多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)_劉其祥

1、多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)劉其祥蔡益燕朱知信顧泰昌(中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所北京100044)[提要]以實(shí)際算例分析了在美國(guó)北嶺地震和日本阪神地震中數(shù)百幢多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)受到嚴(yán)重破壞的根本原因提出在鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)中必須遵守的兩個(gè)基本原則同時(shí)還推薦了幾種具有良好抗震性能的梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)。[關(guān)鍵詞]梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)常用設(shè)計(jì)法栓焊連接強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件延性Thedamageofcolumnbeamrigid

2、ityjointsinhundredsofmultistyhighsteelbuildingsintheNthridgeearthquaketheHanshenearthquakeisanalyzedbyacalculatingexample.Thestrongjointprincipleswhichmustbecompliedwithinaseismaticdesignarepresented.Theauthsalsorecommen

3、dsomekindsofcolumnbeamjointswhichhavegoodaseismaticacteristicssuchasweldingslabsontheflangesinthebeamsendwideningthewidthoftheflangesinthebeamsendheighteningtheheightofthebeaminitsend.Keywds:columnbeamrigidityjointsboltw

4、eldconnectiongeneraldesignmethodductility一、概述梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)在多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位。特別是在1994年美國(guó)北嶺地震和1995年日本阪神地震中數(shù)百幢多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋的梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)受到嚴(yán)重破壞引起了世人的極大關(guān)注。近年來(lái)國(guó)內(nèi)不少刊物均對(duì)上述地震中的破壞現(xiàn)象作了報(bào)導(dǎo)和多方面的分析。在諸多文章中忽略了造成破壞的一個(gè)致命的原因:就是在設(shè)計(jì)中尤其是在等截面梁與柱的栓焊連接節(jié)點(diǎn)

5、中在沒(méi)有任何加強(qiáng)連接構(gòu)造措施的情況下不恰當(dāng)?shù)夭捎昧怂^“常用設(shè)計(jì)法”即翼緣連接承受全部作用彎矩梁腹板只承受全部作用剪力的假定(見(jiàn)文獻(xiàn)[5]第6—50條)。筆者的這一論點(diǎn)可從下面的事實(shí)中得以證明。1.從許多刊物介紹的節(jié)點(diǎn)圖中(包括以前由國(guó)外設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)建成的一些高層房屋鋼結(jié)構(gòu)工程)梁端翼緣為工地全熔透的坡口對(duì)接焊腹板只有一列(或兩列)單剪受力的摩擦型高強(qiáng)度螺栓在連接處的翼緣板也無(wú)任何加強(qiáng)措施。由此就可以得出其連接只考慮了受剪而沒(méi)有考慮受彎的這

6、個(gè)結(jié)論。筆者經(jīng)過(guò)對(duì)常用截面的系列計(jì)算發(fā)現(xiàn)即使在非抗震結(jié)構(gòu)中當(dāng)抗側(cè)移框架梁為常用的工字形截面強(qiáng)度等級(jí)為Q345腹板按常用的螺栓單剪連接方式假定梁端作用的彎矩設(shè)計(jì)值為梁截面所能承受最大彎矩設(shè)計(jì)值的0.95倍其腹板連接的作用彎矩按腹板扣除螺栓孔后的凈截面慣性矩與梁的凈截面慣性矩之比進(jìn)行分配腹板連接的作用剪力按腹板所能承受的最大剪力的12(參照文獻(xiàn)[1]第8.5.2條的規(guī)定取剪力的下限值)來(lái)進(jìn)行計(jì)算并按3倍螺栓孔徑間距排列一般都需要4列M20(

7、或M20以上)10.9級(jí)的摩擦型高強(qiáng)度螺栓且連接板和梁腹板在連接處的摩擦系數(shù)還必須要達(dá)到k=0.55即表面處理須采用噴砂或噴砂后生赤銹才能滿足要求(詳見(jiàn)文后附錄)。何況在抗震的連接中要求連接的抗力必須高于梁截面的最大抗力而腹板連接卻只布置了一列(或兩列)單剪受力的螺栓這顯然是很不夠的。在常用的工字形截面梁中當(dāng)處于彈性階段時(shí)通常翼緣承受全截面抗彎承載力的80%～85%。腹板承受全截面抗彎承載力的15%～20%。這對(duì)于通常翼緣采用焊接、腹板

