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1、1北岭和阪神地震导致焊接刚性节点破坏原因和改进 方法学院学院: 天津大学建工学院姓名姓名: 薛飞2北岭和阪神地震导致焊接刚性节点破坏原因和改进 方法摘要：摘要：通过对 1994 年发生的美国北岭地震和 1995 年发生的日本阪神地震这两次钢结构建筑普遍出现的梁柱端节点破坏原因的深入分析，从而获得高层钢结构建筑抗震改良的节点设计方法。关键词：梁柱端节点，焊缝缺陷，人工缝，超高应力，塑性铰关键词：梁柱端节点，焊缝缺陷，人工缝，超高应力，塑性铰1.1. 综述综述1994 年 1 月 14 日美国发生北岭地震，1995 年 1 月 17 日日本发生阪神地震，这两次地震非常具有代表性，因为当时普遍认为钢
2、结构建筑具有良好的抗震性能，在历次地震中经受了考验，较少发生整体破坏和倒塌现象。但是这两次地震时钢结构建筑的焊接梁柱刚性节点却遭受了严重的破坏。2.2. 北岭和阪神地震前典型的梁柱节点形式北岭和阪神地震前典型的梁柱节点形式梁柱节点形式根据其连接刚度的大小可分为三类：铰接连接，半刚性连接和刚性连接。高层和比较重要的钢结构建筑的连接,一般采用刚性连接。梁柱刚性连接的做法为梁翼缘与柱翼缘现场熔透焊，梁腹板与柱翼缘采用高强螺栓现场进行连接或用角焊缝焊接，这种刚性连接可以传递弯矩、剪力和轴力。梁的截面形状一般为 H 形，柱的截面形状有 H 形或箱形两种。美国一般采用 H 形柱，日本普遍采用箱形柱。主梁与
3、柱刚接连接时，应在柱腹板上与梁翼缘对应处加设水平加劲板，箱形内应设加劲隔板。水平加劲板应按与梁翼缘面积等强设计，水平加劲板的中心线应与梁翼缘中心线互相对准，连接焊缝也要按照等强传力的要求进行设计，如图。图 2.1 梁柱刚性连接的两种常见形式 2.12.1 北岭和阪神地震中钢结构梁柱焊接节点震害北岭和阪神地震中钢结构梁柱焊接节点震害 2.1.12.1.1 北岭地震中钢结构梁柱焊接节点震害北岭地震中钢结构梁柱焊接节点震害北岭地震之前广泛采用的焊接梁柱节点是按美国统一的建筑标准设计制造的。由于建筑外包物掩盖了节点的破坏,因此地震最初未见有关钢结构损害的报道。后来通过对多座钢框架建筑的仔细观察后发现梁
4、柱节点存在不同程度的破坏现象夕，于是引起了工程界的广泛关注。通过对个楼板框架进行现场检验，发现大部分破坏出现在节点梁翼缘与柱翼缘的连接处，而又以底梁翼缘的破坏明显多于梁翼缘。典型的破坏只发生在节点的底梁翼缘与柱翼缘连接处,而顶梁翼缘与柱翼缘连接却完整无损。承受剪切螺栓栓接的剪切板,有些情况下会从螺栓孔间撕裂或剪切板与柱连接的焊缝从柱面上撕裂下来。然而,剪切板的这种破坏仅仅发生在底梁翼缘处。底梁翼缘的断裂特征随结构形式的不同而不同,图 2.3 显示在钢结构建筑上观察到的 8 种裂纹（从 A 到 H）形式。其中,这8 种裂纹中有 7 类是从梁翼缘与柱翼缘正交点处起裂的。起裂的地方也正是梁柱与垫板交
5、界的区域。A、B 和 C 类裂纹都起裂于垫板区的焊缝根部,只是沿着焊缝和柱翼缘之间区域扩展的深度不同，A 类裂纹扩展的最浅，C 类3裂纹扩展的最深,B 类裂纹扩展的深度居于 A 类和 C 类之间。D 类裂纹起裂开始时象前三类，然后向柱翼缘扩展，最后从翼缘焊的焊趾上部扩展出来。这四类裂纹证明了垫板与柱之间存在微小裂纹。E、F 和 G 类裂纹起裂于垫板区的焊缝根部并向柱翼缘扩展，部分或全部穿透柱翼缘，甚至可以继续扩展到柱腹板，有时也会从柱子的两侧起裂，从而导致柱水平方向完全裂开。裂缝典型的导出点位于连接柱翼缘与加劲板内表面的缝的焊趾处，也有特殊情况从加劲板下扩展出来。H 类起裂于焊缝焊趾处或焊接工
