高层钢结构梁柱刚性连接节点抗震设计

高层钢结构梁柱刚性连接节点抗震设计

一、腹板连接的作用剪力的计算梁-柱连接节点在多高层房屋的钢结构施工中发挥着非常重要的作用。特别是在1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震中,数百幢多高层钢结构房屋的梁柱刚性连接节点受到严重破坏,引起了世人的极大关注。近年来,国内不少刊物均对上述地震中的破坏现象作了报导和多方面的分析。在诸多文章中,忽略了造成破坏的一个致命的原因:就是在设计中,尤其是在等截面梁与柱的栓焊连接节点中,在没有任何加强连接构造措施的情况下,不恰当地采用了所谓“常用设计法”,即翼缘连接承受全部作用弯矩,梁腹板只承受全部作用剪力的假定(见文献第6—50条)。笔者的这一论点可从下面的事实中得以证明。1.从许多刊物介绍的节点图中(包括以前由国外设计国内建成的一些高层房屋钢结构工程),梁端翼缘为工地全熔透的坡口对接焊,腹板只有一列(或两列)单剪受力的摩擦型高强度螺栓,在连接处的翼缘板也无任何加强措施。由此就可以得出其连接只考虑了受剪而没有考虑受弯的这个结论。笔者经过对常用截面的系列计算发现,即使在非抗震结构中,当抗侧移框架梁为常用的工字形截面,强度等级为Q345,腹板按常用的螺栓单剪连接方式,假定梁端作用的弯矩设计值为梁截面所能承受最大弯矩设计值的0.95倍,其腹板连接的作用弯矩按腹板扣除螺栓孔后的净截面惯性矩与梁的净截面惯性矩之比进行分配,腹板连接的作用剪力按腹板所能承受的最大剪力的1/2(参照文献第8.5.2条的规定取剪力的下限值)来进行计算,并按3倍螺栓孔径间距排列,一般都需要4列M20(或M20以上),10.9级的摩擦型高强度螺栓,且连接板和梁腹板在连接处的摩擦系数还必须要达到k=0.55,即表面处理须采用喷砂或喷砂后生赤锈才能满足要求(详见文后附录)。何况在抗震的连接中,要求连接的抗力必须高于梁截面的最大抗力,而腹板连接却只布置了一列(或两列)单剪受力的螺栓,这显然是很不够的。在常用的工字形截面梁中,当处于弹性阶段时,通常翼缘承受全截面抗弯承载力的80%～85%。腹板承受全截面抗弯承载力的15%～20%。这对于通常翼缘采用焊接、腹板采用摩擦型高强度螺栓连接的梁柱节点来说,翼缘对接焊缝所能承受的弯矩最多也只能与翼缘等强。如果腹板连接不考虑这15%～20%的弯矩,则其连接的抗弯承载力就只有框架横梁抗弯承载力的80%～85%。如果再将因高空施焊条件较差、焊缝存在某些缺陷以及焊接残余应力等不利因素考虑在内(按文献第3.2.2条的规定,其焊缝强度的设计值尚应乘以0.9的折减系数),则其连接的抗弯承载力很可能只有框架横梁抗弯承载能力的70%到75%。这就违背了在抗震设计中,必须遵守“强节点弱杆件”的基本原则,相反成了“弱节点强杆件”。所以这种用“常用设计法”设计出来的梁-柱连接节点,在较大地震作用下,就必然使框架梁在还没有塑性发展之前,由于梁端连接抗力大大低于梁截面的抗力而首先使连接焊缝开裂发生脆性破坏。这正是造成在美国北岭大地震中一百多幢钢结构房屋梁端焊缝开裂的主要原因。2.在阪神地震中,凡是梁端与柱的连接采用带悬臂梁段的全焊接连接的多高层钢结构房屋,虽然在连接处也发生了焊缝开裂现象,但却在紧挨焊接处的框架梁上出现了明显的塑性变形。这也正是由于梁端翼缘和腹板全都是焊接,其连接的抗弯能力基本上等于或只是略低于梁的全截面抗弯能力的结果。3.近几年,我国台湾、美国都先后采用了一种狗骨式的梁柱刚性连接节点。在靠近柱边的等截面钢梁上,将其上、下翼缘沿梁的纵向对称于腹板进行圆弧切割,其翼缘的切除宽度约为40%(切除要小心,圆弧切割面要光滑);梁腹板与柱翼缘之间用角焊缝代替通常的螺栓连接;上下翼缘的全熔透坡口焊缝要消除焊口,用引弧板;下翼缘焊接衬板要割除,割除后,焊根用焊缝补焊;上翼缘衬板焊后保留,用焊缝封闭;柱翼缘加劲板与梁翼缘等厚,等等。