钢框架梁柱新型节点的研究进展与应用现状★

马洪伟　陈亚科　戴　顺

(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州　225127)



·结构·抗震·

钢框架梁柱新型节点的研究进展与应用现状★

马洪伟陈亚科戴顺

(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州225127)

以美国北岭与日本阪神地震案例为背景，阐述了两次地震导致梁柱节点破坏的原因，基于塑性铰外移的思想，对加强型和削弱型两种新型节点进行了探究，最后结合我国规范，论述了钢框架梁柱新型节点的发展与应用现状。

钢框架，节点，塑性铰外移，抗震性能

0　引言

在过去的几十年间，焊接抗弯钢框架结构WSMF(Welded Steel Moment Resistant Frames)是最流行的结构形式之一[1]。人们认为这一传统的钢框架梁柱节点能够基于钢材的延性，在强震作用下可以表现出良好的抗震性能。但是在1994年、1995年分别发生在美国北岭(Northridge)的里氏6.6级地震、日本阪神(Kobe)的里氏7.3级地震中，钢框架结构建筑在梁柱节点的梁端下翼缘焊缝处却产生了诸多朝柱翼缘和梁腹板处延伸发展的脆性裂纹，导致节点全面断裂，如图1所示。

1　节点破坏原因分析

美国北岭地震中有100多幢[2]钢框架结构建筑遭到破坏，为了弄清楚破坏的原因，美国联邦突发事件管理局FEMA(the U.S.Federal Emergency Management Agency)等研究机构进行了大量的现场调查和试验研究，进行结构响应分析、数值模拟等，得到该类型节点在地震作用下破坏的几个主要原因。

1.1节点处具有较为集中的应力

在常规的受力状态，梁端部的弯矩M和剪力V必须通过梁柱节点连接处的焊缝和梁与柱连接用的剪力板传递给柱，但在这些部位的截面面积和弹性模量通常都小于被连接的梁，故焊缝部位就会产生局部过大的应力，导致节点发生脆断[3]。

1.2计算假定与模型分析不合理

计算中假定弯矩M和剪力V分别由梁翼缘及梁腹板承担。但通过实际的受力分析会发现，梁柱翼缘处会产生较大的弯曲和变形，致使梁翼缘同时要承受弯矩和剪力。同时在常规模型试验中，试件通常采用缩尺模型，这样往往导致试验结果不能全面反映出结构的真实性[4]。

1.3焊条抗冲击性能低

在20世纪60年代中期，钢结构建筑焊接连接时多采用自屏蔽药芯焊条，该焊条的最小抗拉强度为480 MPa，且对抗冲击韧性无明确要求。从实际破坏的结构中取出的连接试件在室温下进行试验发现，其抗冲击韧性只有10 J～15 J，这样低的抗冲击韧性在地震瞬间作用下极易发生脆性破坏，是引发节点脆断的重要因素[1]。

1.4其他因素

除了上述原因之外，现场施工焊接质量、节点的形式、高应变率以及柱节点域过大的剪切屈服和变形等这些潜在的影响也容易导致节点发生脆性破坏。

2　基于塑性铰外移的新型延性节点

在调查和分析Northridge地震和Kobe地震导致大量钢框架建筑破坏原因的基础上，世界各国学者总结出多种改良节点的途径，主要集中在以下几个方面：

1)将梁端部塑性铰的位置外移；

2)将梁腹板扇形切角构造改进；

3)将梁腹板与柱翼缘直接焊接；

4)选用高冲击韧性的焊条。

通过大量的试验数据比对和理论分析探究，大多数学者认为将梁端部塑性铰外移可较为有效地解决节点发生脆性破坏的问题。国内外学者基于将塑性铰外移的思想，近年来研究成果主要集中于加强型和削弱型两种新型节点。

2.1加强型节点

加强型节点的工作原理是通过加大梁柱节点连接处梁翼缘断面面积来增大节点的抗弯承载能力，使得非焊缝区的应力大于焊缝以及焊缝区域断面处的应力，使得在远离梁端截面M/Mu值最大处产生塑性铰，以达到塑性铰外移的目的[5]。其设计原理如图2所示，加强型节点塑性铰区域示意图如图3所示。

加强型节点主要包括梁端翼缘扩翼式、翼缘侧板加强式、翼缘板式、翼缘盖板式及翼缘加肋式和翼缘加腋式等加强形式，如图4所示。该类型节点在地震时，可以有效地实现塑性铰外移，较大的提高节点的承载能力和延性性能。

Richard J等[6]对梁端扩翼式节点进行了6个足尺试件的低周往复加载试验，并进行有限元分析，其结果表明，该类型节点可以提高梁柱节点的承载能力和韧性，增加梁的塑性耗能范围，提高抗震性能。

刘占科[7]参考日本《钢构造接合部设计指针》，结合我国规范提出梁端翼缘侧板加强式梁柱连接的设计步骤以及“实用算法”，并对4个1/2缩尺T型模型试件进行伪静力试验研究。结果表明，这种连接形式的节点，其强度和刚度较好，但变形能力稍差，只能刚好达到国外抗震规范对特殊抗弯钢框架塑性转动能力的要求。

