1、钢结构梁柱节点破坏原因的探讨第 22 卷第 3 期2006 年 5 月森林工程F,ORESTENGINEERINGVoI_22No.3May,2006钢结构梁柱节点破坏原因的探讨杨海旭 2,王海飙(1.东北林业大学,哈尔滨 150040;2【1】国矿业大学 ,北京 100060)摘要:从焊接质量,塑性铰范围,梁翼缘应力分布 3 个方面阐述钢结构梁柱节点脆性破坏的形态特征,并分析了钢结构梁柱节点发生脆性破坏的原因,且从节点连接强度和采用 3 种新型节点两个方面简要阐述了保证节点强度的措施,为钢结构梁柱设计与研究提供参考.关键词:钢结构;节点;脆性破坏中图分类号:FG404;TU391 文献标识码
2、:A 文章编号:1001006X(2006)030047一 o2TheFailureReasonsofBeamto-colunmConnectionsofSteelConstructlon/YangHaixu(1.NortheastForestryUnlversity.Harbin150040;2.ChinaUniversityofMiningTechnology.,Beijing100060),WangHaibiao(NortheastForestryUniversity,Hmbin150040)Abstrad:Thepaperrecountsthecharacteristicsofbeam
3、to-columnconnectionfailuresofsteelconstructionfromwehtlngquality.scaleofplastichingeandpressuredistributionofbeamflangeandanalyzesthecausesofbrittlefailureoccurrence.Themeasuresofensuringthestrengthoftheconjunctionsm-eexpatiatedfromthetwoaspectsofimprovingthejointstrengthandadoptingnewjolnts,whichwi
4、llprovideareferenceforfurtheldesignandstudyofsteelconstruction.Keywords:steelconstruction;ioint;brittlefailure1 前言近年来,钢结构的应用越发广泛.与其他结构形式相比,建筑钢结构具有卓越的抗震性能,在历次地震中震害较少,经受住考验,很少发生整体破坏和倒塌现象.但是在地震中,钢结构经常会发生局部破坏,如 1994 年 1 月 17 日美国 CaliforniaNorthridge 地震,在钢结构建筑中发生许多局部破坏现象:框架节点的梁柱焊接连接脆性破坏;竖向支撑的整体和局部破坏;柱脚的柱
5、翼缘和柱子底板的破裂以及其锚栓失效.其中,节点破坏最为严重.在 1995 年 1 月 17E1 日本阪神地震中钢结构也发生 l大量的震害现象;如:结构支撑震害;柱身震害;柱脚震害;梁柱连接震害;钢骨混凝土结构的震害j.其中,引起震害的主要原因之一是梁柱节点发生脆性破坏.本文对钢结构梁柱节点在地震中发生脆性破坏的原因进行了分析和探讨.2 钢结构节点脆性破坏的形态与原因2.1 焊接质量引起的梁柱连接破坏收稿日期:20051215作者简介:杨海旭(1973 一),女,辽宁省新人,讲师,中国矿业大学博 j:研究生,主要从事结构机震和地萆稳定的研究和教学工作.在美国 Northridge 地震中梁柱节点
6、最多的断裂主要发生在焊透的对接焊缝连接的梁柱节点上,多为脆性断裂,破坏形式有下列几种:下翼缘焊缝与柱子翼缘完全脱或下翼缘焊缝裂缝一直扩展到柱腹板或梁腹板,这是梁柱节点的主要震害形式;裂缝从下翼缘垫板与柱的连接处向柱翼缘中部扩展,甚至使翼缘劈裂;裂缝穿过柱翼缘向腹板扩展;裂缝从焊趾处向梁腹板扩展.这些破坏形式是由于焊缝质量缺陷使焊接节点发生断裂破坏造成的.在破坏的节点断面上可以观察到熔渣及不完全熔化等现象,这些缺陷是节点脆性破坏的直接原因.而不恰当的焊接 T 艺容易在材料中产生大的焊接残余应力,使热影响区在收缩时产生裂纹,从而造成焊缝的不连续性,这也被认为是梁下翼缘首先出现裂缝的主要原因.2.2