如图1所示。试验表明这种狗骨式的刚性连接节点,在反复荷载作用下其滞回曲线呈稳定而丰满的纺锤形,具有很好的延性。究其原因,是因为在等截面梁中,梁端与柱刚性连接的抗弯能力小于梁截面的抗弯能力,采用削弱梁截面的方式来降低梁截面的抗弯能力,相对而言,等于提高了连接的抗弯能力,使相互之间的强弱关系发生了相反的转化,保证了框架梁在水平地震作用下,不会首先在连接处破坏而使节点具有很好的延性。根据以上三种不同的节点作法,所得到三种截然不同的抗震结果,就不难得出这样一个结论:在抗震结构中,只有不折不扣地做到了“强节点弱杆件”这一基本要求,才能充分发挥钢结构具有良好延性的优势。二、节点连接基本原则要实现强节点弱杆件的目标,就必须在梁-柱连接节点设计中,不仅要对罕遇地震时节点的极限承载力进行计算,而且更应该对在常遇地震时弹性设计阶段的节点承载力进行计算(在此强调这一点是因为在文献中对此没有明文规定)。此外,在设计中还必须遵守以下两个基本原则:1.在弹性阶段,梁柱连接处的抗弯能力必须大于框架梁的抗弯能力,并使二者之比≥k(k为连接承载力抗震调整系数与框架梁承载力抗震调整系数之比)。防止受大震作用时因梁柱连接处可能存在的某些缺陷导致框架横梁在尚未出现塑性铰之前,节点连接就过早地发生脆性破坏。2.在满足基本原则1后,在弹塑性阶段,塑性铰必然将离开柱面向外移,为此在弹性设计阶段就应预测并人为控制塑性铰的位置,使该位置梁截面最外纤维的最大弯曲应力高于梁柱连接处焊缝的最大弯曲应力,以便在大震时促使框架梁在可能出现塑性铰的部位,其翼缘在高应力下首先屈服,产生塑性变形,形成塑性铰,以达到耗散地震能量的目的。为了实现以上两个基本原则,就必须排除在常规的等截面梁上未经任何加强或削弱就直接与柱连接的作法(不论是全焊接连接还是栓焊混合连接)。在构造上必须打破常规,采取一些改进措施来满足上述要求。三、局部加大梁截面改进框架节点设计的措施除了采用狗骨式连接节点外,也可采用与狗骨式节点相似的原理,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(如图2～4所示),以加大其连接的抗弯承载力,同样也可达到节点具有很好延性的目的。图2～4的这些作法,不但与狗骨式有异曲同工之妙,而且更优于狗骨式,因为狗骨式是以削弱梁的翼缘截面来降低梁的承载力作为代价,换取在大震时梁的塑性发展,使节点具有很好的延性。而图2～4是在不降低梁的承载力的前提下同样可得到在大震时梁的塑性发展,使节点具有很好的延性。1.梁端全截面塑性模量与钢质结构(1)根据基本原则1,确定楔形盖板与柱连接处的截面面积及其连接的计算方法(图2)。根据文献的规定:节点焊缝的γRE=1.0,节点螺栓的γRE=0.9;框架梁的γRE=0.8,故应分别按下列两种不同情况确定盖板的截面面积:①翼缘与柱为完全熔透的工地对接焊、腹板为摩擦型高强度螺栓连接梁翼缘加上盖板后在焊接处的截面面积(亦即对接焊缝的截面面积)应大于或等于未加盖板时翼缘截面面积的k=1/0.8=1.25倍。即Ax=kAf=1.25Af(1)腹板的高强度螺栓应能承受0.9/0.8=1.125倍由腹板所能承受的最大弯矩设计值和地震作用效应组合剪力设计值在螺栓中所产生的合成剪力。②梁翼缘和腹板与柱为工地焊接,包括采用悬臂式短梁的工厂焊接(翼缘为完全熔透的对接焊,腹板为双面角形焊缝)梁翼缘加上盖板后在焊接处的截面面积与式(1)相同。腹板的角形焊缝,应能承受1.25倍由腹板所能承受的最大弯矩设计值和地震作用效应组合剪力设计值在角形焊缝中所产生的合成剪应力。