2.2削弱型节点

削弱型节点的设计原理是对距离节点一定距离的梁翼缘或者梁腹板进行切割，使得切割后区域的梁截面抵抗弯矩等于该区域截面地震时的作用弯矩。在削弱区各截面的M/Mu值大小相等且比梁上其他截面的M/Mu值大[5]，可使削弱区首先出现塑性铰。其设计原理如图5所示，削弱型节点塑性铰区域如图6所示。

削弱型节点主要包括梁端翼缘圆弧削弱式、翼缘直线削弱式、梁腹板开孔式和梁腹板切缝式等削弱形式，如图7所示。这种类型的节点在梁翼缘或者梁腹板被削弱后，虽然节点的承载能力会有所下降，但是其塑性转动和耗能能力得到了更好的发展。

Sheng-Jin Chen等[8]对五个梁翼缘削弱尺寸不同的节点进行低周往复试验研究。试验结果表明，翼缘削弱型节点的极限强度与普通节点相近，刚度有一定的降低，但塑性转动能力大大提高，可有效缓解节点焊缝处的断裂与应力集中问题。该类型节点又称为RBS(Reduced Beam Section)节点，是近年来各国学者研究的热点。

杨庆山[9]对12个足尺梁腹板开圆孔的钢框架抗震节点试件进行拟静力试验研究，试验结果显示，腹板开孔型梁柱连接节点具备塑性铰外移的能力且增加建筑使用功能两方面的优点。

3　新型延性节点的应用现状

我国GB 50011—2010建筑抗震设计规范[10]中推荐了常用的四种节点类型，即梁端扩大形连接(同图4a))、骨形连接(同图7a))、盖板式连接(图4d)采用矩形盖板，规范则采用楔形盖板)和翼缘板式连接(同图4c))，规范参考美国FEMA-350只给出骨形连接的翼缘构造尺寸和盖板式连接的楔形盖板板宽，其他类型

节点的构造尺寸尚未提及。

在GB 50011—2010建筑抗震设计规范的基础之上，2015年颁布的新版JGJ 99—2015高层民用建筑钢结构技术规程[11]中，新增了梁翼缘局部加宽式连接节点(同图4b))，且给出了其他四种类型节点的详细构造尺寸。

骨形连接形式(RBS)在美国钢框架建筑中已经得到广泛使用，而在日本则普遍采用梁端扩大形连接节点。在我国钢结构建筑，尤其是钢框架住宅建筑甚少，目前仍以混凝土结构为主，故限制了这类新型梁柱节点在我国的应用和发展。

4　结论与展望

钢框架梁柱新型节点在我国并未得到大力推广，其原因在于这种新型节点的设计理论尚未完全成熟，规范中也只是推荐了几种新的节点形式和相对应的构造尺寸。虽然目前许多研究单位和高校对于该领域已经做了一些研究工作，但是这些研究工作还不足以形成设计理论，并指导实际施工。我们可以借鉴发达国家的成功经验，通过大量的试验研究和理论分析，完善设计方法，设计出具有足够可靠度的不同新型节点，这对提高我国钢框架结构建筑的抗震设计具有十分重要的实际意义。

[1]刘洪波，谢礼立，邵永松.钢框架结构的震害及其原因[J].世界地震工程，2006,22(4)：47-51.

[2]李杰，张玉凤，霍立兴，等.梁柱焊接接头的模拟地震循环荷载作用下的有限元分析[J].焊接学报，2002，23(5)：15-18.

[3]张艳霞.钢框架梁柱抗震节点试验研究和有限元分析实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[4]张文元，朱福军.梁端翼缘扩大型钢框架梁柱节点的受力性能分析[J].建筑钢结构进展，2007,9(6)：33-38.

[5]王燕.钢结构新型延性节点的抗震性能设计理论及其应用[M].北京：科学出版社，2012.

[6]Richard J.Coble,Robert L.Blatter Jr..Concerns with safety in design/build process[J].Journal of Architectural Engineering,1999,5(2):44-48.

[7]刘占科.钢结构侧板加强式刚性梁柱连接试验研究[D].西安：西安建筑科技大学硕士学位论文，2006.

[8]Sheng-Jin Chen，C.H.Yeh，J.M.Chu.Ductile steel beam-to-column connections for seismic resistance[J].Journal of Structural Engineering，1996，122(11)：1292-1299.

[9]杨庆山.梁腹板开圆孔的钢框架抗震节点[J].中国安全科学学报，2005，15(2)：45-50.

[10]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[11]JGJ 99—2015，高层民用建筑钢结构技术规程[S].

Research progress and application status of new joints of steel frame beam-to-column★

Ma HongweiChen YakeDai Shun

(College of Civil Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

Based on the earthquakes in Northridge, America and Kobe, Japan, the cause of two-earthquake giving rise to the failure of beam-to-column joints is elaborated. According to the idea concerning shift-away of plastic hinge, the paper investigates two new-type nodes of strengthening as well as weakening property, the final specification in our country, discusses the situation of development and application of new type steel beam-to-column node.

steel frame, node, shift-away of plastic hinge, seismic behavior

1009-6825(2016)25-0030-03

2016-06-26★：住房与城乡建设部基金项目(项目编号：2014-K2-045)

马洪伟(1977- )，男，硕士生导师，讲师；陈亚科(1990- )，男，在读硕士；戴顺(1993- )，男，在读硕士

TU323.5

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