论北岭地震和贩神地震后美日钢框架节点设计的改进
4)美日两国都规定,节点按翼缘连接受弯矩和腹板连接受剪力的要求设计。美国附加规定了当梁翼缘的受弯承载力小于截面受弯承载力的70%或梁腹板受弯承载力大于截面受弯承载力的30%时,在柱连接板角部应将梁腹板与连接板焊接。日本过去在梁端混合连接中,采用弯矩由翼缘连接承受,剪力由腹板连接承受的设计方法,螺栓一般配置一列。在94年的文献[5]中指出,"现在该处的连接必需满足保有耐力连接的条件,考虑腹板高强螺栓连接也要部分地承受弯矩,要求布置2列到3列,与以前的连接相比,抗弯承载力储备提高了
5)与梁翼缘对应位置的柱加劲肋(美国叫做连续板),日本一贯规定应比对应的梁翼缘 厚度大一级,认为这是关键部位,为此多用一点材料是很值得的。美国过去根据传递梁翼 缘压力的需要确定,考虑一部分内力由柱腹板直接传递,加劲肋厚度显着小于梁翼缘厚度。 而且曾有一些设计规定,例如可取厚度等于梁翼缘厚度的一半。有的文献认为,太厚了可能产生较大残余应力,最好用试验确定。北岭地震中,有些加劲肋屈曲了,有的学者己提出改为与梁翼缘等厚的建议。
6)美国强调焊缝冲击韧性的重要性,规定了节点翼缘焊缝的冲击韧性指标,严格焊接工艺的探伤要求。日本一贯重视焊接质量,还没有看到在这方面有什么新的规定。
7)美国认为,钢材屈服点高出标准值较多是钢框架震害的重要原因之一,这也许在美国特别突出。美国钢材屈服点超过标准值很多,过去就有报导,如低碳钢A36的屈服强度可高达48ksi,抗拉强度可高达701Csi,它使连接实际要求的承载力大大提高,当按设计不能满足时,就要出现破坏。根据美国型钢生产商研究会所作调查和建议,AISC于97年规定将框架连接计算中的强度增大系数由过去的1.2提高到1.5(对A36)和1.3(对A572),其它钢号仍保留1.2,强柱弱梁条件式中柱的抗弯承载力也作了相应提高。
六.我国采取的对策
我国早期的高层建筑钢结构基本上都是国外设计的,我国的设计施工规程是在学习国外先进技术的基础上制订的。由于日本设计的我国高层钢结构建筑较多,我国的设计、 制作和安装人员对日本的钢结构构造方法比较熟悉,设计规定特别是节点设计,大部分是参照日本规定适当考虑我国特点制订的,部分规定吸收了美国的经验。美国北岭地震和日本阪神地震后所发表的报导,对我们有很大启示,在我国抗震规范中对高层钢结构的节点 设计拟提出如下建议:
1)将梁截面局部削弱,可以确保塑性铰外移,这种构造具有优越的抗震性能。根据美国报导,梁翼缘削弱后可将受弯承载力降至0.8Mp,因钢材用量要增多,结合我国情况作为 主要形式推广将难以接受,可将此方案列入了条文说明,必要时可参考采用。
2)参考日本新规定,将混合连接上端扇形切角的上部圆弧半径改为10-15mm,与半径 35mm的切角相接;同时,规定圆弧起点与衬板外侧焊缝间保持10-15mm的间隔,以减小焊接热影响区的相互影响。至于日本采用的不开切角以及直通式不设切角的构造,因为我们没有经验,不敢贸然采用,有持今后对其性能进行验证后再作取舍。
3)在消除衬板的缺口效应方面,考虑割除衬板弄得不好会伤及母材,且费用较高,故采用角焊缝封闭衬板边缘的方法。上翼缘衬板影响较小,暂不作处理。下翼缘衬板边缘建议用6mm角焊缝沿下翼缘全宽封闭。因仰焊施工不便,角焊缝最多只能做到6mm;为了更 好地消除缺口效应,应要求焊沿翼缘全宽满焊。
4)在翼缘焊接腹板栓接的混合连接中,按照弯矩仅由翼缘连接承受和剪力仅由腹板连接承受的原则设计时,在某些情况下是不安全的,因为当腹板的截面模量较大时,腹板要承受一部分弯矩。抗震规范修订草案除规定腹板螺栓连接应能承受梁端屈服时的剪力外, 还规定当梁翼缘截面模量小于梁截面模量70%时,腹板螺栓不得少于2列,每列的螺栓数不得少于采用一列时的数量。
5)我国在梁翼缘对应位置设置的柱加劲肋,从一开始就注意到了日本的经验,规定了与梁翼缘等厚,北岭地震表明这样规定是适合的。
6)翼缘焊缝的冲击韧性要满足-30℃时27J的要求,这种试验我国过去没有做过,对于我国钢结构制作单位是否可以做到,需待调查后再确定是否列入。
这时要附带说明,美国SAC的有关规定是适用于美国3、4类地区,大体相当于7度强、8、9度地区,我国6度地区可适当放宽。
参考:
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3.M.D.Engelhardt and t.A.Sabot,Seismic-resistant steel moment connect ions:deVelopment since the l994 Northridge earthquake,Construction Research Communicatons Limited,1997 ISSN,1365-0556
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5.A.Whittaker,A.Gilani,V Bertero,Evaluation of Pre-Northridge steel moment-resisting frame joints,The Strctural design of tall Buildings,7,1998,263-283
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10.吴志超,框架梁刚性连接焊接节点,钢结构,1997,3
11. B.S.Taranath,Steel,Concrete,composite Design of tall Buildings,second edition,McGraw-Hill,965-975
12.蔡益燕,美国钢框架节点抗震设计研究动向,高层建筑抗震技术交流会论文集,1997.11.9-11.12 P187-196,广东·珠海,中国抗震防灾研究会·高层建筑抗震专业委员会