(2)根据文献对大震时,梁与柱连接的验算公式可按下式确定楔形盖板与柱相连的截面面积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为基于极限强度最小值的节点连接最大受弯承载力,全部由局部加大后的翼缘连接来承担;Mp为梁构件的全塑性受弯承载力;Vu为基于极限强度最小值的节点连接最大受剪承载力,仅由腹板的连接来承担;ln为梁的净跨;VGb为梁在重力荷载代表值(地震烈度为9度时高层建筑还应该包括竖向地震作用标准值)作用下按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。式(4)为笔者附加的一项验算式。①式(2),(3)实则也是《常用设计法》在文献中的反映,但在文献尚未修订出版之前,只好仍按此规定进行复核、推导。根据适用于框架梁的窄翼缘H型钢国家推荐标准(GB/T11263—98),经统计其腹板的塑性模量与翼缘的塑性模量之比为0.3～0.4。取Wwp=0.4Wfp,则全截面塑性模量可表达为Wp=Wwp+Wfp=1.4Wfp。设在翼缘连接处局部加大后的翼缘截面面积为Ax,根据式(2)可列出如下平衡方程式:Wxpfu≥1.2×1.4Wfpfy(5)Wxp=Axh,Wfp=Afh(6)对于Q345钢fu/fy=470/345=1.362,即fu=1.362fy(7)对于Q235钢则有fu=1.60fy(8)将式(6),(7)代入式(5)得:1.362Axhfy≥1.68AfhfyAx≥1.68Af/1.362≈1.25Af与式(1)计算得的结果相同,取Ax=1.25Af。将式(6),(8)代入式(5)得:1.60Axhfy≥1.68AfhfyAx≥1.68Af/1.60≈1.05Af<1.25Af取Ax=1.25Af。②为了满足式(3)或式(4)的要求,笔者经过系列计算证明,在用高强度螺栓连接的腹板中,只要螺栓满足了弹性设计阶段的受力要求,就能满足弹塑性设计阶段即式(3)或(4)的受力要求。这是因为在式(3)或式(4)中,未包含腹板塑性弯矩在螺栓中产生的内力,从而比弹性阶段在螺栓中所产生的内力要小很多。(3)根据梁上组合弯矩图的反弯点确定楔形盖板的截面尺寸。具体步骤为:①确定塑性铰的位置由于框架梁在楼面竖向荷载和水平地震组合作用下,负弯矩图形接近一条直线向跨内倾斜,梁端弯矩值最大,离开梁端弯矩值急剧减小。为了满足基本原则2的要求,应将楔形盖板的长度尽可能地缩短,笔者建议取0.3hb和不小于180mm(即约为腹板连接板的宽度),由此可得出从柱边到塑性铰中心点的尺寸约为0.75hb(参考狗骨式连接翼缘上的弧形切割长度,取塑性铰塑性区域在梁翼缘上的长度为0.9hb,hb为钢梁的高度)。②确定楔形盖板的截面面积塑性铰的位置确定后,就可根据梁上组合弯矩图反弯点距柱边的距离lx(计算简图参见表1),选出不制表公式∶μ=1.25Afhb(1.25Af+ΔAf)hblx=0.75hb1-μ式中1.25Afhb为用翼缘截面面积来表达的常用钢梁规格的全截面弹性抵抗矩。同楔形盖板在梁柱连接处的截面面积ΔAf,以保证人为控制塑性铰处在弹性阶段的弯曲应力高于梁柱连接处的弯曲应力。根据以上三种不同计算准则确定出的楔形盖板与柱相连的不同截面面积,可得出如下结论:楔形盖板的截面尺寸主要由基本原则2所决定,腹板连接主要由基本原则1所控制。当反弯点小于表1中的2.6hb时,为了避免楔形盖板的截面面积在梁端加得过大,最好在梁端加楔形盖板和在塑性铰处仿“狗骨式”适当削弱梁翼缘相结合的办法来处理。2.带悬臂式短梁的加强板截面面积梁端翼缘局部加宽(图3)只是将图2中的加强板与梁的翼缘板设于同一个平面内,所以其加强板所需的截面面积与图2所加楔形盖板的计算方法相同。在图2中也可采用如图