论北岭地震和贩神地震后美日钢框架节点设计的改进
1995年加州大学Popov等所作的试验,再现了节点的脆性破坏,破裂的速度很高, 事前并无延性表现,因此破坏是灾难性的。研究指出,受拉时切口部位应力最大,破坏是三轴应力引起的,表现为脆性破坏,外观无屈服。他们还通过有限元模拟计算,得出最大应力集中系数出现在梁缘焊接衬板连接处中部,破坏时裂缝将从应力集中系数最大的地方开始,此一结论已为试验所证实。研究表明:大多数节点破坏都起源于下部衬板处。引弧板同样也会引发裂缝。
四)梁翼缘坡口焊缝出现的超应力[3]
北岭地震后对震前节点进行的分析表明,当梁发展到塑性弯矩时,梁下翼缘坡口焊缝处会出现超高应力。超应力的出现因素有: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;在供焊条通过的焊接工艺孔处,存着附加集中应力;据观察,有一大部分剪力实际是由翼缘焊缝传递,而不是象通常设计假设的那样由腹板的连接传递。梁翼缘坡口焊缝的应力很高,很可能对节点破坏起了不利影响。Popov[4]采用8节点块体单元有限元模拟分析发现,节点应力分布的最高应力点, 是在梁的翼缘焊缝处和节点板域,节点板域的屈服从中心开始,然后向四周扩散。 岭前进行的大量试验表明,当焊缝不出现裂纹时,节点受力情况也常常不能满足坡口焊缝 近处梁翼缘母材不出现超应力的要求。日本利用震前带有工艺孔的节点,在试验荷载下由 应变仪测得的工艺孔端点翼缘内外的应变分布,应变集中倾向出现在翼缘外侧端部,内侧则在工艺孔端部,最大应变发生在工艺孔端点位置上.应变集中的原因,不仅大于工艺孔 造成的不连续性,还在于工艺孔部分梁腹板负担的一部分剪力由翼缘去承担了,使翼缘和 柱隔板上产生了二阶弯曲应力。这些试验与分析均指出,今后对节点性能的改进,不仅应 改善焊缝,而且还应降低梁翼缘坡口焊缝处的应力水平。
五)其它因素[3]
有很多其它因素也被认为对节点破坏产生潜在影响,包括:梁的屈服应力比规定的最小值高出很多;柱翼缘板在厚度方向的抗拉强度和延性不确定;柱节点域过大的剪切屈服和变形产生不利影响;组合楼板产生负面影响。这些影响因素可能还需要一定时间进行争论, 才能弄清楚。
四.改进节点设计的途径
一)将塑性铰的位置外移[2][3][4]
在北岭地震之前,美国UBC和NEHRP两本法规对节点设计的规定,都是根据在柱 面产生塑性铰的假定提出的。由于在北岭地震中发现梁在柱面并没有产生塑性变性,却出现了裂缝。切口处的破坏是由三轴应力引起的,从而导致了脆性破坏。过去采用的焊接钢 框架节点标准构造,不能提供可靠的非弹性变形。试验表明,其节点转动能力不超过 O.005rad,大大小于SAC建议的最小塑性转动能力0.03rad。另一方面,从受力情况看, 塑性铰出现在柱面附近的梁上,还可能在柱翼缘的材料中引起很大的厚度方向应变,并对 焊缝金属及其周围的热影响区提出较高的塑性变形要求,这些情况也可能导致脆性破坏。 因此,为了取得可靠的性能,最好还是将梁柱连接在构造上使塑性铰外移。将塑性 位置从柱面外移有两种方法,一种是将节点部位局部加强,一种是在离开柱面一定距离处将梁截面局部削弱。钢梁中的塑性铰典型长度约为梁高的一半,当对节点局部加强时,可取塑性铰位置为距加强部分的边缘处梁高的1/3。节点局部加强固然也可使塑性铰外移, 但应十分注意不要因此出现弱柱,有背强柱弱梁的原则。
也有一部分专业技术人员认为,在构造上采取某些措施仍可使塑性铰出现在柱面附近, 这些措施包括限制构件的截面,控制梁柱钢材的有关强度,使母材和焊缝金属有足够的冲击韧性,在节点构件上消除缺口效应等。但是由于没有足够的研究来肯定这些建议,使得这种建议在美国迟迟未能落实。而将塑性铰自柱面外移的建议,试验已表明是可行的和行之有效的。目前,美国对节点局部加强及梁截面减弱,都已提出了若干构造方案。实际上,将梁截面减弱使塑性铰外移的方法,早在北岭地震以前即有学者提 出过,北岭地震后又作了研究,在技术上己较成熟[4] ,从近期在美国盐湖城建造的25层办公 楼中采用的犬骨式(dog-bone)连接,就可以看到它的构造细节。目前,美国虽未提出 今后在抗震框架中推荐采用何种节点形式,但从实际情况看,上述犬骨式连接已成为主导形式[3] 。因它制作方便、省工,由美国公司设计的我国天津国贸大厦钢框架中也已采用了 这种节点形式。
日本阪神地震后,没有象美国采用将塑性铰外移的方案。日本1996年发表的《钢结 构工程技术指针》和1997年发表的《钢结构技术指针》JASS6等,仅提出了钢框架梁柱连接节点的构造改进形式,对节点构造特别是扇形切角工艺孔作了不少规定,目的也是消除可能出现的裂缝,保证结构的非弹性变形。也就是说,日本与美国分别采用了不同的避免脆性破坏的途径。