7、 塑性铰范围小引起的整个节点的脆性破坏钢结构抗震设计的基本原则是“强柱弱梁,强节点强锚固“.但是在强调节点强度的同时忽略了节点的延性.在地震作用下梁柱节点处的粱首先屈服,形成延性很好的塑性铰.这段塑性铰区也包括靠近节点处的一小段梁翼缘.尽管钢材具有很好的延性性能,但因为节点处延性较差,凶此会在塑性铰形成前焊缝处的应力就达到了焊缝的破坏应力或是端部翼缘达到粱钢材的极限强度,造成节点的脆48 森林 I 程第 22 卷性破坏_2. 因此在设计时,要保证节点塑性区的长度范围,以使钢材的延性充分发挥.2.3 梁翼缘的应力不均匀分布引起的脆性破坏钢结构连接主要有内隔板式,外隔板式和内外隔板式 3 种,普遍
8、使用第 3 种连接_3J 在大量的地震中,内外隔板式梁柱节点的脆性破坏都是从焊缝端部的焊趾开始.同时,试验表明梁体的翼缘在靠近节点焊缝处的应力分布极其不均匀,在距离柱边一个翼缘宽度以外,应力分布逐渐均匀.根据试验绘制的翼缘应力分布图,靠近焊缝处梁体中轴线处的应力小,边缘的应力大;距离节点焊缝距离越远应力分布越均匀.普通节点在梁端竖向荷载作用下的应力分布图也可以看出粱的翼缘的应力分布,既边缘应力大,中间应力小.梁翼缘处现这种应力分布情况,主要是由于梁腹板对翼缘的嵌固作用导致梁边缘部位的应变小于中轴线的.在地震作用下,由于这种应力分布的不均匀性,梁将首先从边缘进入塑性状态.同时由于钢材的应变硬化效
9、应,在中轴线处梁翼缘达到屈服应力并刚刚形成塑性铰或还没有形成塑性铰之前,边缘处的应力可能已经达到_钢材的极限强度或焊缝的破坏应力,产生裂纹.另外在梁腹板与柱连接处没有竖向加劲肋,由于柱翼缘平面外的弯曲变形使得梁腹板承受的弯矩减小,引起梁翼缘应力增加.因此在塑性变形很小的情况下,节点就发生了破坏.3 防止节点脆性破坏的一般措施3.1 加强节点连接强度(1)对于焊接节点,施工时应按照国家规范的规定,对焊接材料,焊接方法,焊后热处理进行评定;焊接时保证焊缝质量,消除气孑 L,熔渣和未熔合缺陷,一旦有缺陷要及时清除后再焊,避免引起接头强度和延性的下降;且根据受力情况要对焊缝进行必要的强度验算.(2)在
10、地震时因为支座锚栓小而被拉断,螺栓抗剪强度不足被剪断,杆端拉断等造成节点破坏也是震害的主要现象.螺栓连接的施工质量直接影响着整个结构的安全.对于螺栓连接副,一定要按照国家规范在施工前进行检验和复检,合格后才能进行安装施工.3.2 采用新型节点(1)采用狗骨式节点.狗骨式节点是近年来研究最多的一种节点形式,目前已在工程中得到广泛应用.其设计理念足以不显着降低框架的梁强度为前提,对梁翼缘进行适当削弱,在强震的作用下迫使甥性铰在偏离节点根部的位置形成,从而起到保护:点的目的.但是由于这种节点在施工中对梁翼缘施焊时要用到焊接垫板,加之翼缘焊根处常出现未焊透的现象 J,因而在垫板与柱之间会出现“人工裂纹
11、“.这条裂纹往往是强震作用下节点开裂的起点.所以在施工时要充分注意焊接质量_5J.(2)采用托座式节点.托座式节点是一种改进方案,用两个托座分别将梁的上下翼缘和柱翼缘连接起来,而托座与梁翼缘则可通过焊接,铆接或螺栓连接起来.这种:点的担性铰出现在梁上,比普通的焊接节点表现出更好的延性,但工程造价相对较高.(3)采用铸钢节点.铸钢节点是根据钢管直接汇交而成的形状制模经浇铸成型的节点,整体性和强度均得到增强.铸钢节点与相连钢管需要现场组对,焊接,每一个铸钢节点的安装精度都直接影响到与之相连的钢管的安装和与另一头相连的铸钢节点,因此安装过程中的累计误差控制至关重要 J4 结束语从以的分析町以看到,建
12、筑钢结构的节点脆性破坏是可以避免的.而为了防治地震中出现的梁柱节点脆性破坏现象,研究人员对节点的设计也作了较大的改进,其目的就足使节点具有更好的延性和强度.在今后的设计和施工中,还应加强节点的构造措施,同时保证施工质量,确保建筑钢结构的抗震安全性能.【参考文献】1黄炳生.日本神户地震 ?“建筑钢结构的震害及启示 【J.建筑结构 2()(,.30(9):4555.2易 民.高层建筑偏心支撑钢框架结构抗震性能和设计参数研究D.北京:中国建筑科学研究院,2000.3刘清 ,张令心.建筑钢结构震害及其原A.现代地震工程进展C. 上海:济大学,2002:171176.4J 砸惠清 .上 l 术一 r:程施 J 技术MI 一海:同济大学出版社,2003.5铮 I 结构结卡句工崔施 T 质量验收规范s.北京 :巾闰建筑工业出版社,2002.16jll】囤钢结卡句协会.建筑钢结构施 I 手册M.北京:-llf 计划 f 士 版社,2002.责任编辑: 杨学春
