江卓林

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0 引言

鋼結(jié)構(gòu)因?yàn)樗p質(zhì)高強(qiáng)的特質(zhì)在一些大跨度，超高層的結(jié)構(gòu)中運(yùn)用廣泛，而在地震區(qū)去，需要房建結(jié)構(gòu)擁有良好的延性從而滿足要求。

學(xué)者們通過對于之前的處于震害的房屋進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)倒塌的房屋在梁柱節(jié)點(diǎn)部分并未出現(xiàn)連接破壞，更多的是發(fā)生在焊縫處發(fā)生的脆性破壞。針對這一特點(diǎn)，對于鋼框架節(jié)點(diǎn)的研究便形成了如何將脆性破壞轉(zhuǎn)換成延性破壞。其長期研究形成以下兩個(gè)方面：一方面是通過對節(jié)點(diǎn)的局部構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，這是從研究材料微觀機(jī)理的層面開展，其主要研究方向是對斷裂力學(xué)的裂紋進(jìn)行研究。另一方面是利用控制塑性鉸位置來改善鋼框架結(jié)構(gòu)延性的做法，通常的做法有加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)和削弱型節(jié)點(diǎn)。而在設(shè)計(jì)構(gòu)造中主要也是考慮塑性鉸外移的特點(diǎn)，本文也是探討這一領(lǐng)域的問題。

1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1.1 “削弱型”構(gòu)造形式

顧名思義，這種節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式就是對梁端節(jié)點(diǎn)附近的梁端進(jìn)行局部削弱，常見的形式主要是“狗骨式”和”開孔式”。狗骨式節(jié)點(diǎn)一般是對節(jié)點(diǎn)處梁端翼緣進(jìn)行局部削弱，開孔式節(jié)點(diǎn)則是在梁腹板處進(jìn)行開孔處理，開孔處理的方式還可以方便管線穿越，增強(qiáng)了其使用性能。

1.2 “加強(qiáng)型”構(gòu)造形式

加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施，主要是對于翼緣進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，比如加蓋板，闊寬翼緣，加肋板等措施，其主要目的是加強(qiáng)局部節(jié)點(diǎn)的承載力，迫使塑性鉸外移。

1.3 構(gòu)造原理

以上的兩個(gè)主要節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原理均是以塑性鉸外移，從而保護(hù)節(jié)點(diǎn)連接處的受力性能。不同的時(shí)，“加強(qiáng)型”節(jié)點(diǎn)是以加大節(jié)點(diǎn)附近的承載力來迫使塑性鉸產(chǎn)生外移，而“削弱型”節(jié)點(diǎn)是通過在距離梁柱節(jié)點(diǎn)處一定距離的位置對于梁腹板或梁翼緣進(jìn)行削弱從而能使得局部承載力降低，達(dá)到塑性鉸外移的效果。

這兩種節(jié)點(diǎn)其本質(zhì)是都是通過節(jié)點(diǎn)區(qū)域的構(gòu)造措施，使得塑性鉸外移，不過兩者節(jié)點(diǎn)各有利弊，加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的延性會(huì)因?yàn)樯w板的加強(qiáng)，受到減小，削弱型節(jié)點(diǎn)的承載力會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的削弱程度增加而下降。

2 研究進(jìn)展

針對以上問題，學(xué)者們將兩種節(jié)點(diǎn)結(jié)合起來，形成“加強(qiáng)削弱并用型”節(jié)點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)局部構(gòu)造的參數(shù)，使得節(jié)點(diǎn)在滿足承載力要求的情況下，同時(shí)保持一定的延性。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的沈世釗教授、王秀麗教授對于開孔式節(jié)點(diǎn)做了一系列的力學(xué)性能測試，并且輔以ANSYS有限元軟件進(jìn)行驗(yàn)證。通過對梁腹板的節(jié)點(diǎn)開孔的尺寸，開孔距離的大小的參數(shù)控制，得出了一個(gè)增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)延性同時(shí)又保持節(jié)點(diǎn)承載力的的合理取值范圍。通過圖1可以看出，由于腹板開洞，翼緣中間位置形成了應(yīng)力集中。而從圖2的應(yīng)力值分布情況來看，由于對腹板的局部削弱，也造成了應(yīng)力集中的區(qū)域遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)域。

圖1 應(yīng)力集中

圖2 應(yīng)力值分布

西安建筑科技大學(xué)的刁莉莉選擇在翼緣部分采用開孔削弱的構(gòu)造形式。當(dāng)對這種構(gòu)造形式的節(jié)點(diǎn)做了一系列有限元分析。當(dāng)開孔的位置和尺寸選取合適時(shí)，節(jié)點(diǎn)的延性可以大大增加，并且承載力僅下降6%左右。并且對于削弱部分的地方進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)，可以再保持原有延性的基礎(chǔ)上提高承載力。如圖3所示，在開孔處進(jìn)行加焊強(qiáng)板，以及將圓孔改成部分橢圓型孔洞，因?yàn)闄E圓形孔洞的應(yīng)力集中小于圓形。從而也能降低局部應(yīng)力集中。經(jīng)過單次加載實(shí)驗(yàn)可以看出，其補(bǔ)強(qiáng)措施可以提高承載力。

圖3 構(gòu)造形式

3 改進(jìn)節(jié)點(diǎn)還需改進(jìn)的問題

3.1 尚未出現(xiàn)精確化的取值范圍

（1）有限元建模過程中主要是體現(xiàn)出構(gòu)造對于受力性能的影響，并沒有真實(shí)的連接情況進(jìn)行模擬，根據(jù)實(shí)際建模，從而讓模型的連接性能，受力性能等等更加接近實(shí)際，從而使得有限元模擬的試驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)。

（2）本文只是控制了一個(gè)變量進(jìn)行的對比分析，如果將變量擴(kuò)大到兩個(gè)或者兩個(gè)以上，此時(shí)，參數(shù)的多方面影響依然值得繼續(xù)探究。

3.2 缺乏實(shí)際工程依據(jù)

將來有條件可以針對具體的實(shí)際工程，建立幾個(gè)實(shí)際的足尺模型，通過具體的現(xiàn)場試驗(yàn)對這種節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力學(xué)性能測試，再通過有限元軟件的對比，使得結(jié)論更加貼合實(shí)際，更加具備應(yīng)用意義。

3.3 節(jié)點(diǎn)形式構(gòu)造可以更加豐富

加強(qiáng)的形式較多，本文只針對了在翼緣進(jìn)行蓋板加強(qiáng)的形式進(jìn)行研究?？梢苑治鰯U(kuò)翼緣加強(qiáng)，加肋板加強(qiáng)等多種形式的加強(qiáng)條件下，腹板開孔的情況。豐富加強(qiáng)與削弱并用節(jié)點(diǎn)的研究內(nèi)容。

4 結(jié)語

通過之前的學(xué)者對于節(jié)點(diǎn)的一系列研究，可以發(fā)現(xiàn)對于節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部的削弱和加強(qiáng)可以讓塑性鉸外移，從而達(dá)到延性增強(qiáng)的目的，對于節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的改進(jìn)，不僅增加了節(jié)點(diǎn)的穿管等使用功能，同時(shí)可以使得施工是焊縫減少，提高施工質(zhì)量的目的，是一種值得推薦的新型節(jié)點(diǎn)。