地震造成 钢结构节点意想不到的以前未曾出现的大量脆性破坏，从而改变了结构工程界对 这种节点的认识，为探讨梁柱节点脆性破坏机理，改善节点的抗震性能，寻求新 型节点构造型式，大批国内外的学者开始了广泛深入的研究工作，从而掀起了钢 结构节点抗震性能研究的高潮3 3 由于在上述两次地震中，钢结构节点的破坏以脆性断裂为明显特征，所以随 之开展的研究工作初期以震害分析、损伤评价、工程加固措施研究为重点，随后 转向 节点抗震延性研究、节点断裂机理研究、节点在低周往复荷载作用下滞回 特 性研究和节点地震累积损伤研究等方面。新型抗震节点构造型式的研究也是这一 阶段的研究重点。 目前，国内外的研究者己经取得了大量的研究成果，丰富了钢结构节点抗震 性能研究的知识，为完善钢结构节点抗震设计理论与计算方法提供了大量丰富的 背景知识，但仍有许多问题未能解决，进一步的研究正在进行中。 天津大学博士学位论文 高层钢结构中普遍采用钢一混凝土组合楼盖，组合楼盖的存在，加大了梁的 刚度和强度，增大了底梁翼缘的应力，降低了梁的弯曲延性。目前设计中通常不 考虑组合楼盖的增强作用， 这使得按 “ 强柱弱梁”抗震设计原则设计的梁柱节点 与实际受力状态的梁柱节点具有较大的区别，即“ 强柱弱梁”的设计概念较难完 全实现。 1 . 5 钢结构梁柱节点抗震性能的研究现状 钢结构节点抗震性能的研究，伴随着高层钢结构的发展与应用，一直受到各 国工程界的重视。回顾高层钢结构节点抗震性能研究的发展与现状，可以粗略划 分为两个历史阶段: 第一阶段为美国n o r t h r i d g e 地震和日 本 k o b e地震前， 这一 阶段的研究以保证节点的承载力为重点，主要通过试验研究和理论分析，并结合 震害调查分析，侧重于防止节点屈曲破坏的研究上，提出了保证节点抗震承载力 的设计规定，如地震区梁柱翼缘与腹板宽 ( 高) 厚比的限制，节点板域抗震验算 等。这一阶段的试验研究在初期主要以足尺试件为主，到后来由于高层钢结构的 迅猛发展，结构件向大型、重型发展，使得足尺试验不易进行，相应的足尺试验 进行的较少。 研究的第二阶段为美国n o rt h r i d g e 地震和日 本k o b e 地震后，这两次地震造成 钢结构节点意想不到的以前未曾出现的大量脆性破坏，从而改变了结构工程界对 这种节点的认识，为探讨梁柱节点脆性破坏机理，改善节点的抗震性能，寻求新 型节点构造型式，大批国内外的学者开始了广泛深入的研究工作，从而掀起了钢 结构节点抗震性能研究的高潮3 3 由于在上述两次地震中，钢结构节点的破坏以脆性断裂为明显特征，所以随 之开展的研究工作初期以震害分析、损伤评价、工程加固措施研究为重点，随后 转向 节点抗震延性研究、节点断裂机理研究、节点在低周往复荷载作用下滞回 特 性研究和节点地震累积损伤研究等方面。新型抗震节点构造型式的研究也是这一 阶段的研究重点。 目前，国内外的研究者己经取得了大量的研究成果，丰富了钢结构节点抗震 性能研究的知识，为完善钢结构节点抗震设计理论与计算方法提供了大量丰富的 背景知识，但仍有许多问题未能解决，进一步的研究正在进行中。 第一章 绪论 1 . 5 . 1 国外研究现状 目前欧美和日本等国家进行高层钢结构节点的抗震研究工作主要依靠试验手 段，并且采用有限元的方法进行辅助研究。 美国联邦应急管理局f e ma ( t h e u . s . f e d e r a l e m e r g e n c y m a n a g e m e n t a g e n c y ) 发 起一 项 长 达4 年的 项目 研究 发 展 钢框 架结构的检查、评估、修复、加固及建造施工方面的经济、有效的措