6、艺孔与底梁翼缘相交处。该类裂纹可以贯穿母材或者贯穿焊缝，或两者皆有。图 2.2 美国普遍采用的型柱型梁节点破坏图 2.3 北岭地震中八种裂纹形式2.1.22.1.2 阪神地震中钢结构梁柱焊接节点震害阪神地震中钢结构梁柱焊接节点震害1995 年 1 月 17 日本发生阪神大地震，导致了很多钢结构都遭到破坏。随后的研究报告表明，钢结构建筑在这次地震中的破坏特点有：（1）建筑年代久远的钢结构建筑的破坏；（2）钢结构建筑梁柱节点的破坏；（3）柱的脆性破坏；（4）结构支撑的破坏；（5）柱脚的破坏。这些结构构件遭到破坏的原因之一是受到了高速应变变形的影响。通过地震后的检查发现，许多断裂是从翼缘坡口焊缝的各
7、种焊接缺陷和几何不连续处引起的延性裂纹的尖端开始的。由于日、美两国采用的钢框架梁柱节点的构造形式不同，地震后所观察到的梁柱节点断裂现象也不尽相同阪神地震裂纹主要向粱一侧扩展，而北岭地震裂纹主要向柱一侧扩展。图 2.4 为阪神地震中梁柱焊接节点的破坏模式。图中，模式 1 为梁翼缘的断裂，2 模式和 3为焊接热影响区的断裂，模式为柱横隔板的断裂。震害调查发现上述四类连接破坏发生时，梁翼缘已有明显的屈服或和局部屈曲现象发生。4图 2.4 阪神地震节点的失效模式2.22.2 钢结构梁柱焊接节点脆性断裂的原因分析钢结构梁柱焊接节点脆性断裂的原因分析地震后，美、日两国学者就节点破坏原因，进行了现场调查、试
8、验和现场检验，并进行了结构动力反应分析、有限元分析、断裂力学分析等，还做了大量补充实验，结合震前研究，对节点破坏原因提出了一些看法。认为节点破坏与加劲板、补强板、腹板附加焊缝等设置，没有什么直接联系，也并不仅仅是由设计或施工不良所能说明问题，而是应从节点本身在根本性缺陷方面进一步找原因。2.2.12.2.1 焊缝金属冲击韧性低焊缝金属冲击韧性低美国北岭地震之前，多采用 E70T-4 或 E70T-7 自保护药芯焊丝对焊缝施焊，这种焊丝所能提供的最小抗拉强度为 480MPa，夏比冲击韧度无规定。通过试验室试件和从实际破坏的结构中取出的试件在室温下的试验表明，其恰帕 V型冲击韧度比较低，往往只有
9、10-15J。这样低的冲击韧度使得焊缝很容易产生脆性开裂，是引发节点破坏的因素。北岭地震后不久做了很多大型验证性试验，焊缝采用韧性很好的焊条施焊，尽管焊接质量很好，但是焊缝还是出现了早期破坏，因此不对节点进行改进，此时节点是达不到补强目的的。2.2.22.2.2 焊缝存在的缺陷焊缝存在的缺陷钢材虽是一种性质较均匀的材料,但其内部总是存在着各种不同类型和不同程度的缺陷,焊缝中经常会或多或少存在一些缺陷,如裂纹、夹渣、未焊透和气孔等,这些缺陷可以成为断裂的起源。通过对破坏的节点所作的调查表明，很多情况下是焊接质量差引起的。这可以从许多缺陷中看出来，许多焊缝明显违背了规范规定的焊接质量要求，不但焊接
10、质量有问题，焊缝检查也有问题在裂缝萌生的梁下翼缘焊缝中梁腹板的工艺孔附近，焊缝是不连续的，缺陷非常明显。在该部位进行超声波检查也比较困难，因为梁腹板妨碍探头的移动。因此，梁下翼缘焊缝由于施焊和探伤的困难决定了下翼缘焊缝中部质量极差部位，梁上冀缘焊缝的施焊和探伤却不存在这样的问题。由此可以认为这是梁上翼缘焊缝破坏较少的原因之一。2.2.32.2.3 坡口焊缝处的衬板和引弧板造成了人工缝坡口焊缝处的衬板和引弧板造成了人工缝在进行梁柱节点的连接时,为了便于施焊,常在梁腹板上开工艺孔,梁翼缘的焊缝采用带垫板的坡口焊。实际操作过程中,焊接完成后往往将焊接垫板留在原处,这种做法己经表明对连接的破坏具有重影
11、响。在加州大学所做的试验表明,柱翼缘与垫板之间形成一条未熔化的垂直界面,相当于一条“人工缝”,如图 2.5 所示,该裂缝在梁翼缘的拉力作用下会扩大,进而引起脆性破坏。1995 年加州大学的 Popov 等人所做的试验再现了节点的脆性破坏,破坏时断裂的速度很高,断裂前无延性表现,因此破坏是灾难性的。他们的研究指出,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,外观没有屈服。他们还通过有限元方法模拟计算,得出最大应力集中系数出现在梁翼缘焊接垫板连接处的中部,破坏时裂纹从应力集中系数最大的地方开始,这一结论己被试验所证实。52.5 不熔接的衬板表面形成一条人工缝2.3.42.3.4