二)梁冀缘焊缝衬板缺口效应的
在北岭地震前,美国钢框架节点施工中,通常将衬板和引弧板焊接后留在原处,这种做法,如前所述存在缺口效应,会导致开裂,现在则在焊后将下翼缘的衬板和引弧板割除,同时对焊缝进行检查[11] 。正如前面曾指出的,在下翼缘的焊缝中部由于焊条通过切角困难,焊接和探伤操作都要被迫中断,通常存在缺陷,割除衬板后可以目视观察,从而减少在此部位不易查看到的裂纹。衬板和引弧板可用气刨割除后再清根补焊,但费用较高,操作不慎还可能伤及母材。研究表明,衬板也可不去除,而将衬板底面边缘与柱焊接,缺点是无法象去除衬板后能对焊缝进行仔细检查。
由于上翼缘焊缝处衬板的缺口效应不严重,而且它对焊接和超探也没有妨碍,出于费用考虑,割除上翼缘衬板可能不合算,如果将上翼缘衬板边缘用焊缝封闭,试验表明并无 利影响,因此美国现时做法是上翼缘衬板仍然保留并用焊缝封口。
坡口焊缝的引弧板,在上下翼缘处通常都切除,因为引弧和灭弧处通常都有很多缺用气切切除后还需打磨,才能消除潜在的裂缝源。
在消除衬板的缺口效应方面,日本是非常重视的。在阪神地震后发表的技术规定中, 对采用H型钢梁、组合梁,以及采用组合梁时梁预先焊接或与衬板同时装配,不论是否切角,均采用衬板,对其构造包括引弧板,分别作了详细规定。
三)扇形切角构造的改进[8][9]
在日本阪神大地震中,由于扇形切角工艺孔的端部起点存在产生裂缝的危险,是否设置形切角以及如何设置,已成为关系到抗震安全的一项重要问题。日本震后发表的技术规范中,对扇形切角的设置也提出一系列规定,包括不开扇形切角和开扇形切角两大类,并规定扇形切角可采用不同形状;对于柱贯通形和梁贯通形节点分别规定了不同的构造形式。 柱贯通型节点的扇形切角形式有两种,其特点是将扇形切角端部与梁翼缘连接处圆弧半径减小,以便减少应力集中。日本早就研究不设扇形切角以提高梁变形能力的方案, 在最近公布的技术规定中,根据目前的焊接技术水平已将此种方案付诸实施[8][9] 。
四)选用有较高冲击韧性的焊缝[2][6]
如前所述,焊缝冲击韧性不足会引起节点破坏。那么焊缝究竟要有多大的冲击韧性才能防止裂纹出现呢?美国提出,焊缝的恰帕冲击韧性(CVN)最小值取-29℃时27J(相当于 -200F时 20ft-1bs)是合适的,可以发展成为事实上的标准。在最近美国的实际工程中,采用E71T-8型和E70TG-K2型焊条的普通手工焊电弧焊已表明焊缝最小冲击韧性可满足上述要求,而采用E7018型药芯焊条的'贴紧焊'焊缝冲击韧性值更高,但都必须按AWS 规定的焊接和探伤方法操作。
五)将梁腹板与柱焊接[3]
美国SAC在采用犬骨式连接时建议:将以往的腹板栓接改为焊接,用全熔透坡口焊缝 将梁腹板直接焊在柱上或通过较厚连接板焊接。在北岭地震前,就已有很多研究指出腹板焊接比栓接性能好,它能更好地传力,从而减小梁冀缘和翼缘坡口焊缝的应力。日本在阪神 地震前的研究也已指出,梁端腹板用高强度螺栓连接时,与焊接相比抗弯能力变小,塑性变形能力有明显差异,但在日本新规定中尚未看到与美国提出的相类似的要求。
五.美、日节点构造的比较、根据美、日钢框架梁-柱节点构造及震后的改进情况,可以看到下列差异:
1)美国认为梁端不能产生塑性变形,采取了将塑性铰外移的基本对策,提出将节点局部加强或将梁局部削弱的方法,虽然目前尚无定论,但从实际发展情况看,因削弱梁截面 的方法省工、效果好,已在某些工程中采用。但日本却没有采用将塑性铰外移的方法,而是采取在原构造的基础上消除裂缝的病灶的方法。
2)两国都注意到了梁翼缘坡口焊缝的焊接衬板边缘存在的缺口效应所带来的严重后果, 在北岭地震和阪神地震后都采取了相应对策。美国SAC建议,下翼缘焊缝的衬板宜割除, 然后清根补焊;考虑上翼缘焊缝缺陷一般较少,受力条件较有利以及费用等原因,可对衬边缘用焊缝封闭。而日本则对H型钢梁和焊接组合梁(包括梁先焊好和梁与衬板同时装配两种情况)以及节点为柱贯通型或梁贯通型时衬板的设置,作了详细规定。
3)美国在梁腹板端部衬板通过处采用矩形切角(端部呈半圆形),而不象日本采用圆弧形切角,由于腹板受弯矩较大时将连接板与腹板焊接(来自:www.jianzhu518.com),从有关震害情况报导看,没有发现这种形式的切角引发多少裂缝。日本为消除梁端扇形切角端部的应力集中,作出一系列规定,包括不作扇形切角、梁腹板用直线切剖不设扇形切角的方法以及允许采用不同形式的切角等,如在与梁翼缘连接处将曲率半径变小和采用类似美国采用的切角形式。