8、采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接的梁柱節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)翼緣對(duì)接焊縫所能承受的彎矩最多也只能與翼緣等強(qiáng)。如果腹板連接不考慮這15%～20%的彎矩則其連接的抗彎承載力就只有框架橫梁抗彎承載力的80%～85%。如果再將因高空施焊條件較差、焊縫存在某些缺陷以及焊接殘余應(yīng)力等不利因素考慮在內(nèi)(按文獻(xiàn)[2]第3.2.2條的規(guī)定其焊縫強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值尚應(yīng)乘以0.9的折減系數(shù))則其連接的抗彎承載力很可能只有框架橫梁抗彎承載能力的70%到75%。這就違背了在抗震設(shè)計(jì)中必須遵

9、守“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的基本原則相反成了“弱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)桿件”。所以這種用“常用設(shè)計(jì)法”設(shè)計(jì)出來(lái)的梁柱連接節(jié)點(diǎn)在較大地震作用下就必然使框架梁在還沒(méi)有塑性發(fā)展之前由于梁端連接抗力大大低于梁截面的抗力而首先使連接焊縫開(kāi)裂發(fā)生脆性破壞。這正是造成在美國(guó)北嶺大地震中一百多幢鋼結(jié)構(gòu)房屋梁端焊縫開(kāi)裂的主要原因。2.在阪神地震中凡是梁端與柱的連接采用帶懸臂梁段的全焊接連接的多高層鋼結(jié)構(gòu)房屋雖然在連接處也發(fā)生了焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象但卻在緊挨焊接處9第31卷第8期建筑結(jié)構(gòu)

10、2001年8月圖2梁端翼緣加焊楔形蓋板連接相同。腹板的角形焊縫應(yīng)能承受1.25倍由腹板所能承受的最大彎矩設(shè)計(jì)值和地震作用效應(yīng)組合剪力設(shè)計(jì)值在角形焊縫中所產(chǎn)生的合成剪應(yīng)力。(2)根據(jù)文獻(xiàn)[1]對(duì)大震時(shí)梁與柱連接的驗(yàn)算公式可按下式確定楔形蓋板與柱相連的截面面積Mu≥1.2Mp(2)Vu≥1.3Mpln(3)Vu≥1.22MplnVGb(4)式中:Mu為基于極限強(qiáng)度最小值的節(jié)點(diǎn)連接最大受彎承載力全部由局部加大后的翼緣連接來(lái)承擔(dān)Mp為梁構(gòu)件的全

11、塑性受彎承載力Vu為基于極限強(qiáng)度最小值的節(jié)點(diǎn)連接最大受剪承載力僅由腹板的連接來(lái)承擔(dān)ln為梁的凈跨VGb為梁在重力荷載代表值(地震烈度為9度時(shí)高層建筑還應(yīng)該包括豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值)作用下按簡(jiǎn)支梁分析的梁端截面剪力設(shè)計(jì)值。式(4)為筆者附加的一項(xiàng)驗(yàn)算式。①式(2)(3)實(shí)則也是《常用設(shè)計(jì)法》在文獻(xiàn)[1]中的反映但在文獻(xiàn)[1]尚未修訂出版之前只好仍按此規(guī)定進(jìn)行復(fù)核、推導(dǎo)。根據(jù)適用于框架梁的窄翼緣H型鋼國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)(GBT11263—98)經(jīng)統(tǒng)

12、計(jì)其腹板的塑性模量與翼緣的塑性模量之比為0.3～0.4。取Wwp=0.4Wfp則全截面塑性模量可表達(dá)為Wp=WwpWfp=1.4Wfp。設(shè)在翼緣連接處局部加大后的翼緣截面面積為Ax根據(jù)式(2)可列出如下平衡方程式:Wxpfu≥1.21.4Wfpfy(5)Wxp=AxhWfp=Afh(6)對(duì)于Q345鋼fufy=470345=1.362即fu=1.362fy(7)對(duì)于Q235鋼則有fu=1.60fy(8)將式(6)(7)代入式(5)得:1

13、.362Axhfy≥1.68AfhfyAx≥1.68Af1.362≈1.25Af與式(1)計(jì)算得的結(jié)果相同取Ax=1.25Af。將式(6)(8)代入式(5)得:1.60Axhfy≥1.68AfhfyAx≥1.68Af1.60≈1.05Af0.25Af0.3Af0.35Af0.4Af0.45Af0.5Af注:表1附圖與說(shuō)明制表公式:μ=1.25Afhb(1.25AfΔAf)hblx=0.75hb1μ式中1.25Afhb為用翼緣截面面積來(lái)表