12、梁翼缘坡口焊缝出现的超高应力梁翼缘坡口焊缝出现的超高应力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，梁下翼缘坡口焊缝会出现超高应力。超高应力出现的因素有：当螺栓连接的腹板不足以参加弯矩传递；因柱翼缘受弯导致梁翼缘中断存在较大集中应力；在供焊条通过的焊接工艺孔处，存在着附加集中应力；据观察，有一大部分剪力实际是由翼缘连接焊缝传递，而不是通常设计假设的那样由梁腹板的连接传递。由于梁翼缘坡口焊缝应力很高，很可能对节点破坏起了不利影响。Popov 采用 8 节点块体单元有限元模拟发现，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。北岭地震
13、前的大量实验资料表明，当焊缝不出现裂纹时，节点受力情况就已常常不能满足坡口焊缝附近梁翼缘母材不出现超应力的要求。2.3.52.3.5 其它原因其它原因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；柱节点板域过大的剪切屈服和变形产生的不利影响；组合楼板产生负面影响等等。此外，钢材轧制时，三个交互方向的非弹性性能和塑性性能不相同，轧制方向的延性好，另外两个方向较低，节点在柱翼缘处被拉开，就与材料这种性能相关。还有，如今的钢材实际平均屈服强度，已比原先的标准屈服强度高很多，而设计人员设计时往往还采用最低要求的标准设计
14、，造成节点设计强度混乱不合理，影响了实际节点的性状等等，也都值得引起关注。3.3. 改进节点设计的途径改进节点设计的途径抗震设计总的要求是使结构“小震不坏,中震可修,大震不倒” 。抗震设防目标要求“小震不坏”是指结构遭到多遇地震后，不需修理或稍加修理可继续使用。结构在小震作用下按弹性状态进行设计。 “大震不倒”的抗震设防目标是指楼板不坠落，因为它直接关系着人的生命问题，所以“大震不倒”应是抗震设计的重点。在罕遇地震作用下,结构仍按弹性状态设计是不经济的，也是与实际情况不相符合的，要依靠结构进入塑性状态来降低地震力对结构的反应，消耗地震能量，以实现坏而不倒。解决这个问题主要依靠结构延性的概念设计
15、和结构构造来实现，把结构设计成延性结构，结构构件也应有足够的延性。为了保证结构有一定的延性,就必须控制塑性铰出现的位置。塑性铰出现在梁端是较为有利的，而塑性铰出现在柱中时很容易形成机动体系。如果同一层柱上下端都出现塑性铰，该层结构变形就会迅速增大，结构就会变得不稳定而倒塌。因此抗震结构中应避免出现这种情况，而且柱是压弯构件，受到的轴力很大，这种受力状态决定了柱的延性很小。而且作为结构的主要承重构件，柱的破坏将造成严重的后果，甚至引起结构倒塌。总之，柱中出现塑性铰是不利的。要设计延性框架结构，必须合理设计各个构构件，控制塑性铰出现的位置，使结构构件具有一定的延性，还必须防止节点连接的脆性破坏。为
16、了防止塑性铰出现在韧度较差的焊接接头部位，最好的方法是将梁的塑性铰位置从焊接节点区域移开。塑性铰外移的方法有两种一种是将节点部位进行局部加强一种是在离开柱面一定距离处将梁截面进行局部削弱。局部加强措施6节点加强措施包括加盖板、腋梁、边板和竖向肋等。这些辅助板件可用焊接也可用螺栓刚性连接于主体结构构件上,其中加腋梁和加盖板作用最显著如图 3.1 所示,做法也最成熟。图 3.1 左为掖梁示意图，右为盖板示意图腋梁试验的结果分析表明,它能明显提高塑性变形的能力,塑性旋转角度也由原来不足增至以上,最大可达,对一般刚性框架塑性旋转角达到即满足要求。尽管加盖板和加腋梁的节点型式通过了大量的试验研究,但是在美国新的钢框架结构抗震设计准则建议里面并没有将其列为预先具有资格的梁柱节点型式,这主要是由于经济上的原因,相信会有新的具有同等甚至更可靠抗震性能的,并且更为经济的节点型式出现,例如狗骨式节点等。另外针对传统做法中梁腹板与柱翼缘的纯螺栓连接,提出对其进行附加焊缝连接,以便更好地帮助翼缘传力卿,试验结果证实了附加焊缝对提高连接强度和塑性旋转能力的作用,并且施工并不复杂,因此可在我国研